CN105591206A

CN105591206A - 一种毫米波近场机械调焦双反射面天线

Info

Publication number: CN105591206A
Application number: CN201410561585.4A
Authority: CN
Inventors: 薛长江; 余川; 孟凡宝; 屈劲; 徐刚; 施美友; 陈世韬
Original assignee: Institute of Applied Electronics of CAEP
Current assignee: Sino long ante Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-05-18

Abstract

本发明公开了一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，包括主反射面、副反射面、和馈源，所述馈源发射出的波束经副反射面反射到主反射面后再射出；副反射面能在运动机构上前后、上下、左右移动或者旋转移动或者旋转；主反射面的曲面形状为旋转抛物面，主反射面的中心点位于副面出射中心轴线和辐射波束轴线交点处。本发明结构简单、加工成熟，提高了天线近场区轴线功率密度及作用距离范围，同时可简单快速在较大区域调节其最大功率密度位置，即在同样输入功率情况下，轴线最大功率密度得到大幅提高且位置可在较大区域调节；使达到有效功率阈值的范围增大。

Description

一种毫米波近场机械调焦双反射面天线

技术领域

本发明涉及毫米波天线技术领域，具体是指一种毫米波双反射面赋形天线，其辐射波束可聚焦在近场区域。

背景技术

双反射面天线，由主反射面、副反射面和馈源三部分组成，包括卡塞格伦、葛利高利以及环焦天线。其相对于其它天线，具有低副瓣、低交叉极化、高增益的特点，在20世纪60年代起就在导弹靶场的精密跟踪测量雷达上得到广泛的应用。如美国的AN/FPQ-6雷达、屈德克斯雷达，法国的JLA-1。同时相对于厘米波段，工作在毫米波频段的馈线系统损耗很大，为缩短馈源的馈线，一般大功率毫米波系统采用馈源在天线后面的双反射面天线作为辐射系统。

大口径天线在近场区（菲涅尔区）存在较强的衍射相干，沿轴线的波束分布存在许多菲涅尔峰，如图1所示。近年来，在毫米波近程通讯、毫米波人体成像、毫米波无线输能和ITER计划中的毫米波等离子体加热等应用领域，越来越多的毫米波天线应用都集中在天线的菲涅尔区，特别是最后一个菲涅尔峰所在区域；同时都希望在相同的功率源情况下，获得更大的轴线功率密度。但是目前国外已研制的大功率毫米波天线均采用焦点为无穷远的非聚焦辐射方式，使得其口面辐射场在近场区轴线功率密度最大值（即最后一个菲涅尔峰）偏低、达到有效功率阈值的距离范围偏小。

申请号（2014102572537）的文件公布了一种近场波束聚焦的毫米波双反射面天线，该天线实现了提高其近场轴线上功率密度，增大近场作用距离范围，但在实际应用中，当应用环境参数变化需要对最大功率密度点位置进行调节或者需要使达到有效功率阈值的距离范围更宽，就得整体移动系统、或者更换新天线系统或者另外增加天线系统，这样就大幅度增加了系统成本和实现的难度，如在生物医学、等离子体加热过程中，需要根据实际生理特征、等离子体温度的测试分布来移动或者旋转加热的毫米波最大功率密度位置，以达到最佳的效果,而采用原来的固定焦点聚焦的方式就需要增加天线系统或者采用非常复杂的机械结构实现全系统整体移动，其成本和技术难度极大。目前在毫米波近场天线中，都采用的为非聚焦方式的天线，且功率密度最大位置很难调节，因此需要一种能简单调节聚焦点位置的毫米波聚焦天线系统。

发明内容

本发明的目的是为了提高天线辐射近场轴线功率密度并简单快速调节最大功率密度位置，增大近场可作用区域范围，提供一种毫米波近场机械调焦双反射面天线。通过对该双反射面天线的主、副反射面的曲面进行赋形，使馈源馈入的波束在天线主面口面上产生能聚焦的场幅度分布和相位分布，通过天线副面相对位置的微小调节可实现主面幅度、相位分布的改变。其主面口面场辐射的波束在近场聚焦到设计区域处，提高了近场区轴线功率密度，且通过天线副面位置的微小调节实现聚焦点位置的大范围变化，解决了目前毫米波近场某些应用中轴线功率密度最大值偏低、最大功率密度位置极难调整、达到有效功率阈值的区域范围偏小的不足。

一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，包括主反射面、副反射面和馈源，所述馈源发射出的波束经副反射面反射到主反射面后再射出；所述主反射面的曲面形状为旋转抛物面，主反射面的中心点位于副面出射中心轴线和辐射波束轴线交点处；所述副反射面曲面为旋转双曲面，且副反射面为圆对称结构，圆心位于所述馈源出射轴线上；所述馈源设置在副反射面的实焦点附近；所述主反射面的焦点与天线副面双曲面的另一实焦点相近；所述主反射面、副反射面和馈源设置同一个支架上，馈源和主反射面固定在支架上保持位置不变；所述支架上设置有运动机构，副反射面设置在运动机构上，副反射面能在运动机构上前后、上下、左右移动或者旋转。

进一步的，所述主反射面为圆对称结构或为椭圆对称结构。

进一步的，所述主反射面和副反射面均为导电面。

进一步的，所述导电面为全导电金属结构；或为非金属材料，其非金属材料表面涂覆、电镀金属层或导电漆。

一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，包括主反射面、副反射面、副反射面运动机构和馈源，所述馈源发射出的波束经副反射面反射到主反射面后再射出；所述主反射面的曲面形状为旋转抛物面，主反射面的中心点位于副面出射中心轴线和辐射波束轴线交点处；所述副反射面曲面为椭球面，且副反射面为圆对称结构，圆心位于所述馈源出射轴线上；所述馈源设置在副反射面的实焦点附近；所述主反射面的焦点与天线副面椭球的另一焦点相近。

本发明中副反射面运动机构用于承载、运动驱动、定位天线副反射面。其支撑结构可以为导轨、支撑杆等机械结构；其运动驱动可以为电磁装置，电机驱动的齿轮、铰链、螺杆等，液压、高压气体、真空吸附等机械驱动装置，其步进精度根据实际应用确定。运动机构的材料不限，可以为金属、非金属等材料。

本发明中，整个天线系统分为两种类型，一个为卡塞格伦天线，另一个为葛利高利天线。副反射面曲面为旋转双曲面，馈源放在双曲面的实焦点上，则整个天线系统为卡塞格伦天线，主反射面的抛物面的焦点与天线副反射面双曲面的另一个实焦点重合；副反射面曲面为椭球面，天线馈源设置在椭球面的一个焦点上，则天线系统为葛利高利天线，主反射面的抛物面的焦点与天线反射副面椭球面的另一焦点重合。辐射波束轴线与天线面法线平行时，主反射面为圆对称结构；辐射波束轴线与天线面法线有一定夹角时，主反射面为椭圆对称结构。主反射面的中心点位于副面出射中心轴线和辐射波束轴线交点处。

本发明中对主反射面和副反射面的曲面形状均进行了精密赋形，其中副反射面的赋形形状控制主面口面场的幅度分布，主反射面的赋形形状控制主面口面场的相位分布。主反射面和副反射面为导电的金属面，可以采用铝、铜等全金属或者是非金属材料然后表面涂覆、电镀金属层或导电漆。

本发明的近场波束聚焦的毫米波双反射面天线工作在毫米波波段，其工作原理是：输入的毫米波信号通过馈源的辐射进入双反射面天线系统；由馈源辐射的毫米分布在经过副反射面反射后照射到主反射面上，副反射面的赋形结构对馈源输入的毫米波束幅度分布进行控制和调节（天线工程手册，林昌禄主编，p610）；由副反射面反射形成的毫米波分布经过主反射面反射后形成图1中的主天线口面分布，主反射面的赋形结构对输入的毫米波束有不同的光程长度，该长度差造成了照射到主反射面的同相位波束经过主反射面反射后在天线口面上形成内凹的相位分布（即波束轴线为0°，相位角度随离中心距离而增加）；天线口面幅度和相位分布在天线近场区形成聚焦束斑，在聚焦束斑区域内轴线功率密度得到提高，达到有效功率阈值的距离范围增大。当机械运动机构对副反射面的位置微调时，引起副反射面反射的波束幅度、相位变化，进而使主反射面口面相位分布及相位分布内凹中心点位置改变，同时结合双反射面系统自身放大作用，最终导致天线近场聚焦焦点位置的大范围变化。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

现有的毫米波近场天线都为非聚焦天线，其轴线功率密度最大值偏低、达到有效功率阈值的区域范围偏小，而且最大功率密度位置通过更换或者移动系统等方法来实现时调节成本高、时间慢、空间要求大、技术实现难。本发明在聚焦的赋形双反射面天线的基础上简单的增加一副反射面运动机构就可有效解决这一难题。同时通过天线副反射面位置的微小调节就可以实现最大功率密度在较大区域的快速调节，这样相对于现有的最大功率密度调节结构来说结构简单、加工成熟、迅速、空间要求小、实现成本低廉。即在同样输入功率情况下，实现了轴线最大功率密度大幅提高且其位置可在较大区域调节，增大了达到有效功率阈值的范围。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有天线系统近场轴线分布图；

图2是本发明毫米波近场机械调焦双反射面天线系统组成示意图；

图3是本发明卡塞格伦型近场机械调焦双反射面天线图；

图4是本发明近场波束剖面电场分布图；

图5是本发明近场波束轴线功率密度分布图；

图6是FEKO仿真波束特性（电场分布）；

图7是聚焦点与副面位置移动距离关系图；

图中：1是馈源，2是副反射面，2`是移动的副反射面，3是主反射面，4是主反射面口面场，5是辐射波束,6是赋形主反射面，7是赋形副反射面，8是聚焦束斑。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图2所示，本发明所述的双反射面天线的系统示意图，该近场波束聚焦毫米波天线系统由三个主要部件组成：馈源、副反射面和主反射面，馈源经过副反射面反射后到主反射面在反射出去，主反射面口面场分布与馈源出射方向垂直，且面场的辐射波束的轴线与馈源轴线可成任意夹角。

本设施例中，设计一套口径为342.4mm的近场波束聚焦毫米波天线，为卡塞格伦天线。图3为天线系统的纵向剖面图（y=0），如图3所示：聚焦波束出射为水平方向；馈源输入高斯波束，等效相位中心在（0,0,0），功率1W；天线主面口面场幅度分布为抛物型分布，天线为旋转抛物面，直径为0.91m；副面为旋转双曲面，圆对称结构，直径为0.063m；天线系统为铝材。

图4为得到的近场波束剖面电场场分布（单位V/m），波束在近场区域聚焦良好。图5为对应的轴线功率密度分布（W/cm²），其中星线对应的是焦点为2.66m的聚焦场轴线功率密度分布，其中平滑线对应的是焦点为3000000m的非聚焦场轴线功率密度分布。如图5所示，非聚焦时功率密度最大值为：0.0037W/cm²,；聚焦后最大值为0.1113W/cm²；当以0.04W/cm²为作用阈值时，聚焦天线的有效作用范围为2.08m~3.88m，而非聚焦天线无有效作用范围。

图6为设计得到的聚焦波束天线在FEKO软件中仿真结果图，由于需仿真的空间相对于辐射波长太大，因此采用物理光学法进行仿真。由图可以看出，经过辐射波束近场区聚焦良好，其轴线功率密度分布与图4、图5吻合。

为实现聚焦点调节，在FEKO软件中固定馈源、天线主面位置，将天线副面沿着与毫米波出射方向夹角为-28.5°方向前后移动得到波束聚焦点与副面移动距离关系图如图7所示，其中副面位置0mm处即为图6所示副面位置。由图7可见副面移动范围为-16mm~45mm，而聚焦点移动的距离约3m。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，包括主反射面、副反射面和馈源，所述馈源发射出的波束经副反射面反射到主反射面后再射出；所述主反射面的曲面形状为旋转抛物面，主反射面的中心点位于副面出射中心轴线和辐射波束轴线交点处；所述副反射面曲面为旋转双曲面，且副反射面为圆对称结构，圆心位于所述馈源出射轴线上；所述馈源设置在副反射面的实焦点附近；所述主反射面的焦点与天线副面双曲面的另一实焦点相近；所述馈源轴线与主反射面辐射波束轴线成任意度夹角；其特征在于所述主反射面、副反射面和馈源设置同一个支架上，馈源和主反射面固定在支架上保持位置不变；所述支架上设置有运动机构，副反射面设置在运动机构上，副反射面能在运动机构上前后、上下、左右移动或者旋转移动或者旋转。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，其特征为所述主反射面为圆对称结构或为椭圆对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，其特征为所述主反射面和副反射面均为导电面。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波近场机械调焦双反射面天线，其特征为所述导电面为全导电金属结构；或为非金属材料，其非金属材料表面涂覆、电镀金属层或导电漆。