CN108287272A - 一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，包括反射器和照射器；反射器与转接背板连接；转接背板固定于定位安装支架上；反射器的外围为高斯曲线拟合的赋形破坏锥边缘，反射器的外围四个边角与相邻赋形破坏锥边缘位于同一直线上；照射器通过照射器支架与四轴滑台连接；四轴滑台固定于照射器安装支架上；照射器包括输入端连接法兰；输入端连接法兰一端开设有输入波导口；输入端连接法兰另一端设有矩形波导段；靠近所述矩形波导段处设有异形曲面方圆过渡段；异形曲面方圆过渡段通过圆波导段与天线口面连接；天线口面为轴向波纹结构的外圆平面；轴向波纹结构包括两个槽体；两个槽体的圆形表面设有若干波纹。

Description

一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室

技术领域

本发明属于紧缩场天线暗室的技术领域，具体涉及一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室。

背景技术

微波、毫米波及太赫兹波天线测试要求待测天线被均匀平面波所照射，即所谓的远场条件。由于远场距离与天线的口径平方成正比而与工作波长成反比，因此随着天线频率的提高及天线口径(如相控阵天线阵列)的增大，远场区域经常变得极远而在室内条件下是不可实现的。紧缩场天线暗室(以下简称紧缩场)是一种在短距条件下(通常10-20米)形成准平面波的准直装置，紧缩场的关键组成包括方向图高等化性的照射器以及反射器。

反射器和照射器是紧缩场暗室的核心因素。其中，应用要求反射器天线具有宽带、高有效用口径比例、低照射能量溢出、低边缘绕射、低交叉极化、低孔径阻塞及均匀幅相分布等特性。由于电磁波的波长与频率成反比关系，反射器天线的面型精度通常与波长成正比，当天线工作频率达到毫米波甚至太赫兹波段时，对天线面型精度的要求变得极其严格。另一方面，为了提高口径利用率降低边缘绕射，通常需要对天线边缘进行特殊处理(常见的手段为采用三角锥或卷曲边缘的形式)。应用要求照射器在太赫兹频段具有高对称性方向图、低副瓣、低交叉极化等特性。现有的单反射器紧缩场天线暗室主要存在以下问题：

1、可供使用的照射器馈源频段有限，导致整个紧缩场暗室可提供的测试频率有限，常规结构波纹喇叭天线作为照射器时，现有的加工精度无法满足其在太赫兹频段的要求，因此未见覆盖毫米波全频段以及部分太赫兹频段的单反射器紧缩场天线暗室。

2、现有的单反射器紧缩场天线暗室有效静区效率低，在保证带宽的前提下，有效静区面积很难超过反射器天线投影面积的30％。

3、抑制边缘绕射的手段以三角锥或卷曲边缘为主，抑制效果不够理想，影响了反射电磁波的幅相一致性，导致口径效率进一步恶化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，以解决现有紧缩场天线暗室边缘绕射以三角锥或卷曲边缘为主，抑制效果不够理想，影响了反射电磁波的幅相一致性，导致口径效率进一步恶化的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，其包括反射器和照射器；反射器与转接背板连接；转接背板固定于定位安装支架上；反射器的外围为高斯曲线拟合的赋形破坏锥边缘，反射器的外围四个边角与相邻赋形破坏锥边缘位于同一直线上；

照射器通过照射器支架与四轴滑台连接；四轴滑台固定于照射器安装支架上；照射器包括用于与传输线波导法兰固定连接的输入端连接法兰；输入端连接法兰一端开设有用于太赫兹电磁信号输入的输入波导口；输入端连接法兰另一端设有用于导入太赫兹电磁信号的矩形波导段；靠近矩形波导段处设有用于平滑连接所述矩形波导段所在矩形平面和圆波导段所在正圆形平面的异形曲面方圆过渡段；异形曲面方圆过渡段通过圆波导段与天线口面连接；天线口面为轴向波纹结构的外圆平面；轴向波纹结构包括两个槽体；两个槽体的圆形表面设有若干波纹。

优选地，反射器外围的赋形破坏锥边缘和其上的四个边角在照射器透射方向的投影为正方形。

优选地，照射器发射的球面波的相位中心与反射器抛物面的焦点重合。

优选地，定位安装支架和照射器安装支架均固定于地面。

优选地，输入端连接法兰底面为正方形结构，其四个角上对称分布有用于与传输线波导法兰固定连接的通孔。

优选地，输入波导口为矩形开口结构，其开设于输入端连接法兰底面的中心位置。

优选地，输入端连接法兰、输入波导口、矩形波导段、异形曲面方圆过渡段、圆波导段、轴向波纹结构和天线口面均为轴对称结构。

本发明提供的毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，具有以下有益效果：

本发明照射器为轴向开槽波纹喇叭天线，结构简单便于常规精密机械加工手段实现一体化的加工；反射器为赋形破坏锥边缘形式的偏置单抛物面天线，其具有极高的面型精度和刚性，使得天线工作频率上限达到太赫兹水平，工作带宽高达322GHz，本发明采用的赋形破坏锥边缘将边缘绕射水平抑制度提高，从而将口径利用率提升至50％，有效地解决了现有紧缩场天线暗室边缘绕射以三角锥或卷曲边缘为主，抑制效果不够理想，影响了反射电磁波的幅相一致性，导致口径效率进一步恶化的问题。

附图说明

图1为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室的侧视图。

图2为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室反射器安装结构图。

图3为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室的前视图。

图4为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室照射器侧视图。

图5为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室反射器的侧视图。

图6为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室在330GHz下静区空间电场幅值分布图。

图7为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室在330GHz下静区空间电场相位分布图。

图8为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室照射器在0.33THz频率条件下的增益图曲线。

图9为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室照射器在0.22THz频率条件下的增益图曲线。

图10为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室照射器的驻波比曲线。

图11为毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室照射器的S11曲线。

其中，1、反射器；2、定位安装支架；3、转接背板；4、照射器；5、照射器支架；6、四轴滑台；7、照射器安装支架；8、赋形破坏锥边缘；9、边角；41、输入端连接法兰；42、输入波导口；43、矩形波导段；44、异形曲面方圆过渡段；45、圆波导段；46、轴向波纹结构；47、天线口面。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1所示，本方案的毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，包括反射器1和照射器4。

其中，反射器1与转接背板3连接，转接背板3固定于定位安装支架2上，定位安装支架2固定于地面。通过调节转接背板，使照射器4的相位中心位于反射器1的焦点处。

参考图3和图4，反射器1采用单偏置抛物面设计，其外围为高斯曲线拟合形成的赋形破坏锥边缘8，与普通天线的三角破坏锥边缘或卷曲边缘设计相比，赋形破坏锥边缘8可将电磁波边缘绕射水平抑制度提升30％以上，进而改善反射电磁波的幅相均匀性，在同等口径尺寸条件下，本发明的反射器1天线口径利用率从常规天线的30％提升至近50％；或者在同等有效口径条件的要求下，本发明的天线尺寸只是常规天线的三分之二，可以显著降低材料和加工成本。

反射器1外围的四个边角9与相邻赋形破坏锥边缘8位于同一直线上，反射器1外围的赋形破坏锥边缘8和其上的四个边角9在照射器4透射方向的投影为正方形，且照射器4发射的球面波的相位中心与反射器11抛物面的焦点重合。

参考图1，本发明工作在太赫兹频段时，照射器4将输入的射频信号以球面电磁波的形式辐射到空间中，由于照射器4的相位中心位于反射器1所在抛物面的焦点上，球面电磁波经反射器1的反射被转化成平面电磁波并沿垂直于反射器1口径投影面的方向进行传播，在照射器4的后方3米处形成符合设计要求的静区，且其有效静区的最大尺寸为0.9米×0.9米，包括供微波波段(8.0GHz-30.0GHz)、毫米波波段(30.0GHz-300GHz)和太赫兹波段(0.3THz-0.33THz)天线测试的有效静区。

参考图6和图7，分别为本发明在330GHz时在静区形成的空间电场幅值和相位分布及其在平面上的投影。在0.8米×0.8米的中心区域内，幅值变化在±0.3dBV以内，相位变化在±10°以内，均满足电场幅值和相位的变化。

参考图2，反射器1为太赫兹波纹喇叭天线，照射器4通过照射器支架5与四轴滑台6连接，四轴滑台6固定于照射器4安装支架7上，照射器安装支架7固定于地面，可通过调节四轴滑台6间接调节照射器4的位置，使照射器4的位置与反射器1的位置能够完美配合。

参考图5，包括输入端连接法兰41，输入端连接法兰41底面呈正方形状，其四个角上对称分布有用于与传输线波导法兰固定连接的通孔。

输入端连接法兰41一端的中心位置上开设有输入波导口42，输入波导口42为矩形开口结构，用于太赫兹电磁信号的输入。输入端连接法兰41另一端为矩形波导段43，矩形波导段43为长方体结构且横截面与输入波导口42形状相同，用于将太赫兹电磁信号导入圆波导段45。

靠近矩形波导段43处设有异形曲面方圆过渡段44，用于平滑连接矩形波导段43所在的矩形平面和圆波导段45所在的正圆形平面。

异形曲面方圆过渡段44通过圆波导段45与天线口面47连接，天线口面47为轴向波纹结构46的外圆平面。

轴向波纹结构46包括两个槽体，两个槽体的圆形表面设有若干波纹，轴向波纹结构46用于对圆波导段45辐射出的电磁波进行修正。

输入端连接法兰41、输入波导口42、矩形波导段43、异形曲面方圆过渡段44、圆波导段45、轴向波纹结构46和天线口面47均为轴对称结构，利用常规精密机械加工手段实现一体化的加工，加工成本低、成品率高，便于批量生产。

参考图8和图9，为本发明天线在0.33THz和0.22THz频率条件下的增益图曲线，本天线发射和接收0.22THz到0.33THz频率范围内的太赫兹波，拥有高对称性方向图的无副瓣太赫兹波束。

参考图10和图11，本发明天线在±30°照射角度范围内E面和H面最大增益差异仅为0.2dB，天线驻波小于1.3，带内增益最高可达13.0dBi，交叉极化低于-30dBi。

本发明毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室具有超宽带偏置单反射面天线，利用常规精密机械加工手段实现一体化的加工，天线口径面整体尺寸(含赋形破坏锥边缘8)达到2.0m×2.0m，天线口径的面型精度均方误差值≤40μm，与现有同类型天线拥有更宽的工作带宽，能够覆盖8.0GHz-30.0GHz的微波频段和30.0GHz-300GHz的整个毫米波频段以及0.3THz-0.33THz的部分太赫兹波频段，工作带宽高达322GHz。且采用的赋形破坏锥边缘8将边缘绕射水平抑制度提高，从而将口径利用率提升至50％，有效地解决了现有紧缩场天线暗室边缘绕射以三角锥或卷曲边缘为主，抑制效果不够理想，影响了反射电磁波的幅相一致性，导致口径效率进一步恶化的问题。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，其特征在于：包括反射器和照射器；所述反射器与转接背板连接；所述转接背板固定于定位安装支架上；所述反射器的外围为高斯曲线拟合的赋形破坏锥边缘，反射器的外围四个边角与相邻赋形破坏锥边缘位于同一直线上；

所述照射器通过照射器支架与四轴滑台连接；所述四轴滑台固定于照射器安装支架上；所述照射器包括用于与传输线波导法兰固定连接的输入端连接法兰；所述输入端连接法兰一端开设有用于太赫兹电磁信号输入的输入波导口；所述输入端连接法兰另一端设有用于导入太赫兹电磁信号的矩形波导段；靠近所述矩形波导段处设有用于平滑连接所述矩形波导段所在矩形平面和圆波导段所在正圆形平面的异形曲面方圆过渡段；所述异形曲面方圆过渡段通过圆波导段与天线口面连接；所述天线口面为轴向波纹结构的外圆平面；所述轴向波纹结构包括两个槽体；两个所述槽体的圆形表面设有若干波纹。

2.根据权利要求1所述的毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，其特征在于：所述反射器外围的赋形破坏锥边缘和其上的四个边角在照射器透射方向的投影为正方形。

3.根据权利要求1所述的毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，其特征在于：所述照射器发射的球面波的相位中心与反射器抛物面的焦点重合。

4.根据权利要求1所述的毫米波全频段及太赫兹波紧缩场天线暗室，其特征在于：所述定位安装支架和照射器安装支架均固定于地面。

5.根据权利要求1所述的高等化性太赫兹波纹喇叭天线，其特征在于：所述输入端连接法兰底面为正方形结构，其四个角上对称分布有用于与传输线波导法兰固定连接的通孔。

6.根据权利要求1所述的高等化性太赫兹波纹喇叭天线，其特征在于：所述输入波导口为矩形开口结构，其开设于输入端连接法兰底面的中心位置。

7.根据权利要求1所述的高等化性太赫兹波纹喇叭天线，其特征在于：所述输入端连接法兰、输入波导口、矩形波导段、异形曲面方圆过渡段、圆波导段、轴向波纹结构和天线口面均为轴对称结构。