CN107732435A - 一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源 - Google Patents

一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其中，脊波导部分配合喇叭的脊曲线，实现最大限度的加宽脊的厚度；馈电探针为两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头(8)，两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源的两个极化；将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁(1)边缘，在不影响低频天线口面的基础上，有效减小了高频天线口面场分布的区域；采用较小的喇叭张角，进一步减小了高频口面场的相位差；通过优化介质加载材料的形状和四脊喇叭天线的相对位置，可以使馈源天线的辐射电场尽可能集中在介质区域，起到了展宽波束和稳定相位中心的作用。该介质加载四脊喇叭天线具有体积小，质量轻，低成本的突出优点。

Description

一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源
技术领域
本发明涉及紧缩场馈源的技术领域，具体涉及一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源。
背景技术
随着紧缩场技术的不断发展，紧缩场的低频测量需求不断增强，在低频往往需要相对较宽的测量带宽，从而增加距离向的分辨率，同时提高测试效率。原有的标准波段馈源不能满足紧缩场测量的要求。低频宽带紧缩场馈源成为未来紧缩场系统必备的测量工具。可以作为宽带紧缩场的备选天线有很多，其中脊波导喇叭具有较宽的阻抗带宽，客观上具有作为紧缩场馈源的潜力，但是由于脊波导喇叭波束宽度随着频率的升高而减小，而紧缩场需要馈源有足够宽的波束宽度，因此无法直接应用，必需针对紧缩场对馈源的要求做精细设计。紧缩场对低频馈源的主要要求是方向图在E面H面对称；在对应静区的照射角内，幅度方向图和相位方向图都需要非常平滑，一般来说覆盖1倍频程左右的带宽相对容易实现，但随着频率的升高，传统的优化设计的脊波导喇叭难以保持较宽的波束宽度，脊波导喇叭不可避免的将存在一定的幅度方向图锥削和相位方向图锥削。
1973年，John L.Kerr研制出了短轴长超宽带脊喇叭，用作电磁兼容测量的馈源。采用了两个不同尺寸的脊喇叭覆盖了0.2-2GHz和1-12GHz两个频段，并在这两个频段中都取得了极为理想的性能。其中1-12GHz的喇叭轴向尺寸为6inch，口面尺寸为9.5*5.44inch；整个频带内的增益都在5dB-13dB范围内，其中低频段稍低；交叉极化比在-40dB以下；驻波比在大部分频带内小于2:1；E面方向图保持在40°左右，H面方向图保持在40°左右。0.2-2GHz喇叭的主要尺寸是1-12GHz天线尺寸以5:1的比例放大得到的，但两者在激励段脊波导上存在区别，0.2GHz-2GHz喇叭的轴向尺寸为37inch，口面尺寸为37.5*27.2inch，重量为10kg左右。该类天线为单极化天线无法实现双极化，实现双极化必须采用四脊波导喇叭。另外该类天线的波束宽度较小且随着频率升高而减小，会引起幅度方向图锥削和相位方向图锥削，不能作为紧缩场馈源。
2005年，M.Botello-Perez等人在文献中对Kerr的模型进行了更为详细的介绍，并进行了较为精确的计算机仿真分析。文献中提出了一些激励段脊波导的尺寸设计公式，对脊曲线进行了有益的修改，并给出了仿真结果。同时，详细的分析了激励探针的位置、探针的尺寸和它的插入深度对驻波性能的影响，并给出了相应的曲线。但是与大多数脊喇叭的文献相同，对脊波导喇叭的波束宽度以及幅度方向图锥削和相位方向图锥削没有做严格的控制，不能够用来作为紧缩场馈源。
因此，设计一种新型的低频倍频程宽波束天线，满足紧缩场对馈源的要求是有实际意义的。
发明内容
本发明提出了一种新型的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，该馈源具有体积小，质量轻，低成本，高性能的突出优点。
本发明采用的技术方案为：一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，包括一个特定尺寸的喇叭壁，四个采用特定脊曲线的脊，一个后腔，一个短路板，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头和一个采用三段复合的介质加载器；介质加载四脊喇叭天线的特定尺寸的喇叭壁、后腔和短路板依次连接构成喇叭天线，四个采用特定脊曲线的脊分别安装在喇叭壁的四个壁上，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头依次穿过后腔和四个采用特定脊曲线的脊中的一个，电缆馈电接头的外导体与后腔和穿过的脊电气连接，电缆馈电接头的内导体与对面的脊电气连接，采用三段复合的介质加载器位于整个喇叭的口面附近与四个采用特定脊曲线的脊插接在一起。
其中，所述的介质加载四脊喇叭天线中，喇叭壁为方锥形，长度在228～253mm之间，口面宽度在161～179mm之间，喇叭壁张角在7.9°～8.8°之间，后腔宽度在114～126mm之间，高度在32.3～35.7mm之间。
其中，所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊波导脊的厚度在13～15mm之间，喇叭脊波导部分两脊的间距在4.4～4.8mm之间，四脊波导的四个脊在相互靠近位置处采用60°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线匹配，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头距离短路板的距离分别为45mm和47mm。
其中，所述的介质加载四脊喇叭天线中，采用三段复合的介质加载器采用圆锥，圆柱和半球三段式结构；圆锥顶端距离喇叭口面距离为130mm，圆锥底面与圆柱底面的直径相同，均取90～110mm之间，圆柱上端面与半球直径相同，均为90～110mm；采用三段复合的介质加载器采用聚四氟乙烯材料，介电常数为2.08；采用三段复合的介质加载器插入脊片，干涉部分切割采用三段复合的介质加载器。
其中，所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊喇叭的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁位置，指数曲线方程为y＝2.3*e0.015*(x-55)-0.028*(x-55)。
其中，所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊喇叭的脊距离短路板靠近脊一侧的平面的距离为34mm；脊喇叭的脊后采用导电胶连接脊喇叭天线后腔，实现脊与后腔的良好电接触。
其中，所述的天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金。
本发明的原理在于：
本发明是一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，如图4所示，3dB波束宽度在51°～81°之间。改进型介质加载喇叭天线采用特定长度和口面尺寸的方喇叭使整个天线在工作频带内E面和H面方向图基本等化。脊波导部分配合喇叭的脊曲线，实现最大限度的加宽脊的厚度，加大脊间距，一方面保证四脊波导的单模传输，一方面最大限度的方便加工制造。馈电探针采用两个SMA接头连接的半刚同轴电缆电接头，电缆直径小于7mm，两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源的两个极化。在设计中引入复合形介质加载器，减小了馈源天线的口面尺寸，有利于展宽高频馈源天线的辐射方向图。将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁(1)位置，在不影响低频天线口面的基础上，有效减小了高频天线口面场分布的区域，有利于展宽了高频馈源天线的波束宽度。喇叭壁(1)张角较小，为7.9°～8.8°之间，在满足倍频程带宽的条件下，有利于减小高频口面场的相位差。通过优化介质加载器的形状和四脊喇叭天线的相对位置，可以使馈源天线的辐射电场尽可能集中在介质区域，起到了展宽波束宽度和稳定相位中心的作用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明结合紧缩场对于馈源天线的要求引入了采用三段复合的介质加载器(13)减小了馈源天线的口面尺寸，展宽了四脊喇叭天线的工作频带，将高频辐射电场集中在介质区域，避免了高频方向图出现的幅度锥削和相位锥削等问题。
(2)、本发明将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁(1)位置，同时喇叭取较小的张角，这些都有效减小了高频天线口面场分布的区域，使口面场相位分布更均匀，展宽了波束宽度。
(3)、本发明通过在馈源天线设计中引入四脊喇叭方案，实现了在1～2GHz频率范围内的双极化低驻波工作，大大提高了测试效率。
附图说明
图1为本发明一种基于介质加载的宽波束紧缩场馈源的结构竖向剖面示意图；
图2为本发明一种基于介质加载的宽波束紧缩场馈源的结构横向剖面示意图；
图3为三段复合的介质加载器结构示意图；
图4为垂直极化电场面、磁场面及水平极化电场面、磁场面3dB波束宽度示意图，其中，图4(a)为垂直极化电场面、磁场面3dB波束宽度示意图，图4(b)为水平极化电场面、磁场面3dB波束宽度示意图；
其中图中的附图标记含义为：1为喇叭壁，2、3、4、5分别为第一脊、第二脊、第三脊，第四脊，6为后腔，7为短路板，8为两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头，9、10、11、12分别为第一螺钉、第二螺钉、第三螺钉、第四螺钉，13为采用三段复合的介质加载器，13a为介质加载器圆锥段，13b为介质加载器圆柱段，13c为介质加载器半球段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
本发明根据四脊喇叭天线具有良好的阻抗带宽，较好的波束宽度，通过对脊波导喇叭的口面尺寸，轴向长度，脊波导厚度，脊间距，脊曲线，脊波导尺寸，脊与后腔距离等关键尺寸的设计使设计后的脊波导喇叭在两个垂直极化下能够取得尽可能宽的阻抗带宽，然后引入聚四氟乙烯加载。加入聚四氟乙烯后，脊波导喇叭的低频截止频率进一步降低，通过合理设计聚四氟乙烯的插入位置可以在不过分恶化四脊喇叭的阻抗特性基础上，将高频辐射电场集中在介质结构内，从而使四脊波导喇叭的口面相位分布更均匀，展宽波束宽度，优化介质加载器的结构，使口面相位分布更均匀，从而稳定了相位中心并展宽了波束宽度，此外应尽可能的减小由介质加载器到空气段过渡可能引入的强反射。
根据上述发明的构思，本发明采用如下技术方案：
如图1-3所示，首先基本确定四脊喇叭天线的口面尺寸和长度，口面尺寸主要由最低频率决定，传统的四脊喇叭口面需大于最低工作频率的一半，对应0.9GHz，口面选择应大于167mm，对应天线的长度应根据最优喇叭设计的原则，同时兼顾口面相位差尽可能小，喇叭长度选择为口面尺寸的1.3～1.5倍，喇叭壁1张角选择在7.9°～8.8°之间。
根据BALANIS提出的磁场积分方程方法，选定脊波导主模TE10单模工作频带范围为1GHz～6GHz，确定四脊波导的厚度和脊波导间距分别为13～15mm和4.4～4.8mm。此处提前考虑了介质加载后喇叭天线的介质频率会进一步降低。四脊波导的第一脊2、第二脊3、第三脊4以及第四脊5在相互靠近位置处采用60°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线匹配。对第一脊2、第二脊3、第三脊4以及第四脊5的切角也是结构设计的需要，四个脊之间不能相互干涉，采用了大于45°切角有利于保证在第一脊2、第二脊3、第三脊4以及第四脊5最靠近位置处有较大缝隙。对两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头8距离短路板7的距离做优化设计，以最大程度地降低驻波比，优化后的尺寸分别为45mm和47mm。
脊波导喇叭脊曲线部分一般采用：
y＝a*eR*x-b*x
作为基本曲线，其中R主要是决定脊曲线的张开速度，R越大，张开速度越快，相应天线轴长越短，R越小，张开速度越慢，天线轴长越长。一般来说R越大，由传输线到自由空间波阻抗变换越快，反射越大，但是考虑到作为馈源天线需要有稳定的相位中心，所以不能选择过大的天线轴长，因此R需要在反射不太大的条件下尽可能大，本发明的一个优选实施例选定R在0.015。a,b可最终由喇叭口面尺寸和脊波导尺寸确定。
在实际工程中天线加工存在一定误差，在设计中需要给出相应的加工容差，由于加工误差存在，脊喇叭的四个脊与后腔6很难保证良好的电接触，仿真和实验均证明，如果脊喇叭的四个脊与后腔6没有良好的电接触将对脊喇叭的驻波产生很大影响。因此在设计中加入导电胶连接脊喇叭的脊和脊喇叭天线后腔6，实现脊与后腔6的良好电接触。另外，脊喇叭的脊与喇叭壁1之间的电连接由第一螺钉9和第二螺钉10保证。
后腔6尺寸设计主要基于四脊波导喇叭的驻波优化，本发明的一个优选实施例中后腔6宽度为120mm，高度为34mm，后腔6距离脊波导脊后端的距离为34mm。馈电探针为两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头8，电缆直径小于7mm，两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源的两个极化。
改进型四脊喇叭天线的加工可以采用铝，铜等导电良好的金属，作为一个优选实施例，采用硬铝作为加工材料。
为了克服四脊波导喇叭在高频段出现幅度方向图锥削和相位方向图锥削等问题，引入了聚四氟乙烯进行加载。采用三段复合的介质加载器13包含介质加载器圆锥段13a，介质加载器圆柱段13b和介质加载器半球段13c三段式结构。圆锥顶端距离喇叭口面距离为130mm，介质加载器圆锥段13a底面与介质加载器圆柱段13b底面的直径相同，均取90～110mm之间，介质加载器半球段13c直径与介质加载器圆柱段13b上端面直径相同，均为90～110mm。采用三段复合的介质加载器13采用聚四氟乙烯材料，介电常数为2.08。采用三段复合的介质加载器13插入脊，干涉部分切割采用三段复合的介质加载器13。介质加载器结构如图3所示，介质加载四脊喇叭天线结构如图1所示。
通过将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁1位置，同时喇叭取较小的张角，这些都有效的减小了高频天线口面场分布的区域，使口面场相位分布更均匀，有利于稳定相心和展宽波束宽度。
图4结果由CST 15.0电磁仿真软件得到，图中英文是自动生成的，其中，横坐标表示频率，单位是GHz，纵坐标表示3dB波束宽度，单位是度，图例中“Gain(IEEE)，Phi＝0.0，Angular Width xdB”表示水平面下IEEE定义的增益的3dB波束宽度，“Gain(IEEE)，Phi＝90，Angular Width xdB”表示垂直面下IEEE定义的增益的3dB波束宽度。其中，图4(a)为垂直极化水平面、垂直面3dB波束宽度示意图，图4(b)为水平极化水平面、垂直面3dB波束宽度示意图。
本发明涉及的一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，该馈源既可以作为紧缩场的发射馈源也可以作为紧缩场的接收馈源。主要用于紧缩场的常规测试，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，该馈源的介质加载的低频倍频程宽波束天线也可以用作普通反射面天线馈源，电子侦察、电子干扰以及探地雷达等宽带无线电设备的终端天线以及宽带通信的基站天线。

Claims (7)

1.一种基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：包括一个特定尺寸的喇叭壁(1)，四个采用特定脊曲线的脊，一个后腔(6)，一个短路板(7)，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头(8)和一个采用三段复合的介质加载器(13)；介质加载四脊喇叭天线的特定尺寸的喇叭壁(1)、后腔(6)和短路板(7)依次连接构成喇叭天线，四个采用特定脊曲线的脊分别安装在喇叭壁(1)的四个壁上，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头(8)依次穿过后腔(6)和四个采用特定脊曲线的脊中的一个，电缆馈电接头的外导体与后腔(6)和穿过的脊电气连接，电缆馈电接头的内导体与对面的脊电气连接，采用三段复合的介质加载器(13)位于整个喇叭的口面附近与四个采用特定脊曲线的脊插接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的介质加载四脊喇叭天线中，喇叭壁(1)为方锥形，长度在228～253mm之间，口面宽度在161～179mm之间，喇叭壁(1)张角在7.9°～8.8°之间，后腔(6)宽度在114～126mm之间，高度在32.3～35.7mm之间。
3.根据权利要求1所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊波导脊的厚度在13～15mm之间，喇叭脊波导部分两脊的间距在4.4～4.8mm之间，四脊波导的四个脊在相互靠近位置处采用60°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线匹配，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头(8)距离短路板(7)的距离分别为45mm和47mm。
4.根据权利要求1所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的介质加载四脊喇叭天线中，采用三段复合的介质加载器(13)采用圆锥，圆柱和半球三段式结构；圆锥顶端距离喇叭口面距离为130mm，圆锥底面与圆柱底面的直径相同，均取90～110mm之间，圆柱上端面与半球直径相同，均为90～110mm；采用三段复合的介质加载器(13)采用聚四氟乙烯材料，介电常数为2.08；采用三段复合的介质加载器(13)插入脊片，干涉部分切割采用三段复合的介质加载器(13)。
5.根据权利要求1所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊喇叭的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，将脊曲线位于口面位置处的终端位置设置于喇叭口面内部而不是喇叭壁(1)位置，指数曲线方程为y＝2.3*e0.015*(x-55)-0.028*(x-55)。
6.根据权利要求2所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的介质加载四脊喇叭天线中，脊喇叭的脊距离短路板(7)靠近脊一侧的平面的距离为34mm；脊喇叭的脊后采用导电胶连接脊喇叭天线后腔(6)，实现脊与后腔(6)的良好电接触。
7.根据权利要求1所述的基于介质加载的低频倍频程宽波束紧缩场馈源，其特征在于：所述的天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金。
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