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本书作者从事天线研发工作多年，他对反射面天线的形状设计原理、辐射场计算理论进行了系统的推导，编写了几何形状设计、辐射场计算程序并给出了计算实例，并经工程实践验证。书中设计程序读者可以拿来就用，大大提高学习、研究和设计反射面天线的效率，缩短从理论到实践的距离。

目    录
第1章  标准卡塞格伦天线和抛物面天线	1
1.1  标准卡塞格伦天线的等效抛物面法	1
1.1.1  标准卡塞格伦天线的几何参数	1
1.1.2  等效抛物面法	2
1.2  基于矢位法的抛物面天线辐射远场的分析	3
1.2.1  矢位法基本原理	3
1.2.2  基于矢位法的反射面天线辐射远场的计算	6
1.2.3  点源照射下的反射面天线辐射远场	8
1.2.4  抛物面的面积元和法向单位矢量	9
1.2.5  抛物面天线的辐射远场	10
1.3  程序计算实例	15
1.3.1  标准卡塞格伦天线计算实例	15
1.3.2  抛物面天线计算实例	20
1.4  程序清单	23
1.4.1  馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算程序清单HAA.FOR	24
1.4.2  馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算程序清单HAB.FOR	32
第2章  单偏置抛物面天线	41
2.1  单偏置抛物面天线的几何结构	41
2.2  利用E模场辐射法计算单偏置抛物面天线的辐射远场	42
2.2.1  线极化辐射远场	42
2.2.2  圆极化辐射远场	47
2.3  程序计算实例	51
实例2.1  线极化时单偏置抛物面天线的计算	51
实例2.2  圆极化时单偏置抛物面天线的计算	53
实例2.3  抛物面天线的计算	55
2.4  单偏置抛物面天线辐射远场计算程序清单HOF.FOR	56
第3章  赋形波束双弯曲反射面天线	73
3.1  赋形波束双弯曲反射面天线几何形状设计	73
3.1.1  设计中截线	73
3.1.2  条带设计	76
3.2  赋形波束双弯曲反射面天线辐射远场	78
3.2.1  利用矢位法计算反射面天线辐射远场	78
3.2.2  点源照射下的反射面辐射远场	79
3.2.3  反射面的表面参量	81
3.2.4  辐射远场	82
3.3  程序计算实例	86
实例3.1  远场功率方向图为余割平方时的计算	86
实例3.2  远场功率方向图为任意分布时的计算	93
3.4  反射面形状设计和辐射远场计算程序清单HDR.FOR	95
第4章  赋形卡塞格伦天线	122
4.1  常用口面场分布函数分析	122
4.2  反射面结构设计	122
4.2.1  反射面方程	122
4.2.2  利用四阶龙格-库塔法求解微分方程组	127
4.3  利用镜面电流法求解辐射场	128
4.3.1  副面散射场	128
4.3.2  卡塞格伦天线辐射场	132
4.3.3  天线效率	137
4.4  射线跟踪和镜面电流法计算辐射场	141
4.4.1  反射面坐标的拟合处理	141
4.4.2  反射面上点的法向单位矢量	142
4.4.3  主反射面的面积元	144
4.4.4  主面口面场	145
4.4.5  辐射远场	148
4.5  程序计算实例	151
实例4.1  计算赋形卡塞格伦天线形状	151
实例4.2  馈源辐射方向图轴对称时辐射远场计算	154
实例4.3  赋形卡塞格伦天线形状计算及坐标拟合	158
实例4.4  馈源辐射方向图非轴对称时辐射远场计算	160
4.6  程序清单	163
4.6.1  计算赋形卡塞格伦天线形状程序清单HCC.FOR	163
4.6.2  馈源辐射方向图轴对称时辐射场计算程序清单HCD.FOR	168
4.6.3  计算赋形卡塞格伦天线形状及拟合程序清单HCE.FOR	185
4.6.4  馈源辐射方向图非轴对称时辐射场计算程序清单HCF.FOR	192
第5章  赋形环焦反射面天线	208
5.1  反射面形状设计	208
5.1.1  主面和副面母线的方程	208
5.1.2  反射面参数的选取	212
5.1.3  四阶龙格-库塔法求解微分方程组	214
5.2  辐射远场	214
5.3  程序计算实例	215
实例5.1  计算赋形环焦天线形状及拟合处理	215
实例5.2  馈源辐射方向图非轴对称时线极化辐射远场的计算	218
实例5.3  馈源辐射方向图非轴对称时圆极化辐射远场的计算	221
5.4  计算环焦天线形状及拟合程序清单HRA.FOR	222
第6章  双偏置对称转换格雷高利天线	230
6.1  基本几何结构参数	230
6.2  主副面表达式	233
6.2.1  副面法向单位矢量	233
6.2.2  副面反射线单位矢量	234
6.2.3  副面坐标	236
6.2.4  主面坐标	237
6.2.5  主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系	238
6.3  主面口面场	246
6.3.1  主面的面积元	246
6.3.2  主面口面场	248
6.4  辐射远场	251
6.4.1  线极化辐射远场	251
6.4.2  圆极化辐射远场	252
6.5  程序计算实例	254
实例6.1  馈源辐射电场为线极化时的计算	254
实例6.2  馈源辐射电场为圆极化时的计算	257
6.6  反射面形状和辐射场计算程序清单OFFA.FOR	259
第7章  双偏置对称转换卡塞格伦天线	276
7.1  基本几何结构参数	276
7.2  主副面表达式	279
7.2.1  副面法向单位矢量	279
7.2.2  副面反射线单位矢量	280
7.2.3  副面坐标	281
7.2.4  主面坐标	282
7.2.5  主面口面上反射线轨迹与馈源球坐标系下参量的关系	283
7.3  主面口面场	291
7.4  辐射远场	294
7.5  程序计算实例	295
实例7.1  馈源辐射电场为线极化时的计算	295
实例7.2  馈源辐射电场为圆极化时的计算	299
7.6  反射面形状和辐射远场计算程序清单OFFB.FOR	300
第8章  赋形双偏置反射面天线	312
8.1  求解反射面形状	312
8.1.1  能量守恒定律	312
8.1.2  斯奈尔定律	313
8.1.3  求解反射面坐标的步骤	316
8.2  主面口面场	317
8.3  辐射远场	321
8.4  程序计算实例	322
实例8.1  计算赋形双偏置格雷高利天线的形状	323
实例8.2  计算赋形双偏置卡塞格伦天线的形状	325
实例8.3  线极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算	326
实例8.4  圆极化时赋形双偏置格雷高利天线辐射远场的计算	328
实例8.5  线极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算	329
实例8.6  圆极化时赋形双偏置卡塞格伦天线辐射远场的计算	330
8.5  程序清单	331
8.5.1  反射面天线形状计算程序清单DOFA.FOR	332
8.5.2  反射面天线辐射场计算程序清单DOFB.FOR	339
第9章  格雷高利椭圆波束天线	346
9.1  反射面坐标求解	346
9.1.1  对称平面的几何参数	346
9.1.2  主面特性	348
9.1.3  副反射面的几何特性	348
9.1.4  主面坐标和副面坐标的关系	350
9.1.5  求解主副面坐标的具体过程	352
9.1.6  验证主副面形状设计结果	355
9.2  主面口面场	356
9.3  辐射远场	361
9.4  程序计算实例	361
实例9.1  求解不同坐标系下的方位角的对应关系	362
实例9.2  求解偏焦函数中的系数的值	363
实例9.3  利用偏焦函数计算反射面形状	364
实例9.4  线极化时天线俯仰面远场方向图的计算	367
实例9.5  线极化时天线方位面远场方向图的计算	369
实例9.6  右旋圆极化时天线俯仰面远场方向图的计算	370
实例9.7  左旋圆极化时天线方位面远场方向图的计算	372
9.5  程序清单	373
9.5.1  求解不同坐标系下的方位角的对应关系程序清单HERA.FOR	373
9.5.2  偏焦函数中的系数求解程序清单HERB.FOR	376
9.5.3  反射面形状计算程序清单HERC.FOR	383
9.5.4  反射面天线辐射远场计算程序清单HERD.FOR	390
第10章  对称双反射面椭圆波束天线	399
10.1  求解变焦距环焦椭圆波束天线形状	399
10.1.1  长轴平面内的副面几何参数	400
10.1.2  短轴平面内的副面几何参数	402
10.1.3  其他平面内的副面几何参数	403
10.1.4  副面上点的法向单位矢量	406
10.1.5  求解主面坐标	410
10.2  求解变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线形状	411
10.2.1  求解长轴和短轴平面内的主副面形状	412
10.2.2  求解其他平面内的副面形状	413
10.2.3  求解其他平面内的主面形状	414
10.3  主面口面场	417
10.4  辐射远场	421
10.5  程序计算实例	422
10.5.1  变焦距环焦椭圆波束天线计算实例	422
10.5.2  变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线计算实例	434
10.6  程序清单	446
10.6.1  环焦椭圆波束天线形状计算程序清单HEEA.FOR	446
10.6.2  环焦椭圆波束天线辐射场计算程序清单HEEB.FOR	456
10.6.3  卡塞格伦椭圆波束天线形状计算程序清单HFFA.FOR	463
10.6.4  卡塞格伦椭圆波束天线辐射远场计算程序清单HFFB.FOR	486
第11章  三反射体赋形球面天线	490
11.1  三反射体赋形球面天线特性	490
11.2  求解主副面形状	491
11.2.1  求解对称平面内的曲线	491
11.2.2  在反射面坐标系下计算主副面形状	496
11.2.3  在馈源坐标系下计算主副面形状	498
11.2.4  验证主副面形状设计结果	500
11.3  主面口面场	502
11.4  辐射远场	509
11.5  程序计算实例	510
实例11.1  非均匀分布时第1类天线形状计算	510
实例11.2  非均匀分布时第1类天线方位面辐射远场的计算	514
实例11.3  非均匀分布时第1类天线俯仰面辐射远场的计算	516
实例11.4  均匀分布时第1类天线形状的计算	518
实例11.5  均匀分布时第1类天线辐射远场的计算	519
实例11.6  均匀分布时第2类天线形状的计算	521
实例11.7  均匀分布时第2类天线辐射远场的计算	523
11.6  程序清单	524
11.6.1  三反射体球面天线形状计算程序清单HMMA.FOR	524
11.6.2  三反射体球面天线辐射场计算程序清单HMMB.FOR	539
第12章  瞬时多波束抛物面天线	547
12.1  瞬时多波束抛物面天线概述	547
12.1.1  瞬时抛物面天线特性	547
12.1.2  多个偏焦馈源形成多波束的机理	548
12.2  瞬时多波束抛物面天线辐射场	549
12.2.1  主动球面与瞬时抛物面的关系	549
12.2.2  基于矢位法的剩余球面辐射远场分析	551
12.2.3  点源照射下的剩余球面辐射远场	552
12.2.4  剩余球面的面积元和法向单位矢量	553
12.2.5  剩余球面的辐射远场	556
12.3  程序计算实例	560
实例12.1  馈源非偏焦时瞬时抛物面天线辐射远场的计算	561
实例12.2  馈源非偏焦时剩余球面和混合反射面的辐射远场的计算	563
实例12.3  馈源偏焦时瞬时抛物面天线辐射远场的计算	565
实例12.4  馈源偏焦时剩余球面和混合反射面的辐射远场的计算	566
12.4  程序清单	567
12.4.1  瞬时抛物面辐射远场计算程序清单HYR1.FOR	567
12.4.2  剩余球面和混合反射面的辐射远场计算程序清单HYR2.FOR	579
附录A  公用子程序清单	592
附录B  程序索引	597
附录C  程序的使用说明	599
参考文献	600

前    言
　　反射面天线广泛应用于通信、雷达、导航、遥控、遥测、深空探测和射电天文等领域。随着现代科技的发展，反射面技术取得了明显的进步，涌现出了许多新技术及新方法。但反射面天线的几何形状设计、辐射场计算比较复杂，对工程数学和电磁场理论要求较高，所涉及的公式较多，也较为晦涩，很多天线设计方面的参考书与工程结合不够紧密；对于从事反射面天线工作的人员而言，拥有一些较为系统全面、理论与实践紧密结合的参考书及“拿来就能用”的程序，无疑可以提高其学习、研究或者设计反射面天线的效率，缩短从理论到实践的距离。本书对绝大多数种类的反射面天线的形状设计原理、辐射场计算理论（包括主面的口面场、辐射远场和副面散射场等）进行了系统的推导，对不同种类的反射面天线采用了适合于各自特点的分析方法；对每种天线分别编写了形状设计、辐射场计算程序，并给出了计算实例。
　　本书共12章，对近20种形式的反射面天线进行了形状设计和辐射场计算。这些天线涵盖了目前绝大多数种类的反射面天线，具体包括抛物面天线、卡塞格伦天线（含标准型和赋形波束两种类型）、单偏置抛物面天线、赋形波束双弯曲反射面天线（含焦点带、仰角带、水平带三种类型）、副面为椭圆的环焦天线（含标准型和赋形波束两种类型）、双偏置对称转换反射面天线（含格雷高利和卡塞格伦两种类型）、赋形双偏置反射面天线（含卡塞格伦和格雷高利两种类型）、格雷高利椭圆波束反射面天线、变焦距环焦椭圆波束反射面天线(包括副面半径过渡函数为多项式函数、正弦函数和指数函数三种形式）、变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线（包括副面矢径长度过渡函数为多项式函数、正弦函数和指数函数三种形式）、三反射体赋形球面天线和瞬时多波束抛物面天线。
　　第1章先将标准卡塞格伦天线用等效抛物面来代替，然后利用基于矢位法的辐射场理论推导了抛物面天线辐射远场的计算原理；针对馈源辐射方向图为轴对称、非轴对称、馈源辐射电场为线极化、圆极化等情况，编写了辐射远场计算程序并给出了计算实例。
　　第2章利用E模场辐射法，在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，给出了馈源辐射电场为线极化、圆极化时的单偏置抛物面天线辐射远场计算原理，编写了计算程序并给出了计算实例；当单偏置抛物面天线的偏置角度为零时，则变成了抛物面天线，因此这一章介绍的理论及编写的程序也适用于抛物面天线。
　　第3章先论述了赋形波束双弯曲反射面天线的中截线的设计原理，并结合条带理论给出了焦点带、仰角带、水平带赋形波束双弯曲反射面天线的设计过程；当馈源辐射方向图非轴对称时，利用基于矢位法的辐射场理论，推导了计算线极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射远场计算程序，给出了计算实例。
　　第4章在给定反射面口面功率分布的情形下，结合馈源辐射功率方向图给出了设计赋形卡塞格伦天线形状的原理。在馈源辐射方向图为轴对称的情况下，推导了利用镜面电流法计算副面散射场、主面口面场、辐射远场及天线效率、增益等参数的原理；当馈源辐射方向图非轴对称时，为了提高计算速度，对反射面进行了多项式拟合，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射远场计算程序，给出了计算实例。
　　第5章在给定反射面口面功率分布的情形下，结合馈源辐射功率方向图给出了设计副面为椭圆的赋形环焦天线形状的原理。在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，对反射面进行了多项式拟合；推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射远场计算程序，给出了计算实例。
　　第6章和第7章分别推导了双偏置对称转换格雷高利天线和卡塞格伦天线形状的解析表达式。在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射场计算程序，给出了计算实例。
　　第8章在给定反射面口面功率分布的情形下，结合馈源辐射功率方向图推导了设计赋形双偏置卡塞格伦天线和格雷高利天线的形状的原理。在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射场计算程序，给出了计算实例。
　　第9章在基于对称转换的前提下，设计了求解格雷高利低交叉极化椭圆波束天线形状的方法。在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射场计算程序，给出了计算实例。
　　第10章论述了求解变焦距环焦椭圆波束天线、变照射角赋形卡塞格伦椭圆波束天线形状的过程。在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射远场的原理，编写了反射面形状设计及辐射场计算程序并给出了计算实例；如果将椭圆波束椭球率设成1，则变成了对称波束，环焦椭圆波束天线变成了副面为椭圆的标准环焦天线、赋形卡塞格伦椭圆波束天线变成了赋形卡塞格伦对称波束天线。因此，这一章的理论及程序也可应用于标准环焦天线或赋形卡塞格伦对称波束天线的形状设计及辐射场计算。
　　第11章在给定主面口面功率分布的情况下，结合馈源功率方向图，设计了求解第1类和第2类三反射体赋形球面天线形状的方法；分析了利用移动馈源系统（含馈源及第一、第二副面）实现波束扫描，或利用多个馈源系统产生多波束的机理。这一章在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，推导了利用射线跟踪法和镜面电流法计算线极化、圆极化辐射场的原理，对比分析了馈源辐射方向图和主面口面功率函数在不同情况下的性能，编写了反射面形状设计及辐射场计算程序，并给出了计算实例。
　　第12章介绍了由主动球面构成的瞬时多波束抛物面天线的概念，分析了利用多个偏焦馈源实现多波束的机理；在瞬时抛物面天线沿焦平面运动过程中，分析了剩余球面对瞬时抛物面天线辐射远场的影响；在馈源辐射方向图非轴对称的情况下，论述了利用矢位法计算剩余球面的线极化、圆极化辐射远场的原理；将剩余球面和瞬时抛物面分别产生的辐射远场进行矢量叠加，计算出了由剩余球面和瞬时抛物面组成的混合反射面的辐射远场，编写了辐射远场计算程序并给出了计算实例。
　　著者曾在国家大型电子技术研究所从事天线研究工作多年，现从事教学和科研工作。本书是著者多年来在从事反射面天线理论研究、工程设计、指导研究生学位论文等工作中常年积累的成果，同时也参考了国内外文献。本书省略了一些烦琐的基础理论的推导，也删掉了部分章节之间重复的内容；但各章又尽量保持了理论的系统性，自成体系。书中注重对理论的具体分析，将抽象理论具体化，以便更好地应用于工程实践。
　　本书所有程序均采用Digital Visual Fortran 5.0编写，源程序代码、每个计算实例的输入和输出数据文件等按照章节顺序存放在一个文件包中，并上传至电子工业出版社网站上，需要的读者可登录该网站免费下载。虽然大部分程序已在实践中进行过验证或与其他商业软件进行过对比，但难免还会存在一些考虑不周全的地方。读者也可以利用书中理论并参考书中程序编写适合个人习惯的程序或者对书中的程序进行改进。
　　限于著者水平，错误和缺点难免，敬请广大读者批评指正。
　　
　　著    者
　　2016年1月于安徽工业大学
　　 Email: antennaeng@163.com

电子/通信

何山红：1973年生，安徽工业大学副教授、硕士生导师，中国电子学会高级会员，IEEE Member。曾在南京电子技术研究所从事天线研究工作多年，主持完成多项大型国防工程及其他国家重大工程中天线系统的研制，担任过天线与微波国防科学技术重点实验室基金等预研课题的组长。目前担任多本IEEE汇刊的审稿人。已在IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters、《电波科学学报》等期刊及会议上发表学术论文30多篇，其中被SCI、EI检索20多篇。

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