CN112909537A - 近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，包括喇叭馈源与天线阵列，所述喇叭馈源的口径面与天线阵列面平行，且喇叭馈源口径中心与天线阵列中心在一条直线上，所述天线阵列包括介质基板以及设置在介质基板上的阵列单元，所述阵列单元包括单元结构E_I和单元结构E_II，单元结构E_I和单元结构E_II的排布满足透射波的传输相位将电磁波聚焦到近场细条状区域。本发明可以实现近场天线聚焦波束与烟火药燃烧火焰匹配，相比于远场天线，具有对准容易、聚焦能量密度高等优点。

Description

近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线
技术领域
本发明属于微波辐射测量技术，具体为一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线。
背景技术
随着现代信息技术的发展，制导武器已越来越多地采用抗干扰能力强的微波制导武器。为对抗这种新型军事威胁，微波诱饵材料技术迅速兴起，并逐渐成为一种有效制衡微波制导武器的手段，为利用廉价高效的特种弹药实施信息化条件作战的电子对抗提供了更加有力的保障。
其中，诱饵的微波辐射能力是研究诱饵烟火药的配方和功能添加剂设计的重要参数。在研发阶段，小剂量药剂燃烧时，燃烧火焰面积较小且呈细条状，辐射能量较弱。为提高烟火药燃烧微波辐射能力测试精度，测试天线接收的微波辐射能量应主要来燃烧火焰，并避免火焰外的环境对测试带来的影响。
通常，天线一般选择工作在其辐射远场区。为实现天线接收主要来自燃烧火焰的辐射能量，天线主波束聚焦面积应与火焰面积匹配。较小的火焰面积要求天线的主波束窄、天线口径大，在满足远场工作条件时，天线与火焰之间的距离远，对天线与目标之间的对准提出了很高要求。对于远场聚焦天线，通常在天线孔径上采用均匀的相位分布实现远场区域的聚焦，而近场聚焦天线则利用相位补偿实现在近场区域聚焦。在近距离观测时，近场聚焦天线比远场聚焦天线具有更高的近场能量密度，同时测试天线与目标对准比较容易。
专利一种基于平面口径阵列的高效率近场聚焦天线(CN201811105447.X)提出了一种四层的近场聚焦天线，实现了近场聚焦，但是其聚焦区域为较小的圆形焦点，无法准确匹配覆盖细条状的烟火药燃烧火焰，进而影响烟火药燃烧微波辐射能力的测试精度。
发明内容
本发明提出了一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线。
实现本发明的技术解决方案为：一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，包括喇叭馈源与天线阵列，所述喇叭馈源的口径面与天线阵列面平行，且喇叭馈源口径中心与天线阵列中心在一条直线上，所述天线阵列包括介质基板以及设置在介质基板上的阵列单元，所述阵列单元包括单元结构E_I和单元结构E_II，单元结构E_I和单元结构E_II的排布满足透射波的传输相位将电磁波聚焦到近场细条状区域。
优选地，所述单元结构E_I包括第一金属方形边框以及设置在第一金属方形边框内的第一正方形金属贴片，所述第一正方形金属贴片中间剖掉了十字形金属片；所述单元结构E_I镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_I通过设置在十字架中心四个直角的四个空心金属过孔连通。
优选地，所述单元结构E_I的第一正方形金属贴片边长在设定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
优选地，所述第一金属方形边框、第一正方形金属贴片的材料均为PEC，厚度均为0.035mm。
优选地，所述单元结构E_II包括第二金属方形边框以及设置在第二金属方形边框内的第二正方形金属贴片，所述第二金属贴片对角线开槽且中间剖掉了十字形金属片，所述单元结构E_II镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_II通过设置在十字架中心四个直角上的四个空心金属过孔相连。
优选地，所述单元结构E_II的第二正方形金属贴片边长在设定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
优选地，所述第二金属方形边框、第二正方形金属贴片的材料均为PEC，厚度均为0.035mm。
优选地，所述单元结构E_I的空心金属过孔直径为0.45mm。
优选地，单元结构E_II的空心金属过孔的直径为0.3mm。
优选地，所述单元E_II的金属贴片开槽的槽宽为0.6mm，槽底距离介质基板两对角线交点为3mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明可实现天线近场聚焦，相比于远场天线，具有对准容易、聚焦能量密度高等优点；2)本发明可实现细条状的天线近场聚焦形状，与小剂量烟火药燃烧火焰形状匹配，具有更高的烟火药燃烧微波辐射测试精度。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的喇叭馈源的结构示意图。
图2是本发明的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线结构示意图。
图3是本发明的单元结构E_I的单元结构的示意图。
图4是本发明的单元结构E_II的单元结构的示意图。
图5是本发明的单元结构E_I在10GHz时透射系数与透射相位曲线。
图6是本发明的单元结构E_II在10GHz时透射系数与透射相位曲线。
图7是本发明的单元结构E_I和单元结构E_II实现的相位连接覆盖范围曲线。
图8是本发明的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线在10GHz时焦平面z＝180mm上的电场强度分布图。
图9是本发明的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线在10GHz时沿着xoz平面和xoy平面的交线处的归一化电场强度分布图。
具体实施方式
一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，包括喇叭馈源与天线阵列，所述喇叭馈源的口径面与天线阵列面平行，且喇叭馈源口径中心与天线阵列中心在一条直线上。所述天线阵列包括介质基板以及设置在介质基板上的阵列单元，所述阵列单元包括单元结构E_I和单元结构E_II，单元结构E_I和单元结构E_II的排布满足其透射波的传输相位将电磁波聚焦到近场细条状区域，测试时待测烟火药需放置在聚焦区域内。在某些实施例中，馈源口径面与天线阵列面之间的距离由天线阵列尺寸及焦径比参数决定。
进一步的实施例中，所述单元结构E_I包括第一金属方形边框、设置在第一金属方形边框内的第一正方形金属贴片。所述第一正方形金属贴片中间剖掉了十字形金属片；所述单元结构E_I镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_I通过设置在十字架中心四个直角的四个空心金属过孔连通。所述单元结构E_I的第一正方形金属贴片边长l1在一定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
所述单元结构E_II包括第二金属方形边框以及设置在第二金属方形边框内的第二正方形金属贴片，所述第二金属贴片对角线开槽且中间剖掉了十字形金属片。所述单元结构E_II镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_II通过设置在十字架中心四个直角上的四个空心金属过孔相连，所述单元结构E_II的第二正方形金属贴片边长l2在一定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
优选地，所述第一金属方形边框、第二金属方形边框、第一正方形金属贴片、第二正方形金属贴片的材料均为PEC，厚度均为0.035mm。
进一步的实施例中，所述第一金属方形边框、第二金属方形边框宽度为0.1mm，且距离单元边缘的距离为0.1mm。
进一步的实施例中，所述单元结构E_I的空心金属过孔直径为0.45mm，单元结构E_II的空心金属过孔的直径为0.3mm。
进一步的实施例中，所述单元E_II的金属贴片开槽的槽宽为0.6mm，槽底距离介质基板两对角线交点为3mm。
优选地，所述介质基板材料为RT5880，厚度为3mm，周期为15mm。
如图1所示，所述喇叭馈源包括依次连接的圆形喇叭3、过渡段2、矩形波导1，所述喇叭馈源材料为铜。
实际测试时，烟火药燃烧微波辐射能力测试接收机与喇叭馈源相连接，喇叭馈源的口径面与天线阵列面平行，且喇叭馈源口径中心与阵列中心在一条直线上，焦径比根据实际需求调节。馈源的口径中心正对天线阵列中心，馈源的口径随着馈源与阵列的焦径比的改变而变化，待测物置于天线阵列的另一侧，正对阵列中心。
实施例
如图2所示，本实施例的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线由400个阵列单元周期性排列而成。本实施例的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线按照调节单元结构E_I和单元结构E_II金属十字尺寸的方式，使天线的聚焦区域为细条状。
如图3所示，本实施例中，所述单元结构E_I包括第一金属方形边框、设置在第一金属方形边框内的第一正方形金属贴片。所述第一正方形金属贴片中间剖掉了十字形金属片；所述单元结构E_I镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_I通过设置在十字架中心四个直角的四个空心金属过孔连通。十字架的宽度w1＝0.5*l1-2.5mm，长度b1＝l1-0.6mm；金属方形边框宽度t＝0.1mm，距离单元边沿的距离e＝0.1mm；空心金属过孔的直径d1＝0.45mm。
如图4所示，本实施例中，所述单元结构E_II包括第二金属方形边框以及设置在第二金属方形边框内的第二正方形金属贴片，所述第二金属贴片对角线开槽且中间剖掉了十字形金属片。所述单元结构E_II镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_II通过设置在十字架中心四个直角上的四个空心金属过孔相连。十字架的宽度w2＝0.5l2-2.5mm，长度b2＝l2-0.6mm；金属方形边框宽度t＝0.1mm，距离单元边沿的距离e＝0.1mm；空心金属过孔的直径d2＝0.3mm；金属贴片开槽的槽宽k＝0.6mm，槽底到介质基板两对角线交点的距离m＝3mm。
本实施例中，圆形喇叭3的口径R1＝52mm，与过渡段2的连接处的半径R2＝22mm，矩形波导1的长度l1＝30mm，过渡段2的长度l2＝60mm，圆形喇叭3的长度l3＝60mm。
具体地，所述矩形波导1为WR90标准波导。
本实施例中，馈源的口径中心距离天线阵列中心300mm，焦径比为1:1，待测物距离天线阵列中心180mm。
如图5所示，本实施例中，在频率为10GHz处，单元结构E_I的第一正方形金属贴片边长l1从8.1mm到14mm变化时，幅度传输系数均大于-3dB，传输相位从347°变化到80°，相位变化范围为267°。
如图6所示，本实施例中，在频率为10GHz处，单元结构E_II的第二正方形金属贴片边长l2从6.4mm到8.7mm变化时，幅度传输系数均大于-3dB，传输相位从108°变化到-69°，相位变化范围为177°。
如图7所示，在都满足传输系数大于-3dB的情况下，单元结构E_I和单元结构E_II的相位变化范围衔接良好，提供的总相移覆盖-69°～347°，其覆盖范围大于400°。
图8给出了10GHz时焦平面z＝180mm上的电场强度分布。
如图9所示，天线在10GHz时xoz平面与xoy平面相交处的归一化电场强度在x＝111～189mm这一范围内大于-3dB，近场聚焦的直线区域长度约为78mm，副瓣约为-9.3dB。
仿真结果表明，近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线不仅可克服传统远场聚焦天线难以对准目标、聚焦区域能量密度低的缺点，还可克服现有近场聚焦天线聚焦范围有限、难以准确匹配覆盖细条状的烟火药燃烧火焰的缺点，满足烟火药燃烧微波辐射能力测试系统对天线的需求。

Claims (10)

1.一种近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，包括喇叭馈源与天线阵列，所述喇叭馈源的口径面与天线阵列面平行，且喇叭馈源口径中心与天线阵列中心在一条直线上，所述天线阵列包括介质基板以及设置在介质基板上的阵列单元，所述阵列单元包括单元结构E_I和单元结构E_II，单元结构E_I和单元结构E_II的排布满足透射波的传输相位将电磁波聚焦到近场细条状区域。
2.根据权利要求1所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元结构E_I包括第一金属方形边框以及设置在第一金属方形边框内的第一正方形金属贴片，所述第一正方形金属贴片中间剖掉了十字形金属片；所述单元结构E_I镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_I通过设置在十字架中心四个直角的四个空心金属过孔连通。
3.根据权利要求2所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元结构E_I的第一正方形金属贴片边长在设定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
4.根据权利要求2所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述第一金属方形边框、第一正方形金属贴片的材料均为PEC，厚度均为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元结构E_II包括第二金属方形边框以及设置在第二金属方形边框内的第二正方形金属贴片，所述第二金属贴片对角线开槽且中间剖掉了十字形金属片，所述单元结构E_II镀在介质基板上下两个表面，且上下两层单元结构E_II通过设置在十字架中心四个直角上的四个空心金属过孔相连。
6.根据权利要求5所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元结构E_II的第二正方形金属贴片边长在设定范围内变化时，传输相位单调递减，且幅度传输系数均大于-3dB。
7.根据权利要求5所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述第二金属方形边框、第二正方形金属贴片的材料均为PEC，厚度均为0.035mm。
8.根据权利要求1所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元结构E_I的空心金属过孔直径为0.45mm。
9.根据权利要求1所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，单元结构E_II的空心金属过孔的直径为0.3mm。
10.根据权利要求1所述的近场烟火药燃烧微波辐射能力测试天线，其特征在于，所述单元E_II的金属贴片开槽的槽宽为0.6mm，槽底距离介质基板两对角线交点为3mm。
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