CN102590641B - 一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，该紧缩场主要由多频段馈源系统，全息口径透射面组成。该全息紧缩场全息口径透射面参数取决于多频段的中心频率。馈源位置、工作频率、照射角等参数由广义相似性原理确定。馈源在高于中心频率的频段距离全息口径透射面较远，馈源张角较小，馈源在低于中心频率的频段距离全息口径透射面较近，馈源张角较大。

Description

一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统

技术领域

本发明涉及毫米波\亚毫米波紧缩场技术，特别涉及一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场，其主要应用于室内毫米波\亚毫米波天线测试，可以满足多个毫米波\亚毫米波频段的天线及目标测试需要。 

背景技术

随着毫米波\亚毫米波技术的快速发展，毫米波\亚毫米波天线测试的需求日益迫切。传统的近场，室外远场在毫米波测试方面均存在难以克服的缺陷。紧缩场技术在毫米波天线测试技术中具有不可替代的重要作用。传统反射面天线受制于机械加工精度的限制，很难应用于亚毫米频段。1997年芬兰赫尔辛基大学的Jusi Tuovinen等基于计算数字全息技术提出了全息紧缩场，将馈源发出的球面波经计算数字全息生成的条纹衍射校正成平面波。由于全息紧缩场对孔径条纹制造要比反射面精度要求低一个数量级，并可采用印刷电路版工艺、造价相对低廉，结构轻便、便于拆装运输，非常适合于毫米波\亚毫米波天线的测量。目前全息紧缩场的主要问题在于工作频带较窄，一股在10％以内，很大程度限制了全息紧缩场的应用。 

发明内容

本发明的目的在于：提出一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，在使用相同全息口径透射面时，通过改变馈源系统，可以工作于多个频段，不局限于某个特定频段。 

本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案： 

一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场，该紧缩场主要由多频段馈源系统，全息口径透射面组成。在使用相同全息口径透射面时，通过改变馈源系统，可以工作于多个频段，不局限于某个特定频段。 

其中，多频段馈源系统，馈源的位置，馈源的照射角，馈源的极化方向是可调的。 

其中，馈源工作于中心频率时距离全息口径透射面的位置可自由设定设为l₁，其它频段的馈源位置由广义相似性原理确定。当工作频段为中心频率的N倍时，馈源距离全息口径透射面的位置为Nl₁。 

其中，馈源的照射角随频段不同而不同，工作在最低频段的馈源照射角为A₁，随着工作 频段的降低，馈源照射角分别为A₂...A_n-1，工作在最高频段的馈源照射角为A_n，高频段馈源照射角较小，低频段馈源照射角较大。 

其中，馈源3dB波束宽度随频段不同而不同，馈源3dB波束宽度与馈源与全息口径透射面上下边缘连线所确定的张角相同。 

本发明基于电磁学广义相似性原理，将传统单频段窄带工作的全息紧缩场扩展为多频段全息紧缩场。 

由Maxwell方程可严格导出电磁学相似原理，求解问题的电尺寸保持恒定，则电磁场分布严格相似。口径天线的近区辐射，若满足近轴条件，电尺寸变化时满足渐进广义相似性。口径辐射的渐近广义相似性为：在近轴条件下①在波长λ恒定，而口径尺寸D增加N倍时，在z(沿电场波传播方向观察面距离口径距离)改变为N²z的观察面上，近场的相对分布近似不变。越近轴，近似程度越高；②在口径尺寸D恒定，而波长λ缩小N倍时，在z改变为Nz的观察面上，近场的相对分布近似不变。越近轴，近似程度越高。如图1所示，经馈电位置调整后多频段的系列馈源，与虚拟平面波在口径面内干涉条纹具有渐近广义相似性，即可共用同一全息口径。图1中，X，Y为坐标轴指示，分别指示x坐标和y坐标；虚线为全息紧缩场的虚拟干涉波，夹角θ为虚拟入射波与x轴的夹角，b_c全息口径透射面的口径尺寸。d₀为全息口径透射面中心距离x轴的距离，d₁，d₂，...d_n为不同频段馈源距离全息口径透射面的距离，y′为全息口径透射面上的任意一点。简单证明如下： 

虚拟平面波在口径面场可以表达为exp(-jksinθy′)，k为波数，1#馈源(d₁，0)在口径面内的波程为： $R_1=\sqrt{{d_1}^2+{(d_0-y^{\′})}^2}\≈d_1+{(d_0-y^{\′})}^2/\left({2d}_1\right);$

工作频率增大n倍时，虚拟的平面波场可以表达为exp(-jnksinθy′)，n#馈源(nd₁，0)在口径面内的波程为 $R_n=\sqrt{{\left({\mathrm{nd}}_1\right)}^2+{(d_0-y^{\′})}^2}\≈{\mathrm{nd}}_1+{(d_0-y^{\′})}^2/\left(2n{d}_1\right).$

二者在全息面内干涉条纹的幅度I_1，n(y′)，I_2，n(y′)分别为： 

如上式方框所示，1#馈源(d₁，0)和n#馈源(nd₁，0)在全息面内的干涉条纹具有渐近广义相似性，kd₁为1#馈源(d₁，0)的初始相位，knd₁为n#馈源(nd₁，0)的初始相位，ksinθy′为1#馈源(d₁，0)的平面波传播方向，knsinθy′为n#馈源(nd₁，0)的平面波传播方向。所以，多频段可共用同一全息口径。 

本发明相对于现有技术的优点在于：该全息紧缩场可以工作于多个毫米波\亚毫米波频段，大大节省紧缩场的设计制造成本，提高了测试效率。 

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图； 

图2是本发明馈源结构示意图。 

α₁，α₂，...α_n为不同馈源频段相对于馈源与全息口径透射面上下边缘连线所确定的张角，参照图2。图1中，1为全息紧缩场馈源。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。 

如图1中所示，1为全息紧缩场馈源，首先确定馈源工作于中心频率时，距离全息口径透射面的距离d_s可设为0.5倍～3倍全息口径透射面的口径尺寸b_c。 

设中心频率为f₁，当频率为n*f₁时(0.1<n<10)，馈源位置设定在n*d_s位置处。 

全息口面制造是将计算机虚拟设计的条纹付诸实施。全息口面包括金属条纹和介质衬底，金属条纹将校正馈源发出的球面波，介质衬底是起机械支撑的作用。介质衬底的要求为大尺寸、低介电常数、低损耗、耐磨损和低金属杂质，其中PCB为电路制作的常用成熟工艺，所以可采用其完成全息口径的制作。 

馈源偏馈结构是基于在角域空间内分离直达波和共轭波的设计，而偏馈必将引起馈源至全息口面底端和顶端波程的路径衰减不一致，可通过调整馈源照射角来用方向特性补偿空间路径不平衡。所以，全息紧缩场的馈源支架需具有绕馈电(焦点)调整照射角的功能， 

全息口径条纹的功能是编码校正球面波为静区平面波、和形成口径幅度锥削抑制边缘绕射场。 

本发明的一个优选实施例：如图1所示的系统结构示意图。多频段馈源可以由30GHz覆盖到3000GHz。中心频率设定为300GHz。当工作于中心频率时，馈源距离全息口面底端的距离d_s为0.5倍～3倍全息口径透射面的边长。当工作于100GHz时，馈源距离全息口面底端的距离为d_s/3。当工作于900GHz时，馈源距离全息口面底端的距离为d_s*3。馈源可选用等化性好，前后比高，副瓣电平低的波纹喇叭天线。馈源3-dB波束宽度应当与各自馈源与全息口径透射面上下边缘连线所确定的张角相同或相近。全息口面的口面干涉条纹由计算机生成。 

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。 

Claims (4)

1.一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，其特征在于：该紧缩场由多频段馈源系统，全息口径透射面组成；多频段馈源系统由多个工作于不同频段的馈源组成，工作在频率最低波段的馈源与全息口径透射面的距离为d₁，馈源照射角为A₁，工作在频率最高波段的馈源与全息口径透射面为d_n，馈源照射角为A_n，d₁小于d_n，A₁大于A_n；

所述的全息紧缩场，在使用相同全息口径透射面时，通过改变馈源系统，能工作于多个频段，不局限于某个特定频段；

所述的多频段馈源系统，馈源的照射波束角随频段不同而不同，高频段馈源照射角较小，在15°～45°之间，低频段馈源照射角较大，在45°～75°之间。

2.如权利要求1所述的一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，其特征在于：所述的多频段馈源系统，馈源的位置，馈源的照射角，馈源的极化方向是能够调整的。

3.如权利要求1所述的一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，其特征在于：所述的多频段馈源系统，馈源工作于中心频率时距离全息口径透射面的位置可自由设定设为l₁，其它频段馈源位置由广义相似性原理确定，当工作频段为中心频率的N倍时，馈源距离全息口径透射面的位置为Nl₁。

4.如权利要求1所述的一种毫米波\亚毫米波多频段口径共用全息紧缩场系统，其特征在于：所述的多频段馈源系统，馈源3dB波束宽度随频段不同而不同，馈源3dB波束宽度与馈源与全息口径透射面上下边缘连线所确定的张角相同或相近。

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