CN102104200B - 曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线 - Google Patents

Abstract

本发明为一种曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线，其由反射面和馈源阵列组成；天线的反射面是用一条在水平面上焦距较短的抛物线沿着垂直面上的另一条焦距较长抛物线形成的一个双焦抛物反射面，馈源阵列是将多个喇叭天线排列在由上述长焦抛物线平移到上述短焦抛物线的焦点处形成的抛物线上所组成抛物曲线馈源阵列，每个喇叭天线的相位根据惠更斯——菲聂耳原理进行设置，每个喇叭天线在最大辐射方向上达到最大的同相合成。馈源阵列进行空间功率合成，产生的辐射照射双焦抛物反射面，双焦抛物反射面反射电磁波形成需要的波束以提高天线增益。该天线结构简单，增益高。

Description

曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线

技术领域

本发明涉及空间功率合成技术领域，具体的说是一种用于空间功率合成的抛物曲面型反射面天线，是一种将空间中由喇叭阵列辐射出的电磁波进行反射叠加合成的反射面天线技术。

背景技术

在雷达、电子对抗和远距离通信中，需要获得大功率的定向电磁辐射波束。当单个信号源不能产生足够的功率时，需要采用功率合成的方法，把多路较低功率的信号合成为所需要的大功率辐射，方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，把多路信号利用电路或波导的合成网络进行功率合成，再通过天线辐射出去，但合成网络本身存在损耗，降低了功率合成的效率；二是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束，由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高。

空间功率合成天线的主要指标是等效全向辐射功率ERIP，为了提高ERIP，除了增加功率合成的功放路数外，另外一个有效的办法是增加天线的增益。要提高天线的增益，就必须提高天线的口径。在微波波段，空间功率合成天线可以采用由多个喇叭天线组成的等幅同相馈电的线型阵列来进行空间功率合成，用抛物柱面作为反射面来增大天线的口径以提高天线的增益。放在抛物柱面焦线上喇叭天线阵列辐射出来的电磁波经抛物柱面反射后在空间合成高功率的尖锐波束。为了进一步提高天线的增益，就必须进一步提高抛物柱面的长度。然而，抛物柱面天线要求馈源阵列的长度与抛物柱面的长度相同，否则由于抛物柱面得不到充分的照射而无法提高天线的增益。增大馈源阵列的长度需要更多的喇叭单元或者更大的阵列单元间距。更多的喇叭单元意味着更多的功放路数，这会大幅度提高系统的成本；如果增大阵元间距的话，由天线阵列理论，当阵元间距大于1个波长时，天线方向性图会出现栅瓣，使功率在不需要的方向辐射，这一方面浪费能量，降低功率合成效率，另一方面会产生不必要的干扰。由于这个因素的限制，现有技术无法得到高增益、窄波束的大功率辐射。为了解决这一问题，对于线阵空间功率合成天线来说，就必须改进反射面和馈源阵列的设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种新型的反射面空间功率合成天线，这种天线的反射面是用一条在水平面上焦距较短的抛物线沿着垂直面上的另一条焦距较长抛物线形成的一个双焦抛物反射面，馈源阵列是将多个喇叭天线排列在由上述长焦抛物线平移到上述短焦抛物线的焦点处形成的抛物线上所组成抛物曲线馈源阵列，每个喇叭天线的相位根据惠更斯——菲聂耳原理进行设置，每个喇叭天线在最大辐射方向上达到最大的同相合成。馈源阵列进行空间功率合成，产生的辐射照射双焦抛物反射面，双焦抛物反射面反射电磁波形成需要的波束以提高天线增益。

为实现本发明的目的采用的技术方案：一种曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线，其特征是，由反射面和馈源阵列组成；所述反射面是将位于x-y平面(水平面)的第一抛物曲线的顶点放在位于y-z平面(垂直平面)的第二抛物曲线上，在保持第一抛物曲线所在的平面与第二抛物曲线垂直的状态下，由第一抛物曲线沿第二抛物曲线扫描形成的双焦抛物曲面，其中，第一抛物曲线的焦距F2＜第二抛物曲线的焦距F1；所述馈源阵列是指按第三抛物曲线排列的喇叭天线，所述第三抛物曲线是第二抛物曲线在y-z平面上沿第二抛物曲线的轴线平移到第一抛物曲线的焦点所形成的抛物曲线；所述喇叭天线排列时其相位中心在第三抛物曲线上，所有喇叭天线的指向平行，且方向在第一抛物曲线的张角的中间；所述每个喇叭天线的馈电相位φ按照如下公式配置：

$\mathrm{\φ}=-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}l$

式中：φ为喇叭天线的馈电相位，λ为电磁波波长，l为喇叭天线的相位中心到第二抛物曲线的焦点的距离。

所述反射面是指采用对电磁波有良好反射的铜、铝或铁等材料制成的反射面。

所述第二抛物曲线焦距F1应保证所述馈源阵列对第二抛物曲线的焦点的张角等于第二抛物曲线对该焦点的张角；第一抛物曲线的焦距F2的选取应保证第一抛物曲线对它的焦点的张角等于所述喇叭天线在x-y平面上辐射方向性图主波瓣的10db宽度。

从专利文献看，没有发现用于空间功率合成的抛物曲面型反射面天线的相关资料，本发明相对于现有技术的优点和效果是：

1、与抛物柱面型反射面空间功率合成天线相比，本发明使空间功率合成性能与辐射波束性能独立控制。

2、在喇叭路数和馈源单元相同的情况下，本发明与抛物柱面型反射面空间功率合成天线相比具有更高的口面利用效率。

3、在喇叭路数和馈源单元相同的情况下，本发明与抛物柱面型反射面空间功率合成天线相比能获得更高的增益。

4、本发明的天线能降低副瓣电平，避免功率泄漏，提高功率合成的效率。

附图说明

图1是本发明的曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线的结构示意图；

其中，1为喇叭天线，2为由喇叭天线组成的馈源阵列，3为双焦反射面。

图2a是Y-Z平面(垂直平面)上的反射面和馈源阵列的形成示意图；

图2b是X-Y平面上的第一抛物曲线的形成示意图；

其中4为第二抛物曲线，F1是它的焦距，H1是它的投影长度，8是它的焦点；5是第一抛物曲线，F2是它的焦距，H2是它的投影高度，6是它的焦点，Ψ是它的张角，Ψ₀是它的起始位置(相对于它的轴线)；Ψ_m是喇叭天线的指向角度(相对于第一抛物曲线的轴线)；7是第三抛物曲线，d是它到第二抛物曲线的距离。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明的曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线结构如图1所示，整个天线系统由喇叭天线1组成的抛物曲线馈源阵列2和双焦抛物曲面型反射面天线3构成。反射面由对电磁波有良好反射的材料制作(如铜、铝、铁等)

双焦抛物曲面型反射面的形成方法如图2a所示，水平面(x-y平面)上的第一抛物曲线5沿垂直面(y-z平面)上的第二抛物曲线4扫描形成双焦抛物曲面3。其中，第一抛物曲线5的焦距F2＜第二抛物曲线4的焦距F1，扫描时第一抛物曲线5的顶点在第二抛物曲线4上，而且第一抛物曲线5所在的平面保持与第二抛物曲线4垂直。第二抛物曲线焦距F1应保证所述馈源阵列对第二抛物曲线的焦点的张角等于第二抛物曲线对该焦点的张角；第一抛物曲线的焦距F2的选取应保证第一抛物曲线对它的焦点的张角等于所述喇叭天线在x-y平面上辐射方向性图主波瓣的10db宽度。

喇叭天线1按第三抛物曲线7排列，第三抛物曲线7是第二抛物曲线4在垂直面上沿第二抛物曲线4的轴线平移到第一抛物曲线5的焦点6所形成的，排列时喇叭天线1的相位中心放在第三抛物曲线7上，喇叭天线1指向平行且指向第一抛物曲线5的张角的中间。

每个喇叭天线1的馈电相位等于位于第二抛物曲线4的焦点8上的一个点源所辐射的电磁波传到喇叭天线1的相位中心的位置的相位，即按照的公式配置，其中φ为喇叭天线1的馈电相位，λ为电磁波波长，l为喇叭天线1的相位中心到第二抛物曲线4的焦点8的距离。喇叭天线1组成的馈源阵列2的长度应使其对第二抛物曲线4的焦点8的张角等于抛物线4对其焦点8的张角。

本发明的天线的设计原理是：从每个喇叭天线辐射出来的电磁波在空间进行功率合成，照射在双焦抛物曲面上。在垂直面(y-z面)，当相位按照上述方法设置时，根据惠更斯——菲聂耳原理，照射在反射面合成的电磁波与位于抛物线焦点的点源辐射的电磁波相同，经抛物面反射后可以形成平面波，如图2a所示；在水平面，馈源阵列位于第一抛物曲线5的焦点，经抛物面反射后形成平面波。因此，采用本发明的设计，抛物线阵合成的电磁波经过反射面后可以形成尖锐波束。由于可以在功率合成阵列的路数保持不变的情况下增大双焦抛物反射面的口径，因此可以增大功率合成天线的增益，提高系统等效全向辐射功率ERIP。

本例中采用的参数为：工作频率为12.5GHz，第二抛物曲线F1＝86cm，投影高度H1＝68.95cm；第一抛物线焦距F2＝31.228cm，投影宽度H2＝72.12cm，张角为Ψ＝55°，Ψ₀＝5°，Ψ_m＝32.5°；馈源阵列由16个宽度等于19.050mm，高度等于42mm的E面喇叭天线组成。计算结果表明，其增益为32.45dB，与同样投影面积、用同样E面喇叭组成16单元直线阵列照射的抛物柱面空间功率合成天线相比的增益提高了1.45dB，因而ERIP值提高也提高了1.45dB。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线，其特征是，由反射面和馈源阵列组成；所述反射面是将位于x-y平面的第一抛物曲线的顶点放在位于y-z平面的第二抛物曲线上，在保持第一抛物曲线所在的平面与第二抛物曲线垂直的状态下，由第一抛物曲线沿第二抛物曲线扫描形成的双焦抛物曲面，其中，第一抛物曲线的焦距F2＜第二抛物曲线的焦距F1；所述馈源阵列是指按第三抛物曲线排列的喇叭天线，所述第三抛物曲线是第二抛物曲线在y-z平面上沿第二抛物曲线的轴线平移到第一抛物曲线的焦点所形成的抛物曲线；所述喇叭天线排列时其相位中心在第三抛物曲线上，所有喇叭天线的指向平行，且方向在第一抛物曲线的张角的中间；所述每个喇叭天线的馈电相位φ按照如下公式配置：

$\mathrm{\φ}=-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}l$

式中：φ为喇叭天线的馈电相位，λ为电磁波波长，l为喇叭天线的相位中心到第二抛物曲线的焦点的距离。

2.根据权利要求1所述的曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线，其特征是，所述反射面是指采用对电磁波有良好反射的铜、铝或铁制成的反射面。

3.根据权利要求1所述的曲线阵列馈源双焦抛物反射面空间功率合成天线，其特征是，所述第二抛物曲线焦距F1的选取应保证所述馈源阵列对第二抛物曲线的焦点的张角等于第二抛物曲线对该焦点的张角；第一抛物曲线的焦距F2的选取应保证第一抛物曲线对它的焦点的张角等于所述喇叭天线在x-y平面上辐射方向性图主波瓣的10db宽度。

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