CN109378589B - 一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头及阵列。该宽带双极化低散射探头本身可以作为一种天线，为vivaldi天线，探头的馈电端口为可插接式的巴伦结构，该巴伦结构可以和功分网络电路进行垂直焊接，探头口面采用介质进行加载，缩小了天线口径面积。该探头天线与吸波材料集成组成阵列，吸波材料填充在探头天线之间的间隙中。由于探头与功分网络直接焊接，因此所组成阵列各通道的幅相一致性更高，从而提高近场平面波的模拟质量，同时，采用介质加载的探头天线具有小型化、低散射的优点，这增加了探头天线的布局自由度，而具有高隔离度、低散射特点的探头阵列更适合于在近场内模拟平面波，从而实现近场大口径天线测试。

Description

一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头及 阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头及阵列，宽带双极化低散射探头本身可以作为一种天线使用，其阵列可以做为平面波模拟器在近场测试其他天线设备。

背景技术

平面波模拟器是一种应用于近场的天线测试装置。天线的辐射区域分为近场和远场两个区域，常规的天线测试技术也因此分为近场测试技术和远场测试技术，远场法包括室外远场、室内远场和紧缩场法，而近场测试技术主要以各种近场扫描测试技术为主，其中包括平面近场扫描、球面近场扫描、以及柱面近场扫描等。室外远场的测试方式受外界气象条件的影响较大，天线测试的可重复性较差，但测试设备简单，也更符合天线的实际使用条件。室内远场需要占用较大的场地，因此涉及到较多的基建费用。而紧缩场法由于需要制造和装配精度极高的大型反射面，因此费用也较高。但以上三种远场法都可以使被测天线工作于远场条件，这有利于天线某些射频指标的测试。现有的近场法通常是通过一个或多个探头在被测天线近场区域进行采样，再用后处理的数学方式对数据进行近远场变换，通常具有测试时间长、精度低和测试指标有限的缺点。而平面波模拟器兼具了前面所述的天线测试方式的一些优点。平面波模拟器可以工作于被测天线近场区域，因此占用空间较小，但工作原理仍属于远场测试法的范畴，不需要对测试数据进行后处理的近远场变换。

平面波模拟器的原理类似于紧缩场，都是在近场的一定区域(测试静区)形成准平面波。它需要由多个探头天线按照设计的空间布局进行布阵，组成一个面阵，以这些探头天线为辐射源在静区形成准平面波，每个探头的馈电值都需要由专用的幅相控制器进行配置。而探头天线的配置至关重要，其影响到平面波模拟器的工作带宽、极化方式、阵列布局方式、静区质量等。

平面波模拟器的概念提出的较早，但是真正作为主流的天线测试方式还鲜有报道。德国罗德施瓦茨公司在国内申请的专利CN 107918068A中提到了一种用于在一定距离中产生和/或接收平面波的天线阵列，但并未对阵列单元做详细的描述。而罗德施瓦茨公司推出的产品所使用的是一种单极化的探头天线及阵列，这限制了测试系统的测试能力。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种适用于不同布阵需求的近场平面波模拟器探头及阵列设计，实现了宽频段、双极化及低散射的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头，探头采用双极化馈电，整个探头与馈电电路板垂直，探头馈电探针与馈电电路板垂直交叉连接安装，探头口面尺寸在最低工作频率的0.3～0.6倍波长之间，探头总长度在最低工作频率的0.5～2倍波长之间，探头采用旋转对称的介质段对辐射口面进行加载。

其中，探头介质段可为圆柱形、长方体形、圆锥形、圆台形，或者为上述形式的组合，介质加载段覆盖探头口面主要区域，直径为探头口面尺寸的50％～100％之间，介质加载段的总长度为探头长度的60％～100％，该探头带宽达到1倍频程。

其中，在探头的馈电端引出两根平行双导线作为馈电探针，平行双导线中的一根通过过孔结构垂直插接于馈电电路板网络中，并通过焊接的方式将平行双导线与馈电电路板网络连接并固定，此平行双导线结构可为微带线、圆形导线。

其中，通过将两个电小尺寸的单极化vivaldi天线十字交叉来实现探头双极化馈电，每个单极化vivaldi天线包括介质板、指数渐变槽线、扇形微带短截线、槽线谐振腔、馈电微带线；指数渐变槽线的开口宽度为最低工作频率所对应波长的0.3～0.6倍，最窄处为最高介质频率对应波长的1％～2％。

其中，双极化vivaldi天线的主体刻蚀在PCB板上或者采用金属切割工艺，金属可为铜、铁、锌、锡、金、银常用金属材料或上述材料的合金。

其中，单个探头的增益在整个工作频带内在3dBi～10dBi之间。

一种宽带双极化低散射探头天线阵列，该天线阵列由探头天线、双极化功分网络和吸波材料组成，探头天线主体部分埋藏于吸波材料中，吸波材料可以为平板吸波材料或角锥吸波材料，吸波材料通过粘贴方式包裹在探头天线侧面，探头口面高于吸波材料的高度在0.05～0.2倍波长之间，通过吸波材料加载实现整个探头的低散射，并同时提高探头单元之间的隔离度；

双极化功分网络连接在探头天线的后端，通过焊接的方式将探头天线馈电端口与双极化功分网络连接在一起，功分器从总输入端到达各个支路探头的电长度是相同的，从而保证各路探头的馈电值一致。

本发明原理在于：通过在天线口面加载介质，拓宽了同样口径下的天线工作的截止频率，即在同一个天线尺寸下，天线可以传播更低频率的电磁波，因此在同样使用频率下，采用介质加载的天线具有更小的尺寸。天线的散射有结构项和模式项组成，天线的尺寸越小，表面截获的感应电流也越少，这减少了天线的结构项，而由于加载了介质，天线的增益可以得到有效的控制，减小天线增益可以减小天线的模式项，从而获得低散射的探头天线。探头天线小型化后在同样的单元间距下，相互之间由于距离更远、衰减更大，因此互耦会有所降低。而在探头天线间同时增加吸波材料也会吸收抑制探头天线间结构件上的感应电流，从而增加通道之间的隔离度。天线与双极化功分网络之间使用插接并焊接的形式进行连接具有更高的可靠性，连接部位一次焊接成型，不会由于移动或重复拆卸而松动，从而保证了通道间的幅相一致性。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明给出的探头天线组成阵列后，由于频段宽，可以应用于更宽频段的天线测试。

2、本发明给出的探头天线组成阵列后，由于为双极化馈电，可以很方便地对天线的不同极化状态进行测量。

3、本发明给出的探头天线由于结构较紧凑，可以增加组阵的自由度。

4、本发明给出的探头阵列由于散射低，因此可以有效抑制被测天线与平面波模拟器之间的多次反射，从而提升静区质量，提高天线测试精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为现有技术的宽带双极化低散射探头排列成阵列的结构示意图；

图2为宽带双极化低散射探头一个立体图；

图3为宽带双极化低散射探头阵列侧视图；

图4为宽带双极化低散射探头馈电探针平行双导线结构示意图；

图5为宽带双极化低散射探头馈电双极化功分网络示意图；

图中：1为探头天线，2为吸波材料，3为双极化功分网络，11为介质，11a为探头口面尺寸，11b为探头总长度，12为介质板，13为指数渐变槽线，14为扇形微带短截线，15为槽线谐振腔，16为馈电探针平行双导线，31为馈电电路板，32为介质层，33为接地板，161为馈电探针平行双导线一，162为馈电探针平行双导线二，311为合路端口，312为支路端口一，313为支路端口二，314为支路端口三，315为支路端口四。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图2、3、4，宽带双极化低散射探头天线单元由两个单极化vivaldi天线和加载介质组成。单极化的vivaldi天线采用“十字”交叉的形式进行拼接，将其中一个单极化天线沿轴线从馈电侧向辐射口面开槽，而另一个单极化天线沿轴线从辐射口面向馈电侧开槽，由于单极化天线的微带线将横穿轴线，因此两个天线的微带线在轴线方向须设计为不同的位置，然后将两个单极化天线插接为一个“十字”型。每个单极化vivaldi天线包括介质板12、指数渐变槽线13、扇形微带短截线14、槽线谐振腔15、馈电探针平行双导线16。通常指数渐变槽线13的开口宽度为最低工作频率所对应波长的1.3倍左右，最窄处为最高介质频率对应波长的2％，渐变结构将槽线的阻抗与自由空间阻抗进行匹配。扇形微带短截线14带有一定的角度并替代传统的四分之一波长微带线，使得微带线可以在更大的频段上保持开路状态，同时可以使微带线上的电磁波能量更好的耦合到槽线上，而其等效长度的经验值约为四分之一波导波长。槽线末端的环形结构为槽线谐振腔15，它使得槽线在更宽的频段实现短路效应，通常直径也相当于四分之一波导波长。为了避免在天线和馈电网络之间使用SMA等转接装置，采用馈电探针平行双导线16对探头与双极化功分网络进行连接。馈电探针平行双导线一161将导体带与功分器导体带相连接，馈电探针平行双导线二162通过馈电电路板上的通孔垂直穿过馈电电路板上的接地板33和介质层32，并与馈电电路板31上的导体带插接，并焊接固定。平行双导线162将探头的接地板与馈电电路板上的接地板连接，并焊接固定，探头天线末端与馈电电路板之间保留一定间隙。双极化的vivaldi天线通过介质11进行加载，介质11为旋转对称结构，可为圆柱形、长方体形、圆锥形、圆台形等形式，或者为上述形式的组合，介质加载段覆盖探头口面主要区域，直径为探头口面尺寸的50％～100％之间，介质加载段的总长度为探头长度的60％～100％。探头口面尺寸11a为最低工作频率的0.3～0.6倍波长，探头总长度11b在最低工作频率的0.5～2倍波长之间。加载介质可通过切割的方式分为四个部分，使用粘接的方式固定在双极化探头的板材外壁上。加载介质拓宽了同样口径下的天线工作的截止频率，因此采用介质加载的天线具有更小的尺寸。天线的尺寸越小，表面截获的感应电流也越少，这减少了天线的结构项，而由于加载了介质，天线的增益可以得到有效的控制，减小天线增益可以减小天线的模式项，从而获得低散射的探头天线。

参考图1、3、5，探头天线可以以图1的形式排列为阵列形式，阵列组成包括探头天线1、吸波材料2、双极化功分网络3。吸波材料2填充包裹在探头1的周围，如图3所示，整个探头主体部分埋藏于吸波材料中，探头口面高于吸波材料的高度在0.05～0.2倍波长之间，即吸波材料高度2a为0.45～1.8倍波长之间。吸波材料2的表面形状可为平面、尖锥、波浪等形状。在探头天线间增加吸波材料会吸收抑制探头天线间结构件上的感应电流，从而增加通道之间的隔离度。如图5所示，由于探头天线为双极化天线，因此每个极化的探头有一个馈电网络，本阵列有两个独立的功分网络实现双极化馈电。以其中一个馈电网络为例，端口311为功分网络的合路端口，312、313、314、315为四个支路端口，分别为支路端口一、支路端口二、支路端口三、支路端口四，支路端口一311到四个支路端口的电场度等长，从而保证各支路输入/输出信号的一致性。支路端口一311连接SMA头并与后端设备通过射频电缆进行连接，而各支路端口与垂直插接的平行双导线进行焊接。另一个极化的功分网络与上述的馈电网络一致，不再赘述。

应用本天线的一个实例：4个宽带双极化低散射探头天线通过双极化功分馈电网络组合成一个一维线阵，该线阵作为平面波模拟器的一个子阵使用，根据平面波模拟器优化算法得到的布局参数，灵活地使用此线阵组合成更大的阵面，从而在近场区域形成准平面波。探头天线的垂直极化和水平极化分别通过水平放置和垂直放置的两个线极化vivaldi天线实现。探头的最低工作频率为f,工作波长为λ，不失一般性，此例的所有器件的尺寸对最低工作波长λ归一化为电长度。vivaldi天线的长度为0.53，口面宽度为0.35，加载探头的介质选用聚四氟乙烯，天线口面加载的介质突出部位为半球结构，半球的半径为0.175，而环绕覆盖天线的介质采用100％全覆盖的形式，因此为柱状结构，该介质圆柱半径也为0.175，通过介质的加载，探头天线实现了小型化。在探头及其加载介质的外环再填充吸波材料，吸波材料从探头底部开始填充，填充高度为0.33。探头天线通过柱状平行双导线与功分网络连接，平行双导线金属柱的直径为0.004。双极化功分网络采用微带线结构，总输入端到达各个支路馈电端口的电长度保持相同。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种宽带双极化低散射探头和阵列进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头，其特征在于：整个探头与功分网络馈电电路板垂直，探头馈电探针与馈电电路板垂直交叉连接安装，探头口面尺寸在最低工作频率的0.3~0.6倍波长之间，探头总长度在最低工作频率的0.5~2倍波长之间，探头采用旋转对称的介质段对辐射口面进行加载；

探头介质段为圆柱形、长方体形、圆锥形、圆台形，或者为上述形式的组合；

通过将两个电小尺寸的单极化vivaldi天线十字交叉来实现探头双极化馈电，每个单极化vivaldi天线包括介质板、指数渐变槽线、扇形微带短截线、槽线谐振腔、馈电微带线；指数渐变槽线的开口宽度为最低工作频率所对应波长的0.3~0.6倍，最窄处为最高介质频率对应波长的1%~2%；

单个探头的增益在整个工作频带内在3dBi~10dBi之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头，其特征在于：在探头的馈电端引出两根平行双导线作为馈电探针，平行双导线中的一根通过过孔结构垂直插接于馈电电路板网络中，并通过焊接的方式将平行双导线与馈电电路板网络连接并固定，此平行双导线结构为微带线、圆形导线。

3.根据权利要求1所述的一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头，其特征在于：双极化vivaldi天线的主体刻蚀在PCB板上或者采用金属切割工艺，金属为铜、铁、锌、锡、金、银常用金属材料或上述材料的合金。

4.一种适用于近场平面波模拟器的宽带双极化低散射探头天线阵列，其特征在于：包括如权利要求1~3所述的宽带双极化低散射探头，还包括双极化功分网络和吸波材料组成，探头主体部分埋藏于吸波材料中，吸波材料为平板吸波材料或角锥吸波材料，吸波材料通过粘贴方式包裹在探头侧面，探头口面高于吸波材料的高度在0.05~0.2倍波长之间，通过吸波材料加载实现整个探头的低散射，并同时提高探头单元之间的隔离度；

双极化功分网络连接在探头的后端，通过焊接的方式将探头馈电端口与双极化功分网络连接在一起，功分器从总输入端到达各个支路探头的电长度是相同的，从而保证各路探头的馈电值一致。

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