CN106785462A - 一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭，工作频段为0.6‑4GHz，应用于射电望远镜超宽带接收机系统。该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，通过在圆波导中加入脊膜片，使四脊圆波导工作带宽远大于圆波导工作带宽，再将四脊波导做成四脊喇叭，从而实现超宽带、双极化等功能；通过加载介质棒降低高频增益，加载金属外缘提高低频增益，使工作频带内增益一致；通过加载介质环和改变脊的横截面调节方向图等化辐射特性。该馈源方向图等化较好，实测结果与仿真结果基本吻合，可以满足射电天文观测需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，专门用于射电天文领域超宽带微波接收机。
背景技术
射电望远镜是射电天文观测的重要工具，它的主要功能是将宇宙天体辐射而来的电磁波汇聚在其主面焦点或者副面焦点上，再由焦点处的馈源及接收机系统接收并传输给记录终端。
随着射电天文观测需求的推动，对馈源系统的要求趋向多频段、全频段及超宽频带，并向毫米波亚毫米波覆盖，研制应用于射电天文中的宽带/超宽带馈源具有非常重要的意义。对于工作频带在0.6-4GHz的前馈天线而言，馈源不仅要求具有良好的电气性能(驻波、隔离等)，还要求整个工作频带内具有相同的照射效率(照射角度与照射电平)，以获得较佳的天线效率。
波导常被用作传输电磁波能量的器件，将波导终端做成逐渐张开的形状，就是喇叭天线。波导的工作带宽定义为主模截止波长和第一个高次模截止波长之比。在圆波导中加入脊结构，由于脊结构边缘电容效应作用，其主模的截止波长大于圆波导中主模的截止波长，第一个高次模的截止波长小于圆波导中第一个高次模的截止波长，所以脊波导的工作带宽可远大于圆波导中的工作带宽。四脊波导终端做成逐渐张开的喇叭形状，就是四脊喇叭。它具有宽频带、双极化和体积小等特点，可以用作反射面天线宽带馈源。
四脊喇叭和Eleven馈源都具有良好的辐射方向图和较宽的工作带宽，是实现宽频带馈源的两种形式。但Eleven馈源的馈电方式不易实现且回波损耗与插入损耗较大，而四脊喇叭使用同轴线馈电，馈电方式易于实现且插入损耗较小。
发明内容
本发明目的在于，提供一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭，工作频段为0.6-4GHz，应用于射电望远镜超宽带接收机系统。该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，通过在圆波导中加入脊膜片，使四脊圆波导工作带宽远大于圆波导工作带宽，再将四脊波导做成四脊喇叭，从而实现超宽带、双极化等功能；通过加载介质棒降低高频增益，加载金属外缘提高低频增益，使工作频带内增益一致；通过加载介质环和改变脊的横截面调节方向图等化辐射特性。该馈源方向图等化较好，实测结果与仿真结果基本吻合，可以满足射电天文观测需求。
本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源工作频段为0.6-4GHz，为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，应用射电望远镜超宽带接收机系统，该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，四脊喇叭(1)与四脊圆波导(2)连接，四脊圆波导(2)的另一端与短路背腔(3)连接，脊膜片(6)嵌入在四脊喇叭(1)和四脊圆波导(2)内部，第一同轴探针(4)穿过脊膜片(6)至四脊圆波导(2)中心处，介质环(8)加载在介质棒(7)顶端的外围，并与介质棒(7)一起嵌入四脊喇叭(1)内，金属外缘(9)加载在四脊喇叭(1)和四脊圆波导(2)的外侧。
四脊喇叭(1)口径360mm，喇叭段长度280mm。
四脊圆波导(2)口径190mm，长度34mm。
短路背腔(3)为方锥形，方锥底边为85×85mm、顶边为45×45mm、高度30mm。
第一同轴探针(4)采用50欧姆同轴线，和第二同轴探针(12)设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针(4)与第二同轴探针(12)的交界处设计凹槽(11)，用以保证两个线极化传输相位的一致性。
脊膜片(6)厚度为16mm，截面为梯形小顶面倒直角修正型，修正系数为0.02，嵌入在四脊圆波导(2)的部分间距为6mm。
介质棒(7)由三个方锥组合而成，最下部方锥底边为2×2mm，顶边为24×24mm、高90mm，中间方锥底边为24×24mm，顶边为48×48mm、高90mm，最上部方锥底边为48×48mm，顶边为2×2mm、高40mm。
金属外缘(9)母线为修正型指数曲线，口径为560mm，外缘倒角80mm。
介质环(8)底面内径140mm、外径160mm，顶面内径180mm、外径200mm，高30mm。
本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，工作频率为0.6-4GHz，应用于射电望远镜超宽带接收机系统。该馈源为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，电压驻波比小于2，两端口的隔离度小于-20dB。通过介质加载等措施，实现了宽频带内照射特性比较一致的方向图，经过仿真和实测验证，该馈源可以满足工程应用要求。
所述四脊喇叭(1)，其内部脊膜片(6)是四脊喇叭的重要组成部分，它起着阻抗匹配的作用，匹配从四脊喇叭的阻抗逐渐过渡到自由空间的377欧姆阻抗。此外脊膜片的形状还影响着方向图的稳定性和等化。使用指数曲线能使脊膜片得到良好的阻抗匹配，其表达式为：
Y(z)＝Aekz+C*z (1)
式中A等于脊间距的一半，K的值根据口径大小和喇叭的长度确定，C的取值根据四脊喇叭设计经验一般取为0.02，这样可以改善阻抗匹配。参见图3，A＝d/2，K＝ln((D/2-C*L)/A)/L，其中，d为脊波导间距，D为四脊喇叭口径，L为四脊喇叭长度。
所述四脊圆波导(2)特性阻抗设置为50欧姆，与50欧姆同轴电缆馈电相匹配。在四脊圆波导中，TE11为主模，其它高阶模依次分别为TE21L、TE21U、TE01等模。为了实现宽带信号传输，希望利用主模，同时抑制其它高次模。四脊圆波导TE11模和TE21L模的截止频率很接近，但TE11模和TE21U模之间的带宽很宽，因此，为了实现宽带信号传输，就必须有效地抑制TE21L模的传输。脊膜片(6)厚度越大越有利于波的传输，但是会使交叉极化变差。为了使得四脊圆波导(2)的特性阻抗达到50-100欧姆左右，必须缩小脊膜片(6)之间间距，参考图2，结构设计上对脊膜片(6)截面进行倒角修正，保证四个脊膜片结构上不会出现互相干涉的现象。四脊圆波导设计在s/D＝0.25时，脊膜片(6)间距取(D-d)/D＝0.7。最低工作频率为0.5GHz时，四脊圆波导(2)外圆直径至少要求达到190毫米。最终选择四脊圆波导(2)外缘口径D为190mm，脊膜片(6)间距d为6mm，脊厚度s为16mm。
所述短路背腔(3)和同轴探针(4)，馈电形式采用同轴馈电，是将同轴中的TEM主模转化成四脊圆波导(2)中的TE11模。四脊圆波导(2)的阻抗与同轴线的阻抗一致都为50欧姆，要求同轴线的外导体连接在四脊圆波导(2)边上，内导体延伸至相对的脊膜片(6)内达到匹配，形成单极辐射器。调节激励端与后短路板的距离和短路段的脊高，对展宽变换的带宽起很大作用。四脊喇叭(1)的两个线极化第一同轴探针(4)和第二同轴探针(12)设计在同一个横截面位置上，为防止两个探针之间相互干涉，在第一同轴探针(4)和第二同轴探针(12)的交界处设计凹槽(11)，这样可以保证两个线极化传输相位的一致性，参见图5。四脊喇叭(1)背腔有球形腔体、圆锥形腔体和台阶形腔体等，背腔的尺寸对四脊喇叭(1)的电压驻波比影响很大，短路背腔(3)设计成方锥形腔体。
为了实现馈源工作8倍频程带宽，在±60°照射角内的照射电平在-10dB左右等化一致，特对在常规四脊喇叭的基础上进行了改进。常规四脊喇叭的高低频增益相差较大，方向图等化不好。首先加载介质棒(7)压低高频增益，加载金属外缘(9)提高低频增益，使工作频带内增益一致；接着加载介质环(8)和改变脊膜片(6)的横截面，调节方向图等化辐射特性。最终得到带内增益波动较小、等化一致性较好的方向图辐射特性。
所述介质棒(7)用于压低高频增益。为了提高低频增益，为了降低喇叭高频的增益，使用介质棒加载的方法。介质棒加载的实质就是介质棒天线，它可以通过控制天线的长度而不是横截面来实现窄波束和高增益。参见图4，L1和L2分别为喇叭内外介质长度。L1越长，反射损耗越小，L2越长，天线波束宽度越窄，增益越高。介质棒(7)的直径的选择依据下式：
式中d为介质棒的直径、εr为介质材料的相对介电常数和λ为最高频对应真空波长。本发明设计d≤48mm。介质棒(7)长度和倾斜度为了匹配，获得很小的反射。
所述金属外缘(9)用于提高低频增益。将喇叭外缘横向延伸，这样在提高低频增益的同时会对中高频增益产生影响，结合介质棒(7)使工作频带内增益一致。
所述介质环(8)用于调节方向图等化辐射特性。方向图等化特性优化通过喇叭边缘导弧、改变脊的横截面和加载介质环等方式实现。喇叭天线阻抗带宽越宽，在喇叭天线的口面处不同频点的相位误差就越大，这就导致了天线的口径效率降低，进而使得天线在主辐射方向上的增益下降。为了消除这一不利影响，采用加载介质环，修正了天线口面处的相位差，从而提高了口径的利用效率。
附图说明
图1为本发明超宽带介质加载四脊喇叭馈源整体结构图；
图2为本发明四脊圆波导截面图；
图3为本发明四脊喇叭渐变转换段指数过渡线图；
图4为本发明四介质棒结构图；
图5为本发明四同轴探针及凹槽结构图；
图6为本发明馈源驻波仿真结果图；
图7为本发明馈源端口隔离度仿真结果图；
图8为本发明馈源在0.6GHz的天线方向图仿真结果图；
图9为本发明馈源在2.5GHz的天线方向图仿真结果图；
图10为本发明馈源在4GHz的天线方向图仿真结果图；
图11为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在0.6GHz的天线方向图仿真结果图；
图12为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在2.5GHz的天线方向图仿真结果图；
图13为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在4GHz的天线方向图仿真结果图；
图14为本发明同轴输出端口5的驻波实测图；
图15为本发明同轴输出端口10的驻波实测图；
图16为本发明同轴输出端口5和同轴输出端口10的隔离度实测图；
图17为本发明馈源在0.6GHz的天线方向图实测图；
图18为本发明馈源在2.5GHz的天线方向图实测图；
图19为本发明馈源在4GHz的天线方向图实测图。
具体实施方式
实施例
本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源工作频段为0.6-4GHz，为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，应用射电望远镜超宽带接收机系统，该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，其中四脊喇叭1口径360mm，喇叭段长度280mm，四脊圆波导2口径190mm，长度34mm，短路背腔3为方锥形，方锥底边为85×85mm、顶边为45×45mm、高度30mm，四脊喇叭1与四脊圆波导2连接，四脊圆波导2的另一端与短路背腔3连接，脊膜片6嵌入在四脊喇叭1和四脊圆波导2内部，第一同轴探针4穿过脊膜片6至四脊圆波导2中心处，介质环8加载在介质棒7顶端的外围，并与介质棒7一起嵌入四脊喇叭1内，金属外缘9加载在四脊喇叭1和四脊圆波导2的外侧；第一同轴探针4采用50欧姆同轴线，和第二同轴探针12设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针4与第二同轴探针12的交界处设计凹槽11，用以保证两个线极化传输相位的一致性；脊膜片6厚度为16mm，截面为梯形小顶面倒直角修正型，修正系数为0.02，嵌入在四脊圆波导2的部分间距为6mm；介质棒7由三个方锥组合而成，最下部方锥底边为2×2mm，顶边为24×24mm、高90mm，中间方锥底边为24×24mm，顶边为48×48mm、高90mm，最上部方锥底边为48×48mm，顶边为2×2mm、高40mm；金属外缘9母线为修正型指数曲线，口径为560mm，外缘倒角80mm；介质环8底面内径140mm、外径160mm，顶面内径180mm、外径200mm，高30mm；
使用过程中，参照图1，信号经介质棒7与介质环8至四脊喇叭1内部，经脊膜片6至四脊圆波导2中心位置的同轴探针4处，再经同轴输出端口10最终完成信号传输；
在HFSS电磁仿真软件中优化介质加载四脊喇叭馈源，仿真结果参见图6-10，其中图6为天线驻波、图7为馈源端口隔离度、图8-10分别为0.6GHz、2.5GHz、4GHz的天线方向图；以介质加载四脊喇叭1作为馈源，使用GRASP软件计算25m前馈抛物面天线方向图，馈源照射角为±60°，仿真结果参见图11-13，仿真结果表明该馈源的天线口径效率大于57％以上；具体天线系统的增益和口面效率如表1所示：
表1天线系统的增益和口面效率
四脊喇叭1馈源实际加工后，对加工样件进行测试，测试结果同轴输出端口5和同轴输出端口10的驻波均≤2.0，同轴输出端口5和同轴输出端口10的端口隔离度≤-20dB，参见图14-16。利用NSI公司的远场测试系统测试的喇叭方向图结果参见图17-19。
本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其电压驻波比小于2，两端口的隔离度小于-20dB，在±60°照射角内的照射电平在-8至-14dB，通过介质加载等措施，实现了宽频带内照射特性比较一致的方向图，通过改善脊横截面，实现8倍频程带宽，经过仿真和实测验证，该馈源在工作频带0.6-4GHz范围内可以满足工程需要。
Claims (9)
1.一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于该馈源工作频段为0.6-4GHz，为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，应用射电望远镜超宽带接收机系统，该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，四脊喇叭（1）与四脊圆波导（2）连接，四脊圆波导（2）的另一端与短路背腔（3）连接，脊膜片（6）嵌入在四脊喇叭（1）和四脊圆波导（2）内部，第一同轴探针（4）穿过脊膜片（6）至四脊圆波导（2）中心处，介质环（8）加载在介质棒（7）顶端的外围，并与介质棒（7）一起嵌入四脊喇叭（1）内，金属外缘（9）加载在四脊喇叭（1）和四脊圆波导（2）的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于四脊喇叭（1）口径360 mm，喇叭段长度280 mm。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于四脊圆波导（2）口径190 mm，长度34 mm。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于短路背腔（3）为方锥形，方锥底边为85×85mm、顶边为45×45mm、高度30mm。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于第一同轴探针（4）采用50欧姆同轴线，和第二同轴探针（12）设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针（4）与第二同轴探针（12）的交界处设计凹槽（11），用以保证两个线极化传输相位的一致性。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于脊膜片（6）厚度为16 mm，截面为梯形小顶面倒直角修正型，修正系数为0.02，嵌入在四脊圆波导（2）的部分间距为6 mm。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于介质棒（7）由三个方锥组合而成，最下部方锥底边为2×2 mm，顶边为24×24 mm、高90 mm，中间方锥底边为24×24 mm，顶边为48×48 mm、高90 mm，最上部方锥底边为48×48 mm，顶边为2×2 mm、高40 mm。
8.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于金属外缘（9）母线为修正型指数曲线，口径为560 mm，外缘倒角80 mm，
9.根据权利要求1所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其特征在于介质环（8）底面内径140 mm、外径160 mm，顶面内径180 mm、外径200 mm，高30 mm。
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