CN109755750B - 一种宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，包括一个脊喇叭天线以及与天线一体化的正交模式变换器；其中，正交模式变换器配合连接喇叭天线的四侧脊(1)，并由正交模式变换器中间的匹配棱台(2)延伸出喇叭天线的中心脊(3)。这样的结构可使喇叭天线的四侧脊(1)形成的环向场分量得到有效抑制，从而优化整个馈源天线的交叉极化性能，并且使得高频部分的电场产生了相位锥削，可进一步提升高频的波束宽度。此外，脊喇叭天线正常向外辐射带有锥削的端口有一段垂直向外延伸的扩展口面(4)，起到了良好的低频驻波匹配作用。正交模式变换器的输入端可接馈电波导，也可接波导同轴转换后由同轴电缆馈电，其中馈电波导可以是矩形截面或者椭圆截面。

Description

一种宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源

技术领域

本发明涉及宽带紧缩场馈源的技术领域，具体涉及一种宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源。

背景技术

随着紧缩场技术的不断发展，紧缩场系统测试效率被不断提高，不论是扫频测量还是点频测量的速度都得到了极大提升，因此，原有的标准波段馈源不能满足紧缩场测量的要求。宽带紧缩场馈源成为未来紧缩场系统必备的测量工具。脊喇叭天线作为超宽带紧缩场的备选天线之一，具有较宽的阻抗带宽，客观上具有作为紧缩场馈源的潜力，但是由于脊喇叭天线方向图性能随着频率的变化变化较大，且交叉极化比性能普遍较差，但部分紧缩场(例如前馈卡塞格伦紧缩场)对馈源的交叉极化性能要求很高，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。

针对脊喇叭天线方向图性能的优化，许多宽带反射面天线通过在脊喇叭天线中间闲置的空间中加载介质棒料，对方向图进行调控。在低频部分，天线辐射性能较大程度取决于喇叭天线的脊曲线，而在高频部分，天线辐射性能则在较大程度上取决于介质棒料的设计与介质材料自身的介电常数；其中针对脊喇叭天线交叉极化性能的优化，有部分工作是通过在天线口面开槽在一定程度上改进该性能。但是在实物测试中，若垂直于喇叭天线四面内壁的脊片之间没有对齐，或是介质棒的安装位置出现偏差，交叉极化的测试结果会出现较大的恶化，此时口面的波纹槽改进效果基本没有体现。这说明了脊片的加工精度、介质棒的安装精度会对于天线的交叉极化性能产生明显的影响。而天线工作频带越往高频拓展，对机械加工的精度要求就越高。此时使用3D打印等先进制造技术对天线进行加工，对稳定脊喇叭天线方向图性能起了一定的保障作用，而且通过此等技术，天线工作带宽向高频拓展的能力又有了进一步提升。使用正交模式变换器馈电则对提高天线的隔离度与交叉极化性能有着显著作用。

因此，设计一种加脊正交模式变换器馈电的超宽带双极化馈源，对提高紧缩场馈源的测试效率是有实际意义的。

发明内容

本发明提出了一种新型的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，该滤有结构紧凑，质量轻便，制造工艺先进，高性能等突出优点。

本发明采用的技术方案为：一种基于宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，包括一个脊喇叭天线以及与天线一体化的正交模式变换器；正交模式变换器配合连接脊喇叭天线的四侧脊，并由正交模式变换器中间的匹配棱台延伸出喇叭天线的中心脊；脊喇叭天线的四个采用特定曲线的四侧脊分别垂直安装在喇叭壁的内壁上；喇叭天线正常向外辐射的锥削端面，即包含了喇叭壁与四侧脊两者的端口截面，有一段垂直向外延伸的扩展口面；加脊正交模式变换器，主要通过单脊，即包含了脊喇叭天线与正交模式变换器两者四侧脊的单个脊片与匹配棱台、波导内壁形成的窄缝对脊喇叭天线馈电，并与喇叭天线中心脊与四侧脊之间的缝隙对齐，正交模式变换器的波导截面可以是矩形或椭圆形；正交模式变换器经过耦合网络后固定为双脊波导，可以通过双脊馈源波导馈电。

其中，所述的加正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，呈喇叭状向外辐射的喇叭壁可成方锥形或是圆台形，此处以方锥为例，高度在0.62λ～0.64λ之间，口面宽度在0.35λ～0.38λ之间，壁厚度在1.5～2.5mm之间。

其中，所述的加正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，四侧脊的厚度在0.05λ～0.053λ之间，脊在喇叭天线底部与正交模式变换器交界面处的起始长度在0.12λ～0.123λ之间，喇叭天线的四侧脊与正交模式变换器的四侧脊对齐连接。

其中，所述的加正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，喇叭天线的中心脊主要由两片正交的脊片构成主干，在两脊片顶部的重合面上载有一段小棱台，用于阻抗匹配；脊片的厚度在0.05λ～0.056λ之间，高度在0.56λ～0.6λ之间，其起始长度于喇叭天线底部与正交模式变换器交界面处在0.03λ～0.036λ之间，顶部的小棱台，其底面口径长度与脊片的起始长度相同在0.03λ～0.036λ之间，高度在0.046λ～0.053λ之间，从棱台顶部到棱台底部锥削在7.5°～8.5°之间。

其中，所述的加正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，喇叭天线垂直向外延伸的扩展口面是通过从喇叭天线正常向外辐射的锥削端面(即包含喇叭壁与四侧脊两者的端口截面)向外延伸形成，延伸高度在0.046λ～0.053λ之间，不仅起到降低喇叭天线全频段驻波的作用，尤其是在低频的效果十分明显，还尽量保持了天线在高频的波束宽度。

其中，所述的加正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，脊喇叭天线的四侧脊轮廓曲线按照固定的指数曲线渐变，指数曲线方程为y＝a1×e^(k*(x))+b1×(x)；构成中心脊的脊片轮廓曲线则分为两段，分别由底部的一次函数曲线y＝a2+b2×(x)与顶部的样条函数曲线组合而成，样条函数曲线由三点确立，起始点为一次函数曲线的顶点，截止点为中心脊两脊片顶部重合面上小棱台的端点，样条函数曲线中间的插值点由中心脊的最大锥削决定。

其中，所述的加脊正交模式变换器中，位于中心的匹配棱台与周围的四侧脊构成的窄缝，主要对脊喇叭天线进行馈电，同时获得良好的匹配；匹配棱台的底面直径在0.22λ～0.23λ之间，与四侧脊构成的窄缝宽度在0.0088λ～0.0089λ之间；加脊正交模式变换器经由折叠枝节连接椭圆截面的单脊波导，有效节省了在XoY平面上占有的空间，单脊波导中的脊与波导内壁形成的窄缝宽度在0.0073λ～0.008λ之间。

其中，所述的加脊正交模式变换器中，每两个相对的单脊椭圆截面波导，经过耦合网络后可以通过双脊馈源波导馈电，也可以先使用双脊同轴波导转换后，再通过同轴电缆馈电。

其中，所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源中，正交模式变换器与脊喇叭天线一体化的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。

本发明的原理在于：

本发明是一种宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，通过充分利用正交模式变换器中心匹配棱台延伸的中心脊与喇叭天线垂直于喇叭壁内壁的四侧脊之间的缝隙，将辐射出的电场主要集中于缝隙中，从而抑制脊喇叭天线由于四侧脊而带来的环向场分量，使得脊喇叭天线的交叉极化性能提高。并且中心脊与天线口面之间的高频电场的等相位面产生了锥削从而提升天线的波束宽度。而且通过设计中心脊的轮廓可以用于天线方向图的调整和驻波的匹配。此外为进一步降低天线在低频的驻波，天线的四侧脊与喇叭壁口面垂直向外延伸形成了拓展口面。宽带加脊正交模式变换器通过单脊与匹配棱台之间的窄缝获得良好的匹配，后经耦合网络连接两路正交的双脊馈电波导，分别对应馈源的两个极化。整个馈源采用正交模式变换器与喇叭天线一体化的设计，采用3D打印技术制造，可以避免如介质棒料的安装对准等问题，在一定程度上降低了馈源加工与装配的难度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明解决了脊喇叭天线普遍存在的交叉极化性能较差的问题，将辐射出的场集中于中心脊与四侧脊之间的缝隙中，天线阻抗匹配的难度也可通过优化中心脊轮廓得到一定程度的降低。

(2)、本发明将采用3D打印技术制造上述馈电器件与喇叭天线一体化馈源，由于避免了脊片、介质棒的安装对准等问题，使得馈源加工与装配的难度降低。

附图说明

图1为本发明一种正交模式变换器与喇叭天线一体化的双极化馈源结构示意图；

图2为天线中心脊结构示意图；

图3为双极化馈源的三维模型图；

图中的附图标记含义为：1为四侧脊，2为匹配棱台，3为中心脊，4为拓展口面，5为喇叭壁，6窄缝，7为折叠枝节，3a为中心脊脊片底部一次函数渐变段，3b为中心脊脊片顶部样条函数渐变段，3c为中心脊顶部的小棱台段。

具体实施方式

本发明构思如下：由于脊喇叭天线引入了中心脊3，可使得天线的交叉极化比降低，通过改变中心脊3与四侧脊1的曲线轮廓与两者之间缝隙的距离，可同时获得良好的阻抗宽带与较低的交叉极化比，而且中心脊3使得高频部分的电场产生了相位锥削可进一步提升高频的波束宽度。调整天线拓展口面4的高度，进一步降低低频部分的驻波且同时在保持高频部分的波束宽度。通过调整加脊正交模式变换器中单脊与匹配棱台2、波导内壁形成的窄缝6对脊喇叭天线馈电，并在两个垂直极化下能够取得带宽尽可能宽的良好阻抗匹配。加脊正交模式变换器经过耦合网络后加载双脊馈源波导，或者是接波导同轴转换后由同轴电缆馈电。

根据上述的发明构思，本发明采用如下技术方案：

首先根据设计指标，确定馈源的工作带宽，然后根据选定频段对应的截止频率设计加脊正交模式变换器中的匹配棱台2尺寸、单脊与波导构成的截面尺寸，去调整单脊与匹配棱台2、波导内壁形成的窄缝6宽度与单脊与波导构成的截面波阻抗，经过优化后获得良好的宽带匹配。设定工作频带在2～6G Hz，加脊正交模式变换器中单脊波导中的脊与波导内壁形成的窄缝6宽度在1.1～1.2mm之间，脊与匹配棱台2构成的窄隙6宽度在1.33～1.34mm之间；加脊正交模式变换器经由折叠枝节7连接椭圆截面的单脊波导，有效节省了在XoY平面上占有的空间。匹配棱台2的底面直径在33.5～34.5mm之间，如图1所示。

然后根据加脊正交模式变换器端口的口径、脊长度确定了脊喇叭天线的起始口径与脊长度，天线端口的口面尺寸和脊高度主要由最低频率决定，传统的四脊喇叭天线口面需大于最低工作频率的一半，对应2GHz口面选择应大于75mm，但是由于中心脊3的存在扩大了口面的等效尺寸，故实际口面尺寸可适当缩小在50～60mm之间。对应天线的高度应根据最优喇叭天线设计的原则，同时兼顾口面相位差尽可能小，喇叭天线高度选择为口面尺寸的1.6～1.7倍之间，此时喇叭壁5锥削在7.5°～8°之间。

再根据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2GHz～6GHz，已知四侧脊1在喇叭天线底部与正交模式变换器交界面处的起始长度在18～18.5mm之间，加上已知的天线起始口径，可以得到四侧脊1在喇叭天线起始口面处的间距，从而可以用来确定四侧脊1每个单脊的厚度在7.5～8mm之间。

脊喇叭天线的四侧脊1曲线部分采用：

y＝6.6×e^(0.0153(x))+0.075×(x)

构成中心脊3的脊片轮廓曲线分为两段，如图2所示，3a为中心脊脊片底部一次函数渐变段，3b为中心脊脊片顶部样条函数渐变段，3c为中心脊顶部的小棱台段，为了在中低频部分能够得到良好的阻抗匹配，中心脊3底部采用一次函数曲线：

y＝5.065+0.178×(x)

与四侧脊1在底部构成的缝隙较小，且缝隙宽度渐变较慢；

而中心脊3的脊片顶部采用样条函数曲线，样条函数曲线由三点确立，起始点为一次函数曲线的顶点，截止点为中心脊3两脊片顶部重合面上小棱台的端点，样条函数曲线中间的插值点由中心脊3的最大锥削决定。此时中心脊3与四侧脊1在顶部构成的缝隙宽度渐变大，把集中于缝隙的电场辐射出去。

最后调整天线拓展口面的高度在7～8mm之间，用来扩大低频电场耦合后的等效口面尺寸，进一步降低低频部分的驻波，而高频部分的波束宽度由于等效口面的变化不大而基本保持不变。

正交模式变换器与喇叭天线一体化的馈源，如图3所示，采用3D打印技术制造，由于避免了脊片、介质棒的安装对准等问题，使得馈源加工与装配的难度降低。馈源的加工材料可以采用铝，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。

本发明涉及的一种宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，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，这种馈电器件与喇叭天线一体化的馈源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超宽带无线电设备的终端天线以及超宽带通信的基站天线。

Claims (8)

1.一种基于宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：四脊喇叭天线与加脊正交模式变换器一体化，四脊喇叭天线与加脊正交模式变换器之间通过配合两者的四侧脊(1)与口面轮廓直接连接，加脊正交模式变换器中间的匹配棱台(2)，以四脊喇叭天线与加脊正交模式变换器的交界面为基准，延伸出喇叭天线的中心脊(3)；四脊喇叭天线的四个采用特定曲线的四侧脊(1)分别垂直安装在喇叭壁(5)的内壁上；四脊喇叭天线正常向外辐射的锥削端面，即包含了喇叭壁(5)与四侧脊(1)两者的端口截面，有一段垂直向外延伸的扩展口面(4)；加脊正交模式变换器，通过单脊，即包含了四脊喇叭天线与正交模式变换器两者四侧脊(1)的单个脊片与匹配棱台(2)在喇叭壁(5)的波导内壁形成的窄缝(6)对脊喇叭天线馈电，并与喇叭天线的中心脊(3)与四侧脊(1)之间的缝隙对齐，正交模式变换器的波导截面是矩形或椭圆形；正交模式变换器经过耦合网络后固定为双脊波导，通过双脊馈源波导馈电；

所述的加脊正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，脊喇叭天线的四侧脊(1)轮廓曲线按照固定的指数曲线渐变，指数曲线方程为y＝a1*e^(k*(x))+b1*(x)；构成中心脊(3)的脊片轮廓曲线则分为两段，分别由底部的一次函数曲线y＝a2+b2*(x)与顶部的样条函数曲线组合而成，样条函数曲线由三点确立，起始点为一次函数曲线的顶点，截止点为中心脊(3)两脊片顶部重合面上小棱台的端点，样条函数曲线中间的插值点由中心脊(3)的最大锥削决定。

2.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，呈喇叭状向外辐射的喇叭壁(5)成方锥形或是圆台形，方锥高度在0.62λ～0.64λ之间，口面宽度在0.35λ～0.38λ之间，壁厚度在1.5～2.5mm之间，λ代指馈源工作频带上对应的截止频率。

3.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，四侧脊(1)的厚度在0.05λ～0.053λ之间，脊在喇叭天线底部与正交模式变换器交界面处的起始长度在0.12λ～0.123λ之间，喇叭天线的四侧脊(1)与正交模式变换器的四侧脊(1)对齐连接。

4.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，喇叭天线的中心脊(3)由两片正交的脊片构成主干，在两脊片顶部的重合面上载有一段小棱台；脊片的厚度在0.05λ～0.056λ之间，高度在0.56λ～0.6λ之间，其起始长度于喇叭天线底部与正交模式变换器交界面处在0.03λ～0.036λ之间，顶部的小棱台，其底面口径长度与脊片的起始长度相同在0.03λ～0.036λ之间，高度在0.046λ～0.053λ之间，从棱台顶部到棱台底部锥削在7.5°～8.5°之间。

5.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器馈电的脊喇叭天线中，喇叭天线垂直向外延伸的扩展口面(4)，是通过从喇叭天线正常向外辐射的锥削端面，即包含喇叭壁(5)与四侧脊(1)两者的端口截面向外延伸形成，延伸高度在0.046λ～0.053λ之间。

6.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器中，由位于中心的匹配棱台(2)与周围的四侧脊(1)构成的窄缝(6)，对脊喇叭天线进行馈电，同时获得良好的匹配；匹配棱台(2)的底面直径在0.22λ～0.23λ之间，与四侧脊(1)构成的窄缝(6)宽度在0.0088λ～0.0089λ之间；加脊正交模式变换器经由折叠枝节(7)连接椭圆截面的单脊波导，有效节省了在XoY平面上占有的空间，其中单脊波导中脊与波导内壁形成的窄缝(6)宽度在0.0073λ～0.008λ之间。

7.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器中，每两个相对的椭圆截面的单脊波导，经过耦合网络后通过双脊馈源波导馈电，或者先使用双脊同轴波导转换后，再通过同轴电缆馈电。

8.根据权利要求1所述的宽带加脊正交模式变换器馈电的双极化馈源，其特征在于：所述的加脊正交模式变换器与脊喇叭天线一体化的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。

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