CN103259077B - 射电日像仪宽频带双圆极化馈源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带双圆极化馈源，此馈源应用在新一代厘米‑分米波射电日像仪低频阵抛物面上。该日像仪由40面频带为0.4～2GHz和60面频带为2～15GHz的单反射面天线组成，具有高空间、高频率和高时间分辨率等特点。在频段为0.4～2GHz时，由观测目标的物理性质决定，日像仪需要在宽频带范围内具有综合成像能力。馈源是日像仪前端模拟接收系统的一个重要组成部分，目前项目所用的馈源形状新颖，尺寸较小，在整个宽频带范围内减少了对反射面的遮挡，使得天线效率大大提高。测试馈源的驻波小于1.5、轴比小于1.5dB、相位中心不随频率变化，基本实现与频率无关。本发明结构简单，电性能稳定性好，质量可靠。

Description

射电日像仪宽频带双圆极化馈源

1)技术领域

本发明属于无线电、射电天文技术领域，尤其涉及一种反射面上安装的宽频带馈源。

2)技术背景

新一代厘米-分米波射电日像仪低频段是由40面天馈系统，40套模拟接收机以及40路数字接收机组成。其中天馈系统中的馈源是日像仪前端接收系统的一个重要组成部分，同时也是整个系统设计的难点之一。由观测目标的物理性质决定，日像仪需要在高时间、高空间、高频率分辨率对太阳进行连续观测，并在宽频带内具有综合成像能力。馈源方向图应满足对反射面的照射要求，通常兼顾天线增益和副瓣电平，要求反射面边缘照射电平约为-10dB，即馈源方向图-10dB处波束宽度应接近于反射面张角。通常所应用的超宽带天线有对数周期天线、平面螺旋天线、圆锥螺旋天线、Sinuous天线等。对于对数周期天线，当工作频带很宽时，这种天线存在的问题和缺陷有：天线的尺寸很大，如果将其加在反射面上，导致天馈系统的效率降低，且相位中心易随频率的变化而移动；平面螺旋天线和圆锥螺旋天线由于其结构特点，只能实现单旋向接收，不能同时接收双圆极化波，因此均不适合做日像仪所需要的馈源。因此本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频带馈源，能够确保馈源结构，提高电性能稳定性。

此发明所设计的馈源在宽频带(0.4GHz～2GHz的低频段)接收双圆极化RCP(右旋圆极化)和LCP(左旋圆极化)信号，具体特性，就是在观测频带内，馈源的方向图、阻抗、相位中心等参数基本不随频率变化。由于如果采用直接双圆极化输出信号的馈源无法满足低频部分5个倍频程的频率范围要求。项目中的所用的宽频带双圆极化馈源将采用宽频带线极化馈源加3dB电桥移相器的办法实现。

3)发明内容

本发明解决的技术问题：根据射电天文技术，设计考虑馈源在整个宽频带内，相位中心不随频率改变而改变，电压驻波比小于1.5。在工程上双圆极化天线可以由性能优良的双线极化天线结合隔离度超好的3dB电桥形成网络来构造。

本发明具体是这样实现的：

在新一代厘米-分米波射电日像仪中，一期的工作频段在0.4-2GHz，馈源组成包括：对称振子、金属地板、馈电所需的同轴电缆、馈电处的绝缘介质、电阻、支撑对称振子的楔形模块、金属薄片。

根据上述方案，各个对称振子长度是其接收电磁信号波长的二分之一。

根据上述方案，楔形模块作为对称振子与金属地板的连接部件，是由低介电常数板制作而成，形状从侧面看是一直角梯形，底面与地板做到无缝接触，根据对称振子与地板的夹角加工楔形模块，以提高对称振子的稳定度和机械强度。

根据上述方案，在馈电处需要添加绝缘介质，确保馈电座内外的同轴度。

根据上述方案，在最底端高频对称振子相连处，同轴电缆的内芯和外皮分别与高频对称振子的两端相连。

根据上述方案，同轴电缆馈电时，应调节同轴电缆馈电的位置，并添加电阻，使馈源与电阻的阻抗约为50欧，以与同轴电缆的特性阻抗匹配。

根据上述方案，在调试过程当中，部分频率段的对称振子需贴小的金属薄片，以获得较好的馈源电性能。

为了使馈源具有等化的E面和H面波瓣宽度，通过对馈电部分添加阻抗的优化方法解决驻波值较大的问题。

本发明与现有技术相比的优点如下：

a)在宽频带下，馈源的尺寸减小，极大的提高了抛物面天线的照射效率。

b)具有等化的E面和H面波束宽度。

c)输入阻抗、方向图、相位中心显示良好的非频变性，这种馈源的应用，对于后续的数据处理提供可参考数据。

d)馈源的宽频带设计，为之后在射电天文界应用的天馈技术开辟一种新的研究方向。

e)易加工，造价低。新馈源所选用的材料均为常用，可靠性高，无特殊工艺加工要求，容易加工。

4)附图说明

本发明涉及一种太阳射电日像仪馈源，它是一种可在宽频带(0.4-2GHz)范围内，与4.5米抛物面天线一起接收太阳电磁信号。所有振子以对数周期形式排列，具有低交叉极化、稳定的相位中心等特点。

图1是半波对称振子天线结构示意图，此振子作为馈源基本组成单元。如图1所示，此振子辐射方向图在振子的轴线方向上辐射为零，在水平面上辐射最大。

图2为馈源的接收单一线极化电磁波振子的结构示意图，由20对如图1所示的对称振子组成，可以在宽频带范围内形成线极化辐射。在高频端馈电，使得每一对振子上的电流幅度、相位、方向一致。由图2可知，每一对对称振子例如b1和b1’在空间距离相隔约为半个波长，在高频端b20与b20’的空间距离相隔约为半个波长。

图3为两组如图2所示的振子放置在金属地板上的馈源结构俯视图，所述馈源接收垂直和水平极化分量。本发明包括：金属地板1，馈源的1/4部分是由对称振子a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a10、a11、a12、a13、a14、a15、a16、a17、a18、a10、a20组成，材质为铜，由线切割工艺完成。其余三块与这一块制作方法一样。各个振子的长度、间隔都是以对数周期形式排列。制作实物时，由于要求图2所示的对称振子对b1和b1’，b2和b2’，b3和b3’，b4和b4’，b5和b5’，b6和b6’，b7和b7’，b8和b8’，b9和b9’，b10和b10’，b11和b11’，b12和b12’，b13和b13’，b14和b14’，b15和b15’，b16和b16’，b17和b17’，b18和b18’，b19和b19’，b20和b20’间距相隔约为各自频率段的半个波长，在实际制作中，对称振子对需要用楔形模块将其支撑，以与金属地板形成张角。在高频端b20和b20’连接处，采用同轴线对两组如图2所示的进行分别馈电。由于同轴电缆特性阻抗为50欧，与实际制作馈源特性阻抗不匹配，需在馈电部分添加渐变线或电阻的方法以实现阻抗匹配。分别在馈电部分距馈电线2、3和4、5之间的中间位置各加470欧姆。为了能够接收双圆极化信号，需在馈电部分后端添加3dB电桥。同轴电缆连接3dB电桥，两根同轴电缆的外皮分别与2、4相连，3、5分别与同轴线的内芯相连，两根同轴线的另外一端接3dB电桥。具体方法为：当将此馈源的低频频率和高频频率确定后，对称振子最短长度和最长长度基本确定。通过仿真软件，优化各振子长度和高度，得出实际制作尺寸的最佳优化值。在电性能测试过程中，天线输入阻抗的调配可通过调节对称振子的数量、对称振子的宽度、在馈电处添加匹配电阻或渐变线等方法实现。当将实物制成后，可通过调节振子多少反复测量，调试期间使得输入的电压驻波比＜1.5，直到达到最佳输入阻抗匹配。

5)具体实施方式

a)通过项目所要求的指标特性，对馈源的振子长度以及宽度进行设计，仿真，优化，得出最优值。

b)最典型的平面对数周期天线是印刷对数周期偶极子天线，由N根印刷振子周期性的平行排列在集合线上构成，其结构如图3所示。天线各振子的尺寸和位置与振子的序号有关，按照结构比例因子τ设计排列，满足

$\mathrm{\τ}=\frac{l_{n-1}}{l_n}=\frac{s_{n-1}}{s_n}$

式中，n表示振子的序号，n＝1，2，3...N-1；s_n为第n根与第n+1根振子间的距离，n＝1，2，3...N-1；l_n为第n根振子的长度。

馈源就是由图2所示的两组振子单元制作而成的，低剖面宽带双极化天线的阵列天线单元采用大张角设计，缩短了单个对数周期天线的纵向尺寸，最大限度地减小了馈源对反射面天线口径的遮挡。低剖面宽带双极化天线的设计保留标准对数周期天线的非频变特性，即当频率f连续变化时，天线的电特性随着频率的对数作周期性变化。为了获得对称的方向图，以实现对反射面的均匀照射，对于每一个工作频率f，相同极化天线单元的有效工作区间距为0.5λ，以实现对称的E、H波瓣宽度。同时，对于每一个工作频率f，天线单元的有效工作区与天线地板的间距为0.16λ，确保天线的相位中心位于天线地板的中心。当频率f连续变化时，相同极化天线单元的有效工作区的间距、有效工作区与天线地板的间距的电长度保持不变，因此低剖面宽带双极化天线可以在很宽的频率范围内实现对称的E、H波瓣宽度、稳定的相位中心、优良的交叉极化特性等，这是反射面天线馈源的主要技术指标要求。

c)太阳辐射电磁波是线极化电磁波，通过在后端添加3dB电桥形成圆极化信号。

双圆极化形成的网络结构，网络的两个输入端口A、B分别与双线极化天线的两个输出端口连接，假定两个输入端口A、B处可得到两路幅度相等的极化正交的线极化信号可分别设为 根据圆极化形成的基本理论，形成圆极化的两路信号必须满足极化正交且相位相差90°。因此，通过圆极化形成网络分别在两个信号通道中实现90°的相移，再分别相加，得到所需的圆极化。

Claims (9)

1.应用在太阳射电日像仪上的低频阵馈源，由多个对称振子组成，接收来自太阳发出的电磁波，其特征在于，馈源工作的频率范围为0.4～2GHz，且馈源电压驻波比在全频带范围内小于1.5，此性能的实现是采用同轴线馈电并利用了改进的馈源阻抗匹配，阻抗匹配部分采用并联电阻形式以实现馈源阻抗与同轴线阻抗匹配，馈源采用同轴线馈电，其中内芯与外皮分别与高频对称振子的两端相连，四组对数周期天线阵采用两根同轴线即可实现馈电，馈源馈电部分需有绝缘介质，用于确保馈电座内外的导体同轴度。

2.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，对称振子通过阶梯状的低介电常数的楔形模块固定其高度，可保证馈源处于空气介质中，电性能不受介质板影响，并将馈源置于有限金属地板上，低频振子和高频振子的宽度以对数周期形式变化。

3.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，相邻的对称振子不能进行交叉放置。

4.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，相对的一对对称振子接收水平极化电磁波，另外一对对称振子接收垂直极化电磁波。

5.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，为射电观测提供丰富的数据资源，并在分析路径延迟时提供有效数据。

6.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，接收每一个频率段的左旋信号和右旋信号的振子，其间距约为半个波长振子，但在实际制作中，还需对间距进行微调，以获得最佳匹配。

7.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，为了使其在宽频带上具有较好的性能，对称振子是以对数周期形式排列。

8.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，馈源的对称振子采用线切割技术制成，振子是由铜板切割而成的。

9.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，由于接收的是线极化电磁波，在馈源后端添加宽频带3dB电桥合成双圆极化电磁波。