CN113075463B - 一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头，所述微分探头由两个极化与尺寸完全相同且并排放置的同类单极化点源探头构成，其输出由一特定的合成网络进行反相等幅合成。当利用微分探头在特定平面上对聚焦天线的艾里斑进行扫描测量时，对得到的测量曲线在零陷附近计算其最大斜率值。基于此最大斜率值与艾里斑3dB直径之间的对应关系，可获得被测毫米波聚焦天线在此平面上的艾里斑3dB直径尺寸。利用微分探头不同的构造方式，可测量不同极化方向、不同扫描方向上的艾里斑3dB直径尺寸。本发明的微分探头构造简单，应用灵活，为毫米波聚焦天线艾里斑的测量提供了一种高精度的测量手段。

Description

一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头

技术领域

本发明涉及微波器件设计与微波测量领域，尤其涉及一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头。

背景技术

对毫米波聚焦天线艾里斑的测量通常采用尺寸极小的探头对测量平面上的功率进行逐点扫描测量，从艾里斑的中心，功率由最大值下降3dB时的聚焦圆环直径即为艾里斑3dB直径。在实际工程应用中，喇叭天线或波导口常被用来作为测量探头。然而，随着被测天线聚焦波束逐渐变窄，在测量平面上所形成的艾里斑直径越来越小，喇叭天线或波导口尺寸已经可以与被测的艾里斑直径相比拟，此时再用喇叭天线或波导口作为探头测量艾里斑直径会造成显著的测量误差。而通过将波导口尺寸做小用于测量则存在工作频带窄、探头加工精度要求高等问题。因此，迫切需要设计一种尺寸更小，并且结构简单、方便调节的探头。

在微波频段，缝隙天线或缝隙波导可作为小尺寸探头使用，但其工作频带较窄，并且受限于缝隙天线或波导的设计，探头的尺寸和极化方向相对固定，在实际应用中受到很大的限制。本发明的微分探头利用两个并排放置的单极化点源探头构成，通过改变单极化点源探头的摆放方式，可实现对不同极化方向的天线的测量。这种设计方法的优点在于该探头结构简单可调，工作带宽取决于所使用的单极化点源探头，可达到极宽的带宽，而且采用该微分探头对窄波束聚焦天线艾里斑的测量精度高，在目前已报道的文献中还没有见到类似的设计。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有小尺寸探头实现的困难和对聚焦天线艾里斑高精度测量技术的不足，提供一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头，该微分探头结构简单，仅利用普通的微波器件即可实现。同时，微分探头的尺寸可根据不同的测量需求自由调节，具有很强的通用性。

本发明技术解决方案：一种用于毫米波聚焦天线测量的微分探头，所述探头由两个极化、尺寸完全相同且并排放置的同类单极化点源探头构成，所述探头输出由能够实现反相等幅合成功能的合成网络(如魔T网络，两路信号由差臂输入，E面接头输出)进行反相等幅合成。两单极化点源探头固定在支架上，点源探头之间的距离可精确调节，由支架上的刻度尺读出。

本发明还提出了一种利用所发明微分探头测量毫米波聚焦天线艾里斑3dB直径的方法。该方法的具体实施步骤如下：

步骤1，在被测天线前方测量平面上放置所述微分探头，使所述微分探头正对被测天线，所述微分探头的极化方向与被测天线的极化方向一致，调节被测天线与所述微分探头的功率相适配；

步骤2，根据被测天线口径、工作频率和测量距离，预估被测天线在测量平面上艾里斑3dB直径的大小，调节组成微分探头的两个单极化点源探头口面之间的间距，使两个单极化点源探头口面之间的间距小于预估的艾里斑3dB直径；

步骤3，采用微分探头沿过艾里斑中心的直线进行功率扫描测量，获得系统响应曲线。当被测毫米波聚焦天线为发射天线时，系统响应曲线为微分探头的接收机测得的曲线；当被测毫米波聚焦天线为接收天线时，系统响应曲线为聚焦天线的接收机测得的曲线；

步骤4，计算系统响应曲线零陷位置附近的最大斜率；

步骤5，将系统响应曲线零陷附近的最大斜率代入与艾里斑3dB直径的对应关系，得到被测天线在测量平面上的艾里斑3dB直径；所述对应关系是系统响应曲线零陷附近的最大斜率与艾里斑3dB直径之间存在的一一对应关系，该对应关系由仿真获得。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明的微分探头构造简单，组成部件均为普通微波器件，成本低，易于实现。

(2)现有技术通常采用单个波导口或喇叭口作为点源探头进行测量，相比于被测毫米波聚焦天线的艾里斑3dB直径，探头的尺寸偏大，测量精度低。本发明的微分探头利用两个极化、尺寸完全相同的并排放置的单极化点源探头，在两点源探头口面之间形成一个宽度极窄的阶跃电场分布，可实现对艾里斑3dB直径的精确测量。仿真结果表明，与直接采用波导口测量相比，微分探头的测量精度可提高约一个数量级。

(3)采用单个波导口测量艾里斑3dB直径时，为了获得较高的测量精度，波导口的窄边应与测量方向一致。当极化方向与测量方向垂直时，波导探头中的电场极化方向垂直于窄边，为高次模，难以有效激励。而利用本发明的微分探头，在测量方向构造出近似阶跃的场分布来测量艾里斑3dB直径则易于实现(见图2第二种构造方式，以水平极化波导测量垂直方向的艾里斑3dB直径)。

附图说明

图1为本发明的微分探头结构及其应用示意图；

图2表示实施例中由波导口构成的微分探头的两种形式；

图3a表示第一种方式构造的微分探头沿水平方向的口面场强分布；

图3b表示聚焦天线在测量平面上的接收或发射归一化功率方向图；

图3c表示归一化系统响应及其斜率；

图4表示水平方向艾里斑3dB直径与系统响应最大斜率的关系，以及垂直方向艾里斑3dB直径与系统响应最大斜率的关系；

图5表示第二种方式构造的微分探头沿垂直方向的口面电场强度分布。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对所发明的微分探头及其在毫米波聚焦天线的艾里斑3dB直径测量中的应用方法进行举例说明。

如图1所示，本发明的微分探头由两个极化、尺寸完全相同且并排放置的同类单极化点源探头构成，两个单极化点源探头固定在支架上，由传输线连接至等幅反相合成网络，最终与接收机或信号源相连。

作为构造尺寸可调点源的一个实施例，可采用以下具体的实施方式：采用两级级联的Ka波段(32～36GHz)放大器作为信号源，放大器的输入、输出均为WR28标准波导形式。放大器输入端口连接波导匹配负载，产生宽带噪声信号，输出信号功率为-40dBm。放大器的输出端口连接波导可调衰减器，用于调节频率源辐射信号的功率，衰减器的输出通过一段波导与魔T网络的差臂相连，产生两路等幅反相的信号，从魔T网络相对的两个端口输出，分别通过两根等长的稳幅稳相软波导馈入两个辐射单元的输入口。辐射单元用标准WR28矩形波导构成，口面尺寸为3.56mm×7.12mm，两波导口的宽边靠紧，口面之间的波导壁为无辐射缝隙。波导安装在支架上，可沿水平方向移动，由此实现微分探头的精确调节，两波导口面之间的缝隙宽度可从刻度尺读出。波导安装时，需保持波导口面处于同一平面上，波导口朝向被测天线。针对水平极化的接收天线，两波导口的电场极化方向也应沿水平方向，同时两波导口的电场保持等幅反向，由此形成的微分探头如图2中的左图所示。将两个波导口的窄边靠近，仍保持口面电场等幅反向，构成另一种构造方式的微分探头，如图2中的右图所示。利用这两种形式的点源，可分别实现对水平方向和垂直方向的艾里斑3dB直径的测量。

首先，以第一种构造方式的微分探头对水平方向的艾里斑3dB直径进行测试为例，通过仿真说明其具体的实施步骤，过程如下：

步骤1，在仿真中设置坐标间隔为0.1mm，采用标准WR28矩形波导，口面宽度设置为3.56mm，根据目前精度可保证的且易于加工的机加工水平，波导口面之间的壁厚设置为0.5mm，微分探头的归一化场强分布如图3a所示。

步骤2，构造一个特定接收平面上的沿水平方向的功率方向图，如图3b所示，艾里斑3dB直径是指功率方向图中幅度等于最大值一半的主瓣宽度，用d_h表示。设置艾里斑3dB直径d_h1～d_h7分别为3mm～9mm，间隔为1mm。

步骤3，接收天线沿水平方向对波导口面上的功率进行测量，系统响应为接收天线的电场方向图与微分探头电场分布的卷积模的平方，并对最大值归一化，如图3c中的虚线所示。归一化的系统响应曲线上相邻两点之间纵坐标之差与横坐标之差的比为斜率，系统响应斜率曲线如图3c中的实线所示。以系统响应零陷附近的最大正斜率位置(点A)为中心，在1mm范围内取11个点的平均斜率定义为系统响应最大斜率，用k_h表示。可以得到不同的艾里斑3dB直径d_h1～d_h7对应的系统响应最大斜率k_h1～k_h7。

步骤4，以k_h1～k_h7为横坐标，以d_h1～d_h7为纵坐标作图，得到艾里斑3dB直径与系统响应最大斜率的对应关系，如图4所示。可以看到，当艾里斑3dB直径大于等于3mm时，d_h和k_h具有一一对应的关系。为了便于计算，对应关系可用二次多项式拟合：d_h＝37.39×k_h ²-46.62×k_h+17.57，拟合相对误差小于4.5％。

步骤5，任取一个艾里斑3dB直径为3.180mm，利用构造的微分探头进行测量，测得的系统响应最大斜率为0.571mm，代入步骤4给出的对应关系，计算得到艾里斑3dB直径为3.140mm，与真值的相对误差为0.8％。

然后，仿真说明采用第二种构造方式的微分探头对垂直方向的艾里斑3dB直径进行测量的具体实施步骤，过程如下：

步骤1，仿真坐标间隔设置为0.1mm，同样采用标准WR28标准矩形波导，波导口面宽度为7.12mm，波导口面间距设置为0.5mm，在波导口面内归一化电场强度为正弦分布，波导口面之外电场强度为零，沿垂直方向微分探头的归一化电场强度分布如图5所示。

步骤2，构造一个特定接收平面上的沿垂直方向的功率方向图，与图3b相比，艾里斑3dB直径相同，仅将水平方向改为垂直方向。垂直方向的艾里斑3dB直径用d_v表示，设置艾里斑3dB直径d_v1～d_v5分别为5mm～9mm，间隔为1mm。

步骤3，接收天线沿垂直方向对波导口面上的功率进行测量，得到具有不同的艾里斑3dB直径的天线的系统响应，并计算出d_v1～d_v5对应的系统响应最大斜率k_v1～k_v5。

步骤4，以k_v1～k_v5为横坐标，以d_v1～d_v5为纵坐标作图，得到艾里斑3dB直径与系统响应最大斜率的对应关系，如图4所示。可以看到，当艾里斑3dB直径大于5mm时，d_v和k_v具有一一对应的关系。为了便于计算，对应关系可用二次多项式拟合：d_v＝78.16×k_v ²-73.94×k_v+21.71，拟合相对误差小于1％。

步骤5，任取一个艾里斑3dB直径为8.860mm，利用构造的微分探头进行测量，测得的系统响应最大斜率为0.230mm，代入步骤4给出的对应关系，计算得到艾里斑3dB直径为8.854mm，与真值的相对误差为0.1％。

最后，通过仿真与传统的测量方法进行比较，直接采用WR28标准波导口作为探头对水平方向艾里斑3dB直径进行测量，波导口的窄边沿水平方向，采样间隔为0.01mm。当艾里斑3dB直径为3.18mm时，仿真得到的理论测量值为3.38mm，相对误差为6.3％。而利用所发明的微分探头测量时相对误差仅为0.8％，明显优于直接采用波导口作为探头的传统测量方法。

综上所述，通过波导构造一个微分探头，即可对毫米波聚焦天线在特定平面，即毫米波聚焦天线聚焦形成艾里斑的平面上的艾里斑3dB直径进行精确测量。

需要理解到的是，上述实施案例仅是对本发明的思路进行了比较详细的文字描述，并非就此局限本发明的保护范围。凡是在本发明设计思路内的任何增加、修改、等同替换等，均应在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用微分探头测量毫米波聚焦天线艾里斑3dB直径的方法，其特征在于，所述探头由两个极化、尺寸完全相同且并排放置的同类单极化点源探头构成，所述探头输出由能够实现反相等幅合成功能的合成网络进行反相等幅合成；

所述方法包括以下实施步骤：

步骤1，在被测天线前方测量平面上放置所述微分探头，使所述微分探头正对被测天线，所述微分探头的极化方向与被测天线的极化方向一致，调节被测天线与所述微分探头的功率相适配；

步骤2，根据被测天线口径、工作频率和测量距离，预估被测天线在测量平面上艾里斑3dB直径的大小，调节组成微分探头的两个单极化点源探头口面之间的间距，使两个单极化点源探头口面之间的间距小于预估的艾里斑3dB直径；

步骤3，采用微分探头沿过艾里斑中心的直线进行功率扫描测量，获得系统响应曲线，当被测毫米波聚焦天线为发射天线时，系统响应曲线为微分探头的接收机测得的曲线；当被测毫米波聚焦天线为接收天线时，系统响应曲线为聚焦天线的接收机测得的曲线；

步骤4，计算系统响应曲线零陷位置附近的最大斜率；

步骤5，将系统响应曲线零陷附近的最大斜率代入与艾里斑3dB直径的对应关系，得到被测天线在测量平面上的艾里斑3dB直径；所述对应关系是系统响应曲线零陷附近的最大斜率与艾里斑3dB直径之间存在的一一对应关系，该对应关系由仿真获得。

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