CN105680158B - 一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源 - Google Patents

一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源，包括一个超宽带正交偶极子天线(1)，馈电网络(2)，反射板(3)，椭圆柱口面(4)，支撑结构(5)，法兰盘(6)和吸波材料(7)；该馈源采用特定长宽比的椭圆口面构造了相对稳定的馈源辐射方向图，并且对两个不同的入射极化均实现了水平方向方向图3dB波束宽度较宽，垂直方向方向图3dB波束宽度较窄的特点。通过引入宽带馈电网络，大大减小了馈源喇叭的长度，通过馈电网络激励超宽带振子，激励出模式纯度更高的eTE11和oTE11模。馈源喇叭天线后配置一定长度的支撑柱，使喇叭天线口面远离馈源支架，并在支撑柱底部增加特定尺寸的吸波材料，抑制由于馈源支架的复杂金属结构引起的多次辐射。该馈源主要工作在低频，具体频率范围为(300MHz～500MHz)。

Description

一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源
技术领域
本发明涉及紧缩场馈源的技术领域，具体涉及一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源。
背景技术
随着紧缩场技术的不断发展，紧缩场反射面的尺寸不断增大，与之对应的紧缩场静区也不断增大。在紧缩场技术进步的同时，用户也希望大口径的紧缩场反射面可以在低频工作，因此可以测量低频至米波波段的天线和雷达散射截面。原有的低频馈源在频率低于500MHz时轴向尺寸过大，典型的如TEM喇叭和角锥四脊波导喇叭，这类喇叭天线一般要求轴向长度在最低工作频率的1个波长左右，当工作在300MHz时，天线的长度达到了接近一米，这会使整个天线的尺寸过大，重量过重，因此必然影响到天线的使用方便。同时，这样的馈源将很难安装到馈源支架上并与其他波段馈源兼容。因此设计一种电小尺寸高性能的低频馈源具有重要意义。
由于应用背景的原因，紧缩场低频馈源的研究开展的还很少，如何最大限度降低天线尺寸而不过分损失馈源天线的性能是非常值得研究的。
发明内容
本发明提出了一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源，该馈源具有电尺寸小，辐射性能优越的突出优点。
本发明采用的技术方案为：一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源，包括一个超宽带正交偶极子天线，馈电网络，反射板，椭圆柱口面，支撑结构，法兰盘和吸波材料；其中超宽带正交偶极子天线由四个完全相同的金属片组成，四个金属片两两组合构成两个相互正交的宽带振子，该宽带振子距离反射板的距离为40～60mm；正交偶极子天线与馈电网络采用射频同轴电缆连接，正交偶极子天线位于反射板的上方，椭圆柱口面位于反射板的上方并将正交偶极子天线包围于中心位置；正交偶极子天线的对角振子顶端连线与椭圆柱口面椭圆的长轴夹角为45°；馈电网络位于反射板的下方；支撑结构，法兰盘依次连接在反射板的下方；支撑结构将馈电网络包围在中间；吸波材料粘接在法兰盘的上方。
其中，所述的超宽带正交偶极子天线的四个金属片是印制在PCB板上的，或者是采用机械加工的，每个金属片都连接一个馈电同轴线，馈电同轴线的另一端连接馈电网络，连接四个金属片的同轴电缆的外导体在靠近四个金属片0.5～1mm位置处电连接在一起。
其中，所述的馈电网络由三个180°移相器组成，其中两个180°移相器连接宽带正交振子的四个馈电电缆，两个180°移相器的和路连接第三个180°移相器，第三个180°移相器的和路和差路分别对应水平和垂直极化。
其中，所述的馈电网络之间的连接采用同轴电缆和接头，或者是直接集成到同一个电路板上的。
其中，所述的椭圆柱口面的长度为125～145mm，椭圆柱口面的宽度为80～100mm，椭圆柱的高度与宽带振子距离反射板的距离相等，椭圆柱的下边缘与反射板良好电接触。
其中，所述的低频紧缩场馈源主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金；馈电网络内部有介质材料，超宽带正交偶极子天线的背板为介质材料。
其中，所述的支撑结构的长度为150～220mm之间，结构为四个圆柱体，长方体组成的支撑架；通过调整支撑架的高度高度，使馈源相位中心于反射面焦点重合。
其中，覆盖在法兰盘上的吸波材料高度为复合高度，靠近中心位置的吸波材料的高度更高，在70～120mm之间，在外围吸波材料的高度略低，在45mm～60mm之间，长宽均为500～600mm。
其中，超宽带正交偶极子天线的四个金属贴片两两组成正交振子，振子采用巴伦结构馈电，仅采用一个180°移相器即能实现两个相互正交的极化输出，180°移相器的和路和差路分别对应水平和垂直极化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明采用了馈电网络对低频馈源进行馈电，大大缩短了低频馈源的长度，极大的降低了馈源的体积、重量。同时由于馈源轴向尺寸的降低，整个馈源相位中心更加稳定，并且使低频馈源能够与标准波段馈源共用同一个馈源支架。
(2)、本发明在超宽带振子辐射位置设计了椭圆柱口面，整个低频馈源的辐射方向图为椭圆形，具体为水平方向波束较宽，垂直方向波束较窄，因此反射面的照射效率提高，暗室地面镜像对静区的干扰降低。
(3)、本发明设计了与吸波材料和法兰盘相配合的吸波材料，降低了馈源的后瓣，缓解了馈源支架对低频馈源辐射方向图影响大的问题。
附图说明
图1为本发明一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源的结构示意图；
图2为超宽带正交偶极子天线结构示意图；
图3为馈电网络结构；
图4为基于馈电网络的低频紧缩场馈源辐射口面示意图；
图中附图标记含义为：1为超宽带正交偶极子天线，2为馈电网络，3为反射板，4为椭圆柱口面，5为支撑结构，6为法兰盘，7为吸波材料，1a为超宽带正交偶极子天线的右上方金属片，1b为超宽带正交偶极子天线的左下方金属片，1c为超宽带正交偶极子天线的右下方金属片，1d为超宽带正交偶极子天线的左上方金属片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明的构思如下：本发明针对传统馈源喇叭天线轴向尺寸长的问题，提出了用馈电网络实现馈源小型化的方案，采用超宽带正交偶极子天线1作为椭圆柱口面4的激励，将该超宽带正交偶极子天线1的位置与椭圆柱口面4的口面位置近似平齐，一方面保证了馈源的输入阻抗接近50Ω，一方面保证了辐射方向图接近椭圆波束。在两种不同极化馈电时，馈源喇叭的辐射方向图近似相同。引入的多个180°移相器大大缩短了馈源的轴向尺寸，传统馈源喇叭面临由同轴线的TEM模到喇叭辐射模的转变，因此往往需要相当长的电尺寸(如接近1个波长)来完成馈电。采用了经过优化的椭圆柱口面4，并且由于振子位置接近口面，使两个极化激励时eTE11和oTE11模纯度更高。
根据上述发明的构思，本发明采用如下技术方案：
首先设计超宽带正交偶极子天线1，该偶极子天线共由四个金属片组成分别为1a、1b、1c和1d，四个金属片结构完全相同，每个金属片都连接一个馈电同轴线，馈电同轴线的另一端连接馈电网络2，如图2所示。其中四个金属片两两配对组成宽带偶极子，其中1a、1b组成一个宽带偶极子，1c、1d组成一个宽带偶极子。连接四个金属片的同轴电缆的外导体在靠近四个金属片0.5～1mm位置处焊接在一起。金属片的长度l1决定宽带振子的最低工作频率，宽带振子的最低工作频率对应的波长应大于l1的倍。根据最低工作频率为300MHz，将l1选择在280～330mm之间。宽带振子的其他参数l2、w1、w2主要用于在引入椭圆柱口面后调节天线的匹配。其中w1为1a、1c以及1b和1d之间的最小间距，一般越小越好，此处选择在1～3mm。为了避免出现电流奇点，四个金属片的两端均采用了圆弧过渡，过渡位置的圆弧直径为3mm。w2和l2的选择由最终加入反射板3和椭圆柱口面4后综合优化获得，针对本实施例，选择在w2在15mm～20mm，l2选择在200～250mm。
本发明所涉及的低频紧缩场馈源一个重要特点是引入馈电网络2进行馈电，大大减小了模式过渡结构所需要的轴向尺寸。馈电网络2由三个180°移相器组成，其中两个180°移相器连接宽带正交振子的四个馈电电缆，两个180°移相器的和路连接第三个180°移相器，第三个180°移相器的和路和差路分别对应水平和垂直极化，如图3所示。在馈电网络2的激励下，超宽带正交偶极子天线1的四个金属片同时工作，相当于两个正交的振子同时工作，按照图3所示的端口激励时，由端口1和端口2组成的振子和由端口3端口4组成的振子进行结合，当同相激励两个振子时，合成水平方向线极化波，当反向激励两个振子时，合成垂直方向的线极化波。
紧缩场在低频使用时，吸波材料的吸收率下降，因此，由于馈源前方吸波材料反射引起的静区恶化问题不能忽略不计，紧缩场馈源的辐射方向图希望是水平方向较宽而垂直方向较窄。因此引入了椭圆柱口面4结构，椭圆柱口面4为标准椭圆柱套筒，上下两个椭圆面尺寸完全相同，套筒厚度为2mm。椭圆柱口面4内表面的长轴为610～640mm，短轴为400～440mm，长短轴的比例由水平和垂直方向波束宽度的比确定，在本优选实施例中选定为1.5，椭圆柱口面4将超宽带正交偶极子天线1包围在中心，如图4所示。
经过优化设计的低频馈源虽然方向图特性较好，具有较低的后瓣，但是，由于低频波长很长，因此馈源支架的影响不能忽视，必须设计合理的支撑结构和吸波材料布局才能最大限度的降低低频时馈源支架对馈源方向图的影响。一般来说，支撑结构的长度越长越有利于降低馈源支架对馈源辐射方向图的影响，但是，必须兼顾其他波段馈源的安装需求，因此支撑结构的的长度不能过长，根据其他馈源的设计需求，最终将支撑结构5的长度确定在150～220mm之间，馈源后吸波材料7的布局经过优化设计，靠近中心位置的吸波材料的高度更高，在70～120mm之间，在外围吸波材料的高度略低，在45mm～60mm之间，长宽均为500～600mm，如图1所示。
该馈源是一种典型的电小尺寸馈源，该馈源主要针对紧缩场的低频应用，可作为紧缩场的天线和RCS测量系统馈源，也可以作为紧缩场静区检测探头，从而实现高效静区检测。另外，作为一种方向图良好的电小尺寸天线，该馈源也可以用作普通低频反射面天线馈源，无线通信的基站天线单元。

Claims (1)

1.一种基于馈电网络的低频紧缩场馈源，其特征在于，包括一个超宽带正交偶极子天线(1)，馈电网络(2)，反射板(3)，椭圆柱口面(4)，支撑结构(5)，法兰盘(6)和吸波材料(7)；其中超宽带正交偶极子天线(1)由四个完全相同的金属片组成，四个金属片两两组合构成两个相互正交的宽带振子，该宽带振子距离反射板(3)的距离为40～60mm；正交偶极子天线(1)与馈电网络(2)采用射频同轴电缆连接，正交偶极子天线(1)位于反射板(3)的上方，椭圆柱口面(4)位于反射板(3)的上方并将正交偶极子天线(1)包围于中心位置；正交偶极子天线(1)的对角振子顶端连线与椭圆柱口面(4)椭圆的长轴夹角为45°；馈电网络(2)位于反射板(3)的下方；支撑结构(5)，法兰盘(6)依次连接在反射板(3)的下方；支撑结构(5)将馈电网络包围在中间；吸波材料(7)粘接在法兰盘(6)的上方；
所述的超宽带正交偶极子天线(1)的四个金属片是印制在PCB板上的，或者是采用机械加工的，每个金属片都连接一个馈电同轴线，馈电同轴线的另一端连接馈电网络，连接四个金属片的同轴电缆的外导体在靠近四个金属片0.5～1mm位置处电连接在一起；
所述的馈电网络(2)由三个180°移相器组成，其中两个180°移相器连接宽带正交振子的四个馈电电缆，两个180°移相器的和路连接第三个180°移相器，第三个180°移相器的和路和差路分别对应水平和垂直极化；
所述的馈电网络(2)之间的连接采用同轴电缆和接头，或者是直接集成到同一个电路板上的；
所述的椭圆柱口面(4)的长度为125～145mm，椭圆柱口面(4)的宽度为80～100mm，椭圆柱口面(4)的高度与宽带振子距离反射板(3)的距离相等，椭圆柱口面(4)的下边缘与反射板良好电接触；
所述的低频紧缩场馈源主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金；馈电网络(2)内部有介质材料，超宽带正交偶极子天线(1)的背板为介质材料；
所述的支撑结构(5)的长度为150～220mm之间，结构为四个圆柱体，长方体组成的支撑架；通过调整支撑架的高度高度，使馈源相位中心于反射面焦点重合；
覆盖在法兰盘上的吸波材料(7)高度为复合高度，靠近中心位置的吸波材料的高度更高，在70～120mm之间，在外围吸波材料的高度略低，在45mm～60mm之间，长宽均为500～600mm；
超宽带正交偶极子天线(1)的四个金属贴片两两组成正交振子，振子采用巴伦结构馈电，仅采用一个180°移相器即能实现两个相互正交的极化输出，180°移相器的和路和差路分别对应水平和垂直极化。
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