CN101404508A - 一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：该紧缩场馈源包括一个双脊喇叭天线，支撑柱，法兰盘和覆盖在法兰盘上的吸波材料，所述的双脊喇叭天线连接在支撑柱上，支撑柱连接在法兰盘上，吸波材料连接在法兰盘上表面并且包围支撑柱的侧表面，双脊喇叭天线的口面与法兰盘下表面平行；所述双脊喇叭天线包括一个有特定尺寸的喇叭壁，两个采用特定脊曲线的脊，一个后壁，一个短路板，一个SMA标准接头。本发明克服原有标准波段馈源频带较窄的问题，达到美国联邦通信委员会制定的超宽带通信频带宽度，可大大提高宽带系统测试效率以及可以完成时域信号的测试；且体积小，质量轻，低成本，性能高。

Description

一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源

技术领域

本发明涉及一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，既可以用于接收也可以用于发射无线电波。主要用于紧缩场测试，一方面可以作为紧缩场普通天线和RCS测量馈源，一方面可以作为紧缩场静区检测馈源。另外，该馈源经过一定结构改造也可以用作普通反射面天线馈源，电子侦察、电子干扰以及探地雷达等超宽带无线电设备的终端天线以及超宽带通信的基站天线。属于无线通信技术领域。

背景技术

随着美国联邦通信委员会(FCC-Federal Communications Commission)正式颁布频率为3.1GHz-10.6GHz可以像应用在军用雷达、探测等系统一样应用于民用无线通信系统中，超宽带无线通信技术引起了世界各国的广泛关注，国内外厂商研发超宽带通信设备的热情不断高涨。紧缩场作为天线测试最重要的设施之一，需要适应这一新出现的天线测试要求。传统紧缩场测试馈源一般工作于一个标准波段，不能满足超宽带天线的测试要求，特别是当需要测试天线及系统的时域特性时，超宽带馈源则变得必不可少。传统脊波导喇叭具有较宽的阻抗带宽，客观上具有作为紧缩场馈源的潜力，但是由于脊波导喇叭方向图随着频率的变化变化较大，而紧缩场对馈源的方向图要求很高，因此无法直接应用，必需针对紧缩场对馈源的要求做精细设计。紧缩场对馈源的主要要求是方向图在E面H面对称；在对应静区的照射角内，幅度方向图和相位方向图都需要非常平滑，幅度方向图锥削小于1dB，相位方向图一般要求小于3度；较低的驻波比；很低的交叉极化；稳定的相位中心；尽量宽的频带。

1973年，John L.Kerr研制出了短轴长超宽带脊喇叭，用作电磁兼容测量的馈源。用两个不同尺寸的脊喇叭覆盖了0.2-2GHz和1-12GHz两个频段，并在这两个频段中都取得了极为理想的性能。其中1-12GHz的喇叭轴向尺寸为6inch，口面尺寸为9.5*5.44inch；整个频带内的增益都在5dB-13dB范围内，其中低频段稍低；交叉极化比在-40dB以下；驻波比在大部分频带内小于2∶1；E面方向图保持在40°左右，H面方向图保持在30°左右。0.2-2GHz喇叭的主要尺寸是1-12GHz天线尺寸以5∶1的比例放大得到的，但两者在激励段脊波导上存在区别，0.2GHz-2GHz喇叭的轴向尺寸为37inch，口面尺寸为37.5*27.2inch，重量为10kg左右。

2005年，M.Botello-Perez等人在文献中对Kerr的模型进行了更为详细的介绍，并进行了较为精确的计算机仿真分析。文献中提出了一些激励段脊波导的尺寸设计公式，对脊曲线进行了有益的修改，并给出了仿真结果。同时，详细的分析了激励探针的位置、探针的尺寸和它的插入深度对驻波性能的影响，并给出了相应的曲线。但是与大多说脊喇叭的文献相同对脊波导喇叭的幅度方向图锥削和相位方向图锥削没有做严格的控制，不能够用作紧缩场馈源。

因此，对脊波导喇叭做精细设计，满足紧缩场对馈源的要求是有实际意义的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，以解决现有技术中紧缩场馈源频点较窄的缺陷，满足紧缩场对馈源的要求。

本发明一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，根据脊波导喇叭具有良好的阻抗带宽，较好的方向图，通过对脊波导喇叭的口面尺寸，轴向长度，脊波导厚度，脊间距，脊曲线，脊波导尺寸，脊与后腔距离等关键尺寸的设计，使设计后的脊波导喇叭达到紧缩场对馈源的严格要求。

本发明的技术方案如下：

本发明一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，包括一个双脊喇叭天线，支撑柱，法兰盘和覆盖在法兰盘上的吸波材料，所述的双脊喇叭天线连接在支撑柱上，支撑柱连接在法兰盘上，吸波材料连接在法兰盘上表面并且包围支撑柱的侧表面，双脊喇叭天线的口面与法兰盘下表面平行。所述双脊喇叭天线包括一个有特定尺寸的喇叭壁，两个采用特定脊曲线的脊，一个后壁，一个短路板，一个SMA标准接头。

其中，所述的喇叭壁口面长边为60～65mm。

其中，所述的喇叭壁口面长边与短边的比为1.3∶1～1.4∶1。

其中，所述脊的脊波导长边尺寸为24～25mm。

其中，所述脊的脊波导长边与短边比为1.95∶1～2.05∶1。

其中，所述脊的脊波导的脊宽度为4～6.5mm。

其中，所述脊的脊波导的两脊间距为0.5～1mm。

其中，所述的双脊喇叭天线的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，指数曲线方程为y＝0.61*e^0.072*x-0.0096*x。

其中，所述的脊距离短路板短路面的距离为2.3mm。

其中，所述的脊后采用导电胶连接脊喇叭天线后壁，实现脊与后壁的良好电接触。

其中，所述的双脊喇叭天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂其中的一种，或者上述金属的合金。

其中，所述的支撑柱在双脊喇叭天线和法兰盘间长度为62～68mm，结构可以为圆柱体，长方体等。

其中，所述的法兰盘可进一步连接馈源支架，可为圆柱体，长方体等，通过调整法兰盘上表面和下表面间的高度，使馈源相位中心与反射面焦点重合。

其中，所述的覆盖在法兰盘上的吸波材料高度为45mm～60mm，长宽均为400～500mm。

本发明一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其优点及功效在于：克服原有标准波段馈源频带较窄的问题，达到美国联邦通信委员会制定的超宽带通信频带宽度，可大大提高宽带系统测试效率以及可以完成时域信号的测试；且体积小，质量轻，低成本，性能高。

附图说明

图1所示为馈源整体结构图

图2所示为双脊喇叭结构图

图3所示为支撑住和法兰盘连接结构示意图

图4所示为馈源整体与馈源假连接结构示意图

图5所示为双脊喇叭喇叭壁结构图

图6所示为双脊喇叭脊波导截面图

图中具体标号如下：

1、双脊喇叭天线      2、支撑柱

3、法兰盘            3a、下表面     3b、上表面

4、吸波材料          5、脊          6、后壁

7、喇叭壁           7a、长边             7b、短边

8、SMA标准接头      9、短路板            9a、短路面

10、12、14、螺钉    15、导电胶

16、脊波导          16a、脊波导长边      16b、脊波导短边

16c、脊宽度         17、馈源支架         1

具体实施例

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

请参阅图1至图6，本发明一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源(如图1、2所示)，包括一个双脊喇叭天线1，支撑柱2，法兰盘3和覆盖在法兰盘上的吸波材料4，所述的双脊喇叭天线1通过螺钉14连接在支撑柱2上，支撑柱2通过螺钉12连接在法兰盘3上，吸波材料4连接在法兰盘3上表面并且包围支撑柱2的侧表面，双脊喇叭天线1的口面与法兰盘3下表面平行。所述双脊喇叭天线包括一个有特定尺寸的喇叭壁7，两个采用特定脊曲线的脊5，喇叭壁7通过螺钉10与脊5固连，一个后壁6，一个短路板9，一个SMA标准接头8。

为了保证馈源在X波段的方向图幅度锥削在紧缩场静区对应角度(±10度)内小于1dB，选用较小的天线口面，根据经验公式：

$D=4\mathrm{\π}\frac{A_e}{{\mathrm{\λ}}^2}$

当1dB波束宽度确定，估计3dB波束宽度为40度，确定天线的有效面积A_e选在13～17cm²之间。假设采用最优矩形喇叭设计，可以根据矩形喇叭E面，H面3dB波束宽度经验公式

$\mathrm{HPBW}\left(E\right)=\frac{56}{a_{\mathrm{E\λ}}}$

$\mathrm{HPBW}\left(H\right)=\frac{67}{a_{\mathrm{H\λ}}}$

式中a_Eλ与a_Hλ分别代表E面喇叭口波长数和H面喇叭口波长数。由此两项可以估算出E面宽度为37mm和45mm。考虑到采用的脊波导喇叭不是最优化矩形喇叭，口面利用率要低于最优化矩形喇叭，因此在估算结果的基础上进行适当放大。其中，喇叭壁7口面长边7a为60～65mm。其中，喇叭壁7口面长边7a与短边7b的比为1.3∶1～1.4∶1。

根据BALANIS(巴勒尼斯)提出的磁场积分方程方法，选定脊波导主模TE₁₀单模工作频带范围为2.8GHz～12GHz，确定脊波导16的脊波导长边16a尺寸在24～25mm，脊波导16的脊波导长边16a与短边16b的比在2左右，脊波导16的脊宽度16c为3mm，脊间距为0.5mm。由此确定出的脊波导脊宽偏小，脊间距偏窄。考虑到从主模阻抗的角度讲，增大脊宽度脊波导主模特性阻抗减小，增大脊间距特性阻抗增加，同时适当增大脊的宽度和间距可以保证主模阻抗变化不大。将脊波导16的脊波导长边16a尺寸确定为24～25mm，脊波导16的长边16a与短边16b的比在2左右，脊波导16的脊宽度16c为4～6.5mm，脊间距为0.5～1mm。在本发明的一个优选实施例中，选择脊波导脊部分宽度可为6mm，脊脊间距为1mm。

由于实际工作中紧缩场馈源与测试设备用同轴电缆连接，因此必须引入同轴线到脊波导的过渡结构，在确定脊波导结构后，可以通过全波仿真算法优化脊喇叭的脊与短路板9短路面9a的距离，仿真结果证明当距离为2.3mm过渡结构的反射最小。

脊波导喇叭脊曲线部分一般采用

y＝a*e^R*x-b*x

作为基本曲线，其中R主要是决定脊曲线的张开速度，R越大，张开速度越快，相应天线轴长越短，R越小，张开速度越慢，天线轴长越长。一般来说R越大，由传输线到自由空间波阻抗变换越快，反射越大，但是考虑到作为馈源天线需要有稳定的相位中心，以此不能选择过大的天线轴长，因此R需要在反射不太大的条件下尽可能大，本发明的一个优选实施例选定R在0.072。a，b可由喇叭口面尺寸和脊波导尺寸确定。具体为：y＝0.61*e^0.072*x-0.0096*x

在实际工程中天线加工存在一定误差，在设计中需要给出相应的加工容差，由于加工误差存在，脊5与后壁6很难保证良好的电接触，仿真和实验均证明，如果脊5与后壁6没有良好的电接触将对脊喇叭的驻波产生很大影响。因此在设计中加入导电胶连接脊喇叭的脊5和脊喇叭天线后壁6，实现脊与后壁的良好电接触。

双脊喇叭天线1的加工可以采用：铝，铁，锡，铜，银，金，铂其中的一种，或者上述金属的合金等导电良好的金属，作为一个优选实施例，采用硬铝作为加工材料。

双脊喇叭天线1为了保证高频段方向图幅度锥削小，整个频段内相位中心变化小，最大程度的减小天线口面，缩短轴向长度。与之相对应的是这种双脊喇叭天线具有较高的后瓣，馈源在紧缩场中不是悬空工作的，必然需要支撑结构，这些支撑结构为了达到很高的装配精度，往往采用金属制造，这些支撑结构受到天线后瓣照射产生再辐射。如果不加以限制，紧缩场馈源的方向图将是双脊喇叭天线辐射方向图和支撑结构再辐射的矢量叠加。在低频段双脊喇叭天线前后比较低，方向图受到支撑结构的影响尤其明显，最终得到的方向图在幅度和相位上均出现了不同程度的抖动，由于紧缩场要提供高质量的平面波，这种抖动将直接反映到静区电场中，这是不允许的。馈源支架相当于一个比较大的金属平面，在设计初期可以等效为无限大理想金属面，这样双脊喇叭天线可以用镜像原理等效为二元阵，利用阵列天线理论直接把阵列因子与双脊喇叭天线方向图相乘，通过这种方法非常快捷的得到二元阵矢量方向图，对二元阵间的间距做优化可以得到较好的阵列方向图。通过初步计算阵，双脊喇叭天线1与法兰盘3之间距选在50～80mm之间比较理想，综合考虑结构因素和后面吸波材料4的因素，选择在62～68mm之间。考虑到实际馈源支架不能完全等效为无限大金属平面，支架的结构比较复杂，如果进行高精度分析，不论是理论分析还是仿真建模都非常困难，采用吸波材料4挡住馈源支架是最理想的选择。对于锥形吸波材料，如果设计合理锥的高度越高，对应低频吸波性能越好。吸波材料锥顶不应超过馈源口面，对不同高度吸波材料对应的不同吸收率，建立简单二元阵仿真模型，对比二元阵方向图，确定吸波材料4高度不能低于45mm，综合考虑整个馈源结构选择吸波材料高度在45～60mm之间最理想。吸波材料面积越大越有利于抑制后瓣激励出的二次辐射，但考虑到馈源支架的结构吸波材料过大使用不方便，应当选取的吸波材料越小越好，通过仿真计算，选择长宽在400～500mm最为合理。法兰盘3用于连接馈源与馈源支架，其可以为圆柱体或长方体等，适当调节法兰盘上表面3b和下表面3a的高度，使双脊喇叭天线相位中心于反射面焦点重合。

Claims (14)

1、一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：该紧缩场馈源包括一个双脊喇叭天线，支撑柱，法兰盘和覆盖在法兰盘上的吸波材料，所述的双脊喇叭天线连接在支撑柱上，支撑柱连接在法兰盘上，吸波材料连接在法兰盘上表面并且包围支撑柱的侧表面，双脊喇叭天线的口面与法兰盘下表面平行；所述双脊喇叭天线包括一个有特定尺寸的喇叭壁，两个采用特定脊曲线的脊，一个后壁，一个短路板，一个SMA标准接头。

2、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述喇叭壁的口面长边为60～65mm。

3、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述喇叭壁的口面长边与短边的比为1.3∶1～1.4∶1。

4、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述脊的脊波导长边尺寸为24～25mm。

5、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述脊的脊波导长边与短边比为1.95∶1～2.05∶1。

6、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述脊的脊波导的脊宽度为4～6.5mm。

7、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述脊的脊波导的两脊间距为0.5～1mm。

8、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述双脊喇叭天线的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，指数曲线方程为y＝0.61*e^0.072*x-0.0096*x。

9、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的脊距离短路板的短路面的距离为2.3mm。

10、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的脊后采用导电胶连接脊喇叭天线后壁，实现脊与后壁的良好电接触。

11、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的双脊喇叭天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂其中的一种，或者上述金属的合金。

12、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的支撑柱在双脊喇叭天线和法兰盘间长度为62～68mm，结构可以为圆柱体，长方体。

13、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的法兰盘可进一步连接馈源支架，可为圆柱体，长方体，通过调整法兰盘上表面和下表面间的高度，使馈源相位中心与反射面焦点重合。

14、根据权利要求1所述的一种适用于室内超宽带无线通信频段的紧缩场馈源，其特征在于：所述的覆盖在法兰盘上的吸波材料高度为45mm～60mm，长宽均为400～500mm。

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