CN113065245B - 溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法 - Google Patents

溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，属于反射器天线馈源测量检测技术领域，通过在溅射板馈源的辐射方向引入一半球形反射面，对半球形反射面与溅射板馈源的组合进行近场测量，根据近场测量结果判断溅射板馈源实物是否存在加工误差。以工作于20.5GHz的溅射板抛物面反射器天线为例，进行模拟馈源检测，验证了该测量检测方法的可行性。本发明相对远场测量和直接近场测量，极大地缩小了近场扫描尺寸，且具有易操作，成本低，加工难度小和误差灵敏度高的优点，该方法还可用于测量不同类型的溅射板馈源，为溅射板抛物面反射器天线的批量加工生产提供了有益的指导。

Description

溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法
技术领域
本发明属于反射器天线馈源测量检测技术领域，尤其涉及一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法。
背景技术
雷达系统和卫星通信等领域的飞速发展，对反射面天线的精度提出了越来越高的要求，反射面天线的辐射性能必须靠结构上所能达到的精度来保证，如果反射面、馈源结构上存在误差，就会使天线的辐射性能下降无法使用，因此如何检测反射面、馈源误差对反射面天线的实际生产应用意义重大。检测反射面加工误差常见的方法有机械测量法、经纬仪钢带尺法和激光检测法等方法，馈源因其种类复杂多样一直没有统一的检测方法，本发明主要针对溅射板馈源的检测提出一种新的检测方法。溅射板馈源介质和形状复杂，一直具有批量加工生产不易保证产品性能的缺点，并且由于反射面天线口径大、增益大的特点，室外远场测量难以满足天线精确测量所需要的纯净的电磁环境，室内远场测量难以满足所需要的远场测试距离，而室内近场测量又难以满足所需要的近场扫描面尺寸。由于溅射板馈源后向辐射特性的设计，实际暗室测量中馈电方向与辐射方向一致，导致暗室馈电走线会对测量结果产生较大影响，进而难以对单一的溅射板馈源进行测量检测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，解决了一般室内测量难以满足抛物面反射器天线所需近场扫描尺寸和远场测试距离的问题，极大地提高了溅射板馈源测量检测的便利性和测量效率。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，包括以下步骤：
S1、分析溅射板馈源设计模型，确定溅射板馈源的能量辐射范围；
S2、根据所述能量辐射范围，选取半球形反射面；
S3、仿真分析所述半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合，得到扫描面参考基准近场数据及其对应的参考基准远场数据；
S4、近场测量所述半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合，得到扫描面测量近场数据及其对应的测量远场数据；
S5、对比所述测量近场数据和参考基准近场数据是否一致，若是，则溅射板馈源实物加工无误差，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的检测，否则，进入步骤S6；
S6、综合对比测量近场数据与参考基准近场数据、测量远场数据与参考基准远场数据，根据近场分布和远场增益方向图变化情况，进一步找出误差产生原因，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的测量检测。
进一步地，所述步骤S1中能量辐射范围为能量衰减-10dB对应的张角范围。
再进一步地，所述步骤S1中溅射板馈源包括圆波导以及通过介质透镜材料连接的副反射器；所述圆波导连接有呈半球形的物面反射器。
再进一步地，所述步骤S2中选取半球形反射面的条件包括：所述半球形反射面的口径边缘与溅射板馈源间的张角大于能量衰减-10dB对应的张角。
再进一步地，所述半球形反射面的口径大小为7λ，半张角α为101°，且半球形反射面的口径面与溅射板馈源反射盖板表面在同一高度。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、对所述半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合进行电磁仿真，观察近场观测面边缘电平下降指标，选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置；
S302、根据所述近场扫描面边缘位置，确定近场扫描面尺寸，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长，提取仿真软件中近场扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为参考基准近场数据，远场二维和三维增益方向图作为参考基准远场数据。
再进一步地，所述步骤S4具体为：对所述半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合进行近场测量，选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长；测量扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为测量近场数据，测量所得远场二维和三维增益方向图作为测量远场数据。
本发明的有益效果：
(1)本发明针对工程应用中检测溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的实际困难，通过在溅射板馈源的辐射方向引入一半球形反射面，对半球形反射面与溅射板馈源的组合进行近场测量，根据近场测量结果分析判断溅射板馈源实物是否存在加工误差，解决了一般室内测量难以满足抛物面反射器天线所需近场扫描尺寸和远场测试距离要求的问题，极大地提高了溅射板馈源测量检测的便捷性和测量效率。
(2)本发明中引入半球形反射面的测量结果不仅能反映出馈源加工实物的误差特性，而且近场信息对馈源的加工误差更为敏感，能够更加直观地反映出馈源微小加工误差带来的变化，对溅射板馈源的测量检测效果也更加明显。
(3)本发明以工作于20.5GHz的溅射板抛物面反射器天线为例，进行模拟馈源检测，通过对馈源的尺寸、介质材料及对称结构的轻微改变，模拟了馈源在实际加工过程中可能出现的误差情况。结果表明其对应的近场和远场分布变化可以明显地反映出溅射板馈源实物某一部分存在的加工误差。本发明相对远场测量和直接近场测量具有加工难度小，成本低，易操作和误差灵敏度高的优点，且可用于测量不同类型的溅射板馈源，为溅射板抛物面反射器天线的批量加工生产提供了有益的指导。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本实施例中近场测量示意图。
图3为本实施例中溅射板抛物面反射器天线的基本结构示意图。
图4为本实施例中馈源能量方向图。
图5为本实施例中不同口径深度扫描面的能量衰减对比示意图。
图6为本实施例中不同口径深度远场增益方向图误差灵敏度的对比示意图。
图7为本实施例中半球形反射面与馈源整体结构示意图。
图8为本实施例中抛物面与半球面近场扫描面的能量衰减对比示意图。
图9为本实施例中近场扫描面尺寸对比示意图。
图10为本实施例中介质透镜偏移近场扫描面电场分布对比示意图。
图11为本实施例中介质透镜偏移远场增益方向图对比示意图。
图12为本实施例中介质透镜介电常数改变近场扫描面电场分布对比示意图。
图13为本实施例中介质透镜介电常数改变远场增益方向图对比示意图。
图14为本实施例中透镜半径改变近场扫描面电场分布对比示意图。
图15为本实施例中透镜半径改变远场增益方向图对比示意图。
图16为本实施例中馈源中心轴偏移近场扫描面电场分布对比示意图。
图17为本实施例中馈源中心轴偏移远场增益方向图对比示意图。
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。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其实现方法如下：
S1、确定馈源能量辐射范围：分析溅射板馈源设计模型，确定溅射板馈源的能量辐射范围；
本实施例中，使用电磁仿真软件分析溅射板馈源，了解馈源的主要能量辐射范围(能量衰减-10dB对应的张角范围)。
本实施例中，溅射板馈源包括圆波导以及通过介质透镜材料连接的副反射器；所述圆波导连接有呈半球形的物面反射器。
S2、选取半球形反射面：分析半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合，根据所述能量辐射范围，选取半球形反射面；
本实施例中，选取半球形反射面的条件如下：选取半球形反射面的条件包括：半球形反射面的口径边缘与溅射板馈源间的张角大于能量衰减-10dB对应的张角，半球形反射面中心轴与馈源焦点所在垂线对齐，整体近场扫描面尺寸在5m×5m范围内，且馈源误差能使远场增益方向图发生明显变化。
S3、获取参考数据：对选取的半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合进行电磁仿真，提取仿真软件中近场观测面上辐射近场的幅度和相位信息作为参考基准近场数据，远场二维和三维增益方向图作为参考基准远场数据；
本实施例中，对所述半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合进行电磁仿真，观察近场观测面边缘电平下降指标，选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置，确定近场扫描面尺寸，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长。提取仿真软件中近场扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为参考基准近场数据，远场二维和三维增益方向图作为参考基准远场数据。
S4、获取测量数据：对选取的半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合进行近场测量，测量扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为测量近场数据，测量所得远场二维和三维增益方向图作为测量远场数据；
本实施例中，对所述半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合进行近场测量，近场测量扫描面尺寸和高度应与获取参考数据步骤中扫描面尺寸和高度一致，即选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长，近场测量采样间距小于半波长，得到扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为测量近场数据，对应的远场二维和三维增益方向图作为测量远场数据。
S5、判断馈源加工误差：对比测量近场数据和参考基准近场数据是否一致，若是，则溅射板馈源实物加工无误差，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的测量检测，否则，进入步骤S6；
S6、分析误差产生原因：综合对比测量近场数据与参考基准近场数据、测量远场数据与参考基准远场数据，根据近场分布和远场增益方向图变化情况(如出现非对称结构、分散、缩小和偏移等)，进一步找出误差产生原因，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的测量检测；
本实施例中，如图2所示，天线近场测量是用一个已知的探头，在离开待测天线几个波长(3λ-10λ)的近场区域内某一个表面上进行扫描，测出天线在这一平面上辐射近场的幅度和相位分布随位置变化的关系，应用较严格的模式展开理论求出辐射场，本文所提出的方法基于天线近场测量。测量面尺寸的选择，应保证边缘处的电平已经低得可以忽略，一般应使测量面截断处的场比中心部位的低40dB，并且根据频域平面采样理论和奈奎斯特采样定律，采样平面上可以接受的最大采样间距为半波长。
本实施例中，如图3所示，选取一仿真算例进行模拟馈源检测，对本发明提出的测量检测方法进行验证。图3为溅射板抛物面反射器天线设计模型的基本结构示意图，天线由一个轴对称抛物面反射器和溅射板馈源组成，溅射板馈源又由圆波导、副反射器和圆波导与副反射器间的连接部分组成，连接部分介质透镜材料的相对介电常数εr＝2.2。抛物面反射器口径大小为600mm，工作频率20.5GHz，波长λ＝14.6mm，圆波导采用主模TE11传输。
本实施例中，针对半形球面的选取，如图4所示，半球面的口径和馈源相对于口径面的深度直接影响近场扫描尺寸和对溅射板馈源微小误差的检测灵敏度，由图可以看出偏离中心90°时能量衰减到-10dB以下，说明半球形口径边缘与馈源的半张角大于90°时绝大部分能量可以被照射到反射面上，因此半球形口径边缘与馈源的半张角应大于90°。如图5所示，图5为不同馈源深度扫描面能量衰减的对比，随着馈源深度增大，馈源与反射面口径间的半张角也随着增大，更多的能量会照射到反射面上，由图5可以看出深度增加，近场扫描面所需的尺寸减小，但由图6发现，其远场增益方向图对馈源微小误差的反应灵敏度却有所下降，介质透镜向正y方向偏移0.5mm，深度增加后远场增益方向图对这一微小变化反映并不明显，不利于对溅射板馈源微小误差的检测。因此结合近场扫描尺寸和对溅射板馈源微小误差的检测，最终选取的半球形反射面口径大小7λ(102.2mm)，半张角α＝101°，半球形反射面的口径面与溅射板馈源反射盖板表面在同一高度，如图7所示。
本实施例中，如图8-图9所示，引入半球形反射面对近场测量的优化，如图8所示，图8为溅射板馈源分别搭配口径为600mm的抛物面和口径为102.2mm的半球面在离开口径面5λ(73m)的近场扫描平面上的电平变化图，由图可以看出，为达到近场测量截断误差的要求，抛物面反射面对应的近场扫描尺寸为7m×7m，半球形反射面对应的近场扫描尺寸仅为0.9m×0.9m，极大地减小了近场测量扫描面的尺寸，并且在相同的采样间隔下，由于扫描面尺寸减小，需要记录处理的近场扫描数据也有所减少。实际近场测量中，扫描待测件是很耗时的操作，如果可以大量减少近场扫描的时间，将极大地提高测量效率。目前国内仅有航天504所拥有14m×8m的平面近场扫描系统，其他平面近场扫描系统大多为5m×5m，因此半球面的引入也使得对大口径反射面天线馈源的近场测量检测成为可能，提高了测量检测的便捷性，对比结果如表1所示。
表1
馈源组合 近场扫描尺寸 半波长近场扫面点数
原天线(抛物面反射器) 7m×7m 915849
半球形反射器 0.9m×0.9m(减少98.3％) 15376(减少98.3％)
本实施例中，选取近场测量扫描面距离天线口径面正上方5λ(73mm)，大小为0.9m×0.9m，采样间隔为6mm。模拟馈源在实际加工过程中可能出现的误差情况，分别轻微改变介质透镜材料、尺寸、馈源对称结构和馈源与反射面的对称结构，观察对应的扫描面近场和远场变化。
(1)介质透镜向正y方向偏移0.5mm
如图10和图11所示，可以看出近场y轴正方向电平值明显减少，相应的其远场最大辐射方向会出现轻微偏移，且phi＝90°(H)面远场辐射方向图y轴正方向旁瓣减小，y轴负方向旁瓣和后瓣增大，整体向y轴负方向偏移，最大增益减小。
(2)介质透镜材质变化
如图12和图13所示，由图12可以看出介质透镜相对介电常数增大近场电场分布更加分散，由图13可以看出介质透镜相对介电常数增大远场辐射方向图phi＝0°(E)面旁瓣增大，phi＝90°(H)面旁瓣减小后瓣增大。最大增益相对于原天线均有所下降。
(3)介质透镜半径变化
如图14和图15所示，由图14可以看出随着介质透镜半径的增大近场电场分布会向外发散，由图15可以看出随着介质透镜半径的增大，phi＝90°(H)远场辐射方向图旁瓣逐渐变宽，最大增益基本保持不变。
(4)馈源与半球反射面中心轴未对齐
如图16和图17所示，由图16可以看出近场电场分布向x轴负方向偏移，且不再对称。由图17可以看到phi＝0°(E)面主瓣向x轴负方向偏移，x轴正方向旁瓣和后瓣减小，phi＝0°(H)面整体偏向x轴负方向，phi＝90°(H)面旁瓣和后向辐射增大，最大增益减小。
本实施例中，通过对不同误差情况下，扫描面近场分布与远场增益方向图的对比观察，发现其近场分布和远场增益方向图的变化可以对应地反映出溅射板馈源存在的误差，且近场信息对馈源误差更加敏感，能够更直观地反映出馈源微小误差带来的变化，达到了对溅射板馈源测量检测的目的。

Claims (6)

1.一种溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定馈源能量辐射范围：分析溅射板馈源设计模型，确定溅射板馈源的能量辐射范围；
S2、选取半球形反射面：分析半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合，根据所述能量辐射范围，选取半球形反射面；
S3、获取参考数据：对选取的半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合进行电磁仿真，提取仿真软件中近场观测面上辐射近场的幅度和相位信息作为参考基准近场数据，远场二维和三维增益方向图作为参考基准远场数据；
S4、获取测量数据：对选取的半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合进行近场测量，测量扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为测量近场数据，测量所得远场二维和三维增益方向图作为测量远场数据；
S5、判断馈源加工误差：对比测量近场数据和参考基准近场数据是否一致，若是，则溅射板馈源实物加工无误差，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的测量检测，否则，进入步骤S6；
S6、分析误差产生原因：综合对比测量近场数据与参考基准近场数据、测量远场数据与参考基准远场数据，根据近场分布和远场增益方向图变化情况，找出误差产生原因，完成对溅射板抛物面反射器天线馈源加工实物的测量检测。
2.根据权利要求1所述的溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，所述步骤S1中能量辐射范围为能量衰减-10dB对应的张角范围。
3.根据权利要求1所述的溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，所述步骤S2中选取半球形反射面的条件包括：半球形反射面的口径边缘与溅射板馈源间的张角大于能量衰减-10dB对应的张角，半球形反射面中心轴与馈源焦点所在垂线对齐，整体近场扫描面尺寸在5m×5m范围内，且馈源误差能使远场增益方向图发生明显变化。
4.根据权利要求3所述的溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，所述半球形反射面的口径大小为7λ，半张角α为101°，且半球形反射面的口径面与溅射板馈源反射盖板表面在同一高度。
5.根据权利要求1所述的溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、对所述半球形反射面与溅射板馈源设计模型的组合进行电磁仿真，观察近场观测面边缘电平下降指标，选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置；
S302、根据所述近场扫描面边缘位置，确定近场扫描面尺寸，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长，提取仿真软件中近场扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为参考基准近场数据，远场二维和三维增益方向图作为参考基准远场数据。
6.根据权利要求1所述的溅射板抛物面反射器天线馈源加工误差的测量检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
对所述半球形反射面与溅射板馈源加工实物的组合进行近场测量，选取电平下降-40dB位置作为近场扫描面边缘位置，扫描面高度距离天线口径面3-10个波长；测量扫描面上辐射近场的幅度和相位信息作为测量近场数据，测量所得远场二维和三维增益方向图作为测量远场数据。
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