CN102882009B - 一种双极化宽带弱耦合馈源阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，涉及射电天文领域中的相控阵馈源接收机，也可应用于通信、测控和监测领域中反射面天线的馈源。本发明根据反射面天线焦面场的分布规律，采用六边形反射背腔振子按六边形小间距排布组成馈源阵列，以利于能量的接收和满足对焦面场分布的采样，并具有良好的宽带特性和较弱的阵元间耦合。所述的六边形反射背腔振子包括辐射器、同轴馈线、六边形反射背腔和匹配圆盘，其反射背腔采用小型六边形结构，以利于组阵。

Description

一种双极化宽带弱耦合馈源阵列
技术领域
本发明涉及射电天文领域中一种用于射电望远镜天线的双极化宽带弱耦合馈源阵列，特别适合用于L～Ku频段射电望远镜相控阵馈源接收机，作为双极化、宽频带、弱阵元间互耦的阵列馈源前端，也可应用于通信、测控和无线电监测等领域中反射面天线的馈源。
背景技术
随着射电天文技术的发展，天文学家对宇宙射电源的观测需求不断增加。在射电望远镜数量无法显著增加的情况下，使用多波束天线技术可以有效地提高观测速度，如在澳大利亚Parkes64m和波多黎各的Arecibo305m射电望远镜上以增加馈源数量的方式分别配备了13波束和7波束的多波束接收机。该方式可有效的增加波束数量，但增加的波束存在增益低、旁瓣高、性能下降严重的问题。相控阵馈源以一个小型相控阵天线代替波导馈源馈电，通过数字波束合成网络将各个阵元接收到的信号赋权合成，形成多个独立的瞬时波束，从而连续覆盖某一天区，或对多个独立的目标进行同时观测。由于可以修正偏焦造成的相位误差，该技术可有效解决前者存在的问题。而作为相控阵馈源的重要组成部分，馈源阵列前端的设计对整个系统的性能至关重要。
与一般的阵列天线不同，相控阵馈源位于反射面天线的焦平面，因此接收的是被反射面汇聚的球面波，而非平面波，根据天线焦平面的场分布，阵列单元按六边形排布更利于信号的接收。同时，由于焦平面场分布随入射波入射角度的不同，为完整的采集焦面场分布信息，阵元间距一般要求很小。
系统带宽和噪声温度是影响射电望远镜灵敏度的关键因素。由于相控阵馈源的工作频带主要决定于前端阵列的带宽，因此馈源阵列应尽量工作在宽频带上。常用的宽带阵列单元有宽带振子、Vivaldi等形式，但二者的方向图很宽。由于相控阵馈源要求阵元间距很小，因此互耦的影响十分明显，由此导致了的阵元与低噪声放大器的阻抗失配，阻抗失配引起的噪声是系统噪声的主要来源之一。此外，Vivaldi形式的阵元还不易与制冷的低噪声放大器连接，进一步限制了降低系统噪声温度的可能。
背腔天线在2：1的带宽内具有良好的性能，腔体还有利于减小相邻单元间的互耦，但常用的矩形和圆形背腔体积较大，因此一般只能单独使用，难以用作阵列天线的单元。矩形背腔天线在组成六边形阵列时，相邻行阵元的背腔相互干涉，难以满足相控阵馈源所要求的阵元间距。同时，矩形和圆形背腔天线组阵时阵元间存在间隙，接收面积不连续，效率较低。
发明内容
本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处而提出了一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，特别适合用作L～Ku频段相控阵馈源的前端。
本发明的目的是这样实现的：
一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，由反射背腔振子天线排布而成，所述的反射背腔振子天线包括辐射器1、同轴馈线2、金属支撑柱3、反射背腔和匹配圆盘5；辐射器1位于反射背腔的口面，由设置在反射背腔内的同轴馈线2和金属支撑柱3支撑；匹配圆盘5平行于辐射器1之上，由设置在辐射器1上的介质柱9支撑；其特征在于：所述的反射背腔为六边形反射背腔4。
其中，每个反射背腔振子天线的六边形反射背腔分别与相邻的反射背腔振子天线的六边形反射背腔共用反射背腔的一边。
其中，各个反射背腔振子天线位于一个平面内，以中心的反射背腔振子天线为基准，按照六边形方式自中心向周边进行排布。
相邻的反射背腔振子天线的中心间距为小于1/(2sinθ)λ和λ中的较小的值；其中，λ为工作频段中心频率的波长，θ为天线焦点对反射面边缘的半张角。
所述的六边形反射背腔的高度为0.25λ；反射背腔内切圆的半径为0.3λ～0.5λ，其中，λ为工作频段中心频率的波长。
辐射器1由两个正交放置的宽臂对称振子6组成，振子臂由馈电处以90°夹角逐渐展宽，达到设定宽度后延伸至所需长度；振子臂宽度为0.16λ～0.25λ，长度为0.20λ～0.25λ；其中，λ工作频段中心频率。
辐射器1两对称轴分别与六边形反射背腔4的对称轴重合。
匹配圆盘5为一金属圆盘，半径取值在0.15λ～0.25λ之间，距六边形反射背腔4口面的高度为0.05λ～0.15λ。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明根据焦面场的分布规律，采用六边形小间距组阵形式，更有利于能量的接收，同时满足对焦面场分布的采样要求，可实现射电望远镜天线更高的性能。
2.本发明采用一种小尺寸六边形反射背腔4的设计技术，减小了反射背腔的径向尺寸和对角反射背腔阵子天线间的物理干涉，克服了现有矩形背腔难以实现小间距组阵的缺陷。
3.本发明采用了六边形反射背腔振子天线连续分布的形式，充分利用了阵列面积，提高了天线效率。
4.本发明采用背腔振子天线组阵的形式，利用反射背腔分割各个阵列单元，降低了阵列单元之间的互耦，反射背腔还改善了宽带振子辐射方向图的不对称性，提高了照射效率。
附图说明
图1是本发明的六边形反射背腔振子天线的结构示意图。
图2是本发明的六边形反射背腔振子天线的俯视图。
图3是本发明的两维六边形反射背腔振子天线阵列示意图。
具体实施方式
参照图1至图3，本发明的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，由反射背腔振子天线11排布而成，所述的反射背腔振子天线包括辐射器1、同轴馈线2、金属支撑柱3、反射背腔和匹配圆盘5；辐射器1位于反射背腔的口面，由设置在反射背腔内的同轴馈线2和金属支撑柱3支撑；匹配圆盘5平行于辐射器1之上，由设置在辐射器1上的介质柱9支撑；所述的反射背腔为六边形反射背腔4。
每个反射背腔振子天线11的六边形反射背腔4分别与相邻的反射背腔振子天线11的六边形反射背腔4共用反射背腔的一边。
各个反射背腔振子天线11位于一个平面内，以中心的反射背腔振子天线为基准，按照六边形方式自中心向周边进行排布。实施例中，本发明的各个反射背腔振子天线位于一个平面内，中心反射背腔振子天线的每边各放置一个反射背腔振子天线，共六个反射背腔振子天线(不计中心天线)，计为第一环，第一环反射背腔振子天线外侧每边又放置一反射背腔振子天线，共十二个反射背腔振子天线，计为第二环，依此类推，每环的反射背腔振子天线数量比前一环增加六个。根据其应用的天线的扫描角度，确定组成阵列的反射背腔振子天线总数为37。
相邻的反射背腔振子天线的中心间距根据其照射的反射面天线焦径比选取，小于1/(2sinθ)λ和λ中较小的值，其中，λ为天线工作频段中心频率对应的波长，θ为反射面边缘对馈源的半张角。实施例中，本发明的θ为56°，选定相邻的反射背腔振子天线的中心间距为0.7λ。
所述的反射背腔振子天线采用小尺寸六边形反射背腔4，目的在于减小六边形布阵时阵元间的干涉，实现较小的阵元间距。六边形反射背腔4高度为0.25λ，与腔体内切圆的半径根据相邻的反射背腔振子天线的中心间距要求确定。各反射背腔相互连接，可选用金属材料或塑料成型镀金属的方式一体化加工。实施例中，与腔体内切圆的半径略小于0.35λ(因考虑反射背腔壁厚，该值略小于相邻反射背腔振子天线的中心间距)，选用金属材料一体化加工。
所述的辐射器1两对称轴分别与六边形反射背腔4的对称轴重合。
所述的辐射器1由两个正交的宽臂对称振子6构成，振子的每个臂由馈电点以90°逐渐张开，达到设定宽度后再延伸至所需长度。振子臂的宽度和长度一般分别在0.16λ～0.25λ和0.20λ～0.25λ之间取值。辐射器1可由金属片直接加工，也可以印制电路板(PCB)方式制造。实施例中，本发明的振子臂宽度为0.24λ，长度为0.24λ，采用金属片形式加工而成。
所述的宽带弱耦合阵列单元的匹配圆盘5为一平行于辐射器1的金属圆盘，由介质支撑柱9支撑，匹配圆盘5的半径取值在0.15λ～0.25λ，其距六边形反射背腔4口面的高度为0.05λ～0.15λ，根据阵元的性能进行优选。实施例中，匹配圆盘5的半径为0.2λ，距六边形反射背腔4口面的高度为0.12λ。

Claims (7)

1.一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，由反射背腔振子天线排布而成，所述的反射背腔振子天线包括辐射器(1)、同轴馈线(2)、金属支撑柱(3)、反射背腔和匹配圆盘(5)；辐射器(1)位于反射背腔的口面，由设置在反射背腔内的同轴馈线(2)和金属支撑柱(3)支撑；匹配圆盘(5)平行于辐射器(1)之上，由设置在辐射器(1)上的介质柱(9)支撑；其特征在于：所述的反射背腔为六边形反射背腔(4)；每个反射背腔振子天线的六边形反射背腔分别与相邻的反射背腔振子天线的六边形反射背腔共用反射背腔的一边。
2.根据权利要求1所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：各个反射背腔振子天线位于一个平面内，以中心的反射背腔振子天线为基准，按照六边形方式自中心向周边进行排布。
3.根据权利要求1所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：相邻的反射背腔振子天线的中心间距为小于1/(2sinθ)λ和λ中的较小的值；其中，λ为工作频段中心频率的波长，θ为天线焦点对反射面边缘的半张角。
4.根据权利要求1所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：所述的六边形反射背腔的高度为0.25λ；反射背腔内切圆的半径为0.3λ～0.5λ，其中，λ为工作频段中心频率的波长。
5.根据权利要求1所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：辐射器(1)由两个正交放置的宽臂对称振子(6)组成，振子臂由馈电处以90°夹角逐渐展宽，达到设定宽度后延伸至所需长度；振子臂宽度为0.16λ～0.25λ，长度为0.20λ～0.25λ；其中，λ为工作频段中心频率的波长。
6.根据权利要求1所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：辐射器(1)两对称轴分别与六边形反射背腔(4)的对称轴重合。
7.根据权利要求5所述的一种双极化宽带弱耦合馈源阵列，其特征在于：匹配圆盘(5)为一金属圆盘，半径取值在0.15λ～0.25λ之间，距六边形反射背腔(4)口面的高度为0.05λ～0.15λ。
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