CN102520271A - 一种波导阵列天线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导阵列天线测量装置，包括有天线子波导、嵌入式波导同轴转换、嵌入式波导匹配负载，嵌入式波导同轴转换的形状为一个无底、无盖的波导盒体，波导盒体一端的两个窄边加工成两层台阶的形式，窄边的第一级台阶凸出于所述波导盒体的端面；嵌入式波导匹配负载包括有金属薄板、微波吸收片、金属拉杆，微波吸收片固定在金属薄板的正面，金属拉杆固定于金属薄板的反面中心；测量时将嵌入式波导同轴转换、嵌入式波导匹配负插入待测波导阵列各天线子波导。本发明可以在不对天线进行改造的情况下对其进行诸如反射系数、传输系数、相位等微波参数的测量，并能保证将待测件与测量件的对接偏差控制在最小，提高了测量的准确度。

Description

一种波导阵列天线测量装置

技术领域

    本发明属于物理测量领域，具体是一种波导阵列天线测量装置。

背景技术

低混杂波驱动电流已经被实验证明为托卡马克型受控磁约束核聚变装置上最为有效的非感应驱动电流方法，天线是低杂波系统中非常重要的分系统，其作用是将由微波源经传输线输送来的大功率微波能量以特定的辐射功率谱耦合到托卡马克等离子体中，达到加热等离子体和驱动等离子体电流的目的。

国内外低混杂波天线发展到现阶段，有三种馈能结构，分别为：常规波导阵，多结波导阵，有源无源交互式波导阵，无论哪种形式的低杂波天线，均是由数路主传输波导将微波能量馈入每个天线单元，经天线单元内置的功率分配系统将微波功率均匀分配，最终到达天线输出端的各路子波导，因而天线面向等离子体的辐射面是由若干行、若干列、等截面尺寸的矩形截面子波导组成，而在天线内部，通过收缩波导宽边尺寸以改变波导之间的相位，一般选用天线辐射面相邻子波导之间相位差为90度，以保证天线具有良好的反射自调节特性，即使天线失配，由天线反射回微波源的能量也能控制在可接受范围，并且可以通过相位反馈控制系统根据物理实验需要，调节各路主传输波导之间的相位差，以达到调控天线辐射功率谱的目的，而天线辐射功率谱是低杂波电流驱动最重要的参数，决定了波功率沉积，波的可近性和电流驱动效率；其次，天线的重要作用就是将主传输波导提供的微波能量均匀分配至其后的每一路子波导中，这样可以最大限度的减小子波导内的打火概率；最后，天线自身的驻波也是表征天线性能的重要指标，驻波越大，由天线反射回微波源的功率越高。

综合以上事实，天线的性能直接影响到低混杂波在托卡马克核聚变装置上作用的发挥，有必要对其进行完备准确的测量，得到天线最真实的性能指标。以往对天线单元进行测量时，天线单元和测量组件均采用法兰对接，测量时将法兰固定在天线单元上，这样不可避免的要对天线进行改造，此外，由于天线辐射面上子波导之间相隔距离近，一般相邻子波导之间的隔板厚度为2～3mm，更有甚者，只有1.5mm（如美国麻省理工学院C-Mod托卡马克装置低杂波天线），且每个天线单元沿水平方向分布有数个平行排列的子波导，图1所示，如此结构，要求对应的测量组件有相同的结构，即，子波导对应天线单元子波导，隔板对应天线单元隔板，因此在两者连接时，很难保证每个子波导与测量组件没有偏差，有偏差就会产生缝隙和台阶，并且在测量过程中无法检查缝隙和台阶的大小，严重影响到测量的准确度。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明提供一种可以在不对天线进行改造的情况下对其进行诸如反射系数、传输系数、相位等微波参数的测量，并能保证将待测件与测量件的对接偏差控制在最小，提高测量的准确度的波导阵列天线测量装置。

本发明的技术方案如下：

波导阵列天线测量装置，包括有波导阵列天线、嵌入式波导同轴转换、嵌入式波导匹配负载，所述波导阵列天线包括多个天线子波导，其特征在于：所述嵌入式波导同轴转换的形状为一个无底、无盖的波导盒体，所述波导盒体一端的两个窄边加工成两层台阶的形式，所述窄边的第一级台阶凸出于所述波导盒体的端面，所述嵌入式波导同轴转换的宽边、窄边分别小于天线子波导的宽边、窄边，所述嵌入式波导同轴转换的波导盒体的底面有一个同轴端口，所述同轴端口通过转接器与矢量网络分析仪的N型接头连接；所述嵌入式波导匹配负载包括有金属薄板、微波吸收片、金属拉杆，所述微波吸收片固定在金属薄板的正面，所述金属拉杆固定于金属薄板的反面中心，所述金属薄板的宽边、窄边分别小于天线子波导的宽边、窄边；测量时，将嵌入式波导同轴转换的有台阶形式的窄边的一端、嵌入式波导匹配负载的有微波吸收片的一端分别插入各天线子波导。

所述的一种波导阵列天线测量装置，其特征在于：所述的同轴端口为标准SMA接口，所述转接器为标准SMA-N转接器，所述SMA接口内导体直径为1.27mm，外导体内径为4.13mm，中间填充介质为聚四氟乙烯(Teflon)，SMA接口特性阻抗为50欧姆。

本发明的优点是：本发明可以在不对天线进行改造的情况下对其进行诸如反射系数、传输系数、相位等微波参数的测量，并能保证将待测件与测量件的对接偏差控制在最小，提高了测量的准确度。

附图说明

图1为低杂波天线单元辐射端面结构示意图。

图2为嵌入式波导同轴转换外形图。

图3为嵌入式波导同轴转换内部结构示意图。

图4为嵌入式波导同轴转换驻波的波形图。

图5为嵌入式波导同轴转换与天线子波导装配关系图。

图6为嵌入式波导匹配负载外形图。

图7为嵌入式波导匹配负载驻波的波形图。

图8为嵌入式波导匹配负载与天线子波导装配关系图。

图9为所测某一天线单元某一子波导相位示意图。

图10为所测某一天线单元反射系数示意图。

具体实施方式

如图2、3、5、6、8所示，波导阵列天线测量装置，包括有天线子波导4、嵌入式波导同轴转换3、嵌入式波导匹配负载8，所述嵌入式波导同轴转换3的形状为一个无底、无盖的波导盒体，所述波导盒体一端的两个窄边加工成两层台阶的形式，所述窄边的第一级台阶1凸出于所述波导盒体的端面，所述嵌入式波导同轴转换3的宽边、窄边分别小于天线子波导4的宽边、窄边，所述嵌入式波导同轴转换3的波导盒体的底面有一个同轴端口2，所述同轴端口2通过转接器与矢量网络分析仪的N型接头连接；所述嵌入式波导匹配负载8包括有金属薄板6、微波吸收片5、金属拉杆7，所述微波吸收片5固定在金属薄板6的正面，所述金属拉杆7固定于金属薄板6的反面中心，所述金属薄板6的宽边、窄边分别小于天线子波导4的宽边、窄边；测量时，将嵌入式波导同轴转换3的有台阶形式的窄边的一端、嵌入式波导匹配负载8的有微波吸收片5的一端分别插入各天线子波导4。

所述的同轴端口为标准SMA接口，所述转接器为标准SMA-N转接器，所述SMA接口内导体直径为1.27mm，外导体内径为4.13mm，中间填充介质为聚四氟乙烯(Teflon)，SMA接口特性阻抗为50欧姆。

嵌入式波导同轴转换：低杂波天线带宽很窄，一般在中心频率±10兆赫兹，利用单节阻抗变换器原理，将同轴转换的波导两窄边加工成台阶形式1，并凸出于波导端面，图2所示，经嵌入式波导同轴转换将波导端口的特性阻抗变换到同轴线的50欧姆，相应地将TE10模变换为TEM模，考虑到天线单元的结构特点，利用磁耦合原理，采用图3所示嵌入式波导同轴转换内部结构。经窄边台阶变换到宽边尺寸较小的扁矩形波导，位于波导底面的同轴端口采用标准SMA接口2，SMA接口内导体直径为1.27mm，外导体内径为4.13mm，中间填充介质为聚四氟乙烯(Teflon)，SMA接口特性阻抗为50欧姆，驻波如图4所示，满足使用要求。将嵌入式波导同轴转换3插入天线子波导4后，满足四分之一波导波长阻抗变换原理，图5所示， b1是天线子波导的宽边高度，b3是嵌入式波导同轴转换的宽边高度，b2是嵌入式波导同轴转换第一级台阶的宽边高度，L为嵌入式波导同轴转换第一级台阶的长度，根据λ_g/4波导阻抗变换原理，要求：                                               

，而L取λ_g/4，例如：我们将要进行测量的4.6GHz天线单元，其子波导宽边高度b1为50mm，取b3等于42mm，则b2、L经计算分别为45.8mm和23.2mm，台阶宽度比子波导窄边尺寸略小（一般小0.01～0.03mm，以保证能够顺利装入）。

嵌入式波导匹配负载：普通波导同轴转换接同轴负载充当匹配负载有两点不足，一是波导同轴转换本身就有驻波，再加上同轴负载的驻波，势必加大不必要的测量误差；二是与天线端口对接需要法兰连接结构，基于前述波导阵列天线特殊的辐射端面，考虑同样采用嵌入式结构，将微波吸收片5固定在一块金属薄板6上，金属薄板的宽边、窄边尺寸应分别略小于天线单元子波导宽边、窄边尺寸，金属薄板的反面中心固定一个金属拉杆7，方便从待测子波导中取出，图6所示，根据相关微波吸收材料厂商提供的吸收片电磁参数，经仿真优化，确定了吸收片形状尺寸和其与金属薄板的相对位置，驻波如图7所示，在中心频点处驻波为1.009，在中心频点附近超过260MHz带宽，驻波比小于1.05，可将其插入天线单元子波导中进行相关测量，图8所示，3为天线单元子波导，8为嵌入式波导匹配负载。

1、传输系数、相位的测量

入射端口到子波导传输系数的测量，包括幅度和相位的测量，对系统进行校准后，依次测量各路子波导的传输系数S21、S31、S41…Sn1，测量某子波导4的传输系数及相位时，该路连接嵌入式波导同轴转换3，其余各路子波导装入嵌入式波导匹配负载8，传输系数的幅度可以直接从矢量网络分析仪读出，同一天线单元所有子波导间的相位差由于测量参考面不变，也可由仪器直接测量读出。

2、反射系数、驻波的测量

回波损耗，即反射系数的测量，先对测试系统进行校准，再将嵌入式波导匹配负载8分别装入天线单元各子波导4内，便可以由矢量网络分析仪直接读出被测天线单元的反射系数及驻波。

部分测量结果，相位、反射系数如图9、图10所示。

Claims (2)

1.一种波导阵列天线测量装置，包括有波导阵列天线、嵌入式波导同轴转换、嵌入式波导匹配负载，所述波导阵列天线包括多个天线子波导，其特征在于：所述嵌入式波导同轴转换的形状为一个无底、无盖的波导盒体，所述波导盒体一端的两个窄边加工成两层台阶的形式，所述窄边的第一级台阶凸出于所述波导盒体的端面，所述嵌入式波导同轴转换的宽边、窄边分别小于天线子波导的宽边、窄边，所述嵌入式波导同轴转换的波导盒体的底面设有一个同轴端口，所述同轴端口通过转接器与矢量网络分析仪的N型接头连接；所述嵌入式波导匹配负载包括有金属薄板、微波吸收片、金属拉杆，所述微波吸收片固定在金属薄板的正面，所述金属拉杆固定于金属薄板的反面中心，所述金属薄板的宽边、窄边分别小于天线子波导的宽边、窄边；测量时，将嵌入式波导同轴转换的有台阶形式的窄边的一端、嵌入式波导匹配负载的有微波吸收片的一端分别插入各天线子波导。

2.根据权利要求1所述的一种波导阵列天线测量装置，其特征在于：所述的同轴端口为标准SMA接口，所述转接器为标准SMA-N转接器，所述SMA接口内导体直径为1.27mm，外导体内径为4.13mm，中间填充介质为聚四氟乙烯(Teflon)，SMA接口特性阻抗为50欧姆。

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