CN113078473A - 一种射电天文望远镜主焦宽张角喇叭馈源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射电望远镜主焦宽张角喇叭馈源，该喇叭馈源采用波纹结构，在圆波导外加载均等排列的和圆波导同向的波纹结构，加载的波纹结构由加载的槽和加载的环组成，其中加载的环的数量为1‑15个，加载的槽的数量为1‑15个，该馈源工作频率为22GHz‑34GHz，该馈源用于2米反射面天线主焦照射，在宽张角112°下，该馈源具有工作频带宽，低驻波，副瓣电平低，交叉极化小，相位中心稳定度高，方向图轴对称，宽波束照射能力特性，易于整体一次加工成形，用于射电望远镜反射面天线大气不透明度测试。

Description

一种射电天文望远镜主焦宽张角喇叭馈源

技术领域

本发明涉及一种射电天文望远镜主焦宽张角喇叭馈源，用于射电望远镜大气不透明度测试。

背景技术

反射面天线是基于光学反射原理构成的天线系统，由金属或良导体构成的反射面以及馈源组成。反射面天线从形式上主要分为单反射面天线和双反射面天线两大类，广泛用于通信、雷达、射电天文等多个领域。反射面天线由于结构简单，效率较高，成为射电天文望远镜天线的主要形式。

喇叭天线属于口径面天线的一种，既可以用作直接辐射的独立天线使用，也可以用作反射面天线的馈源。当独立使用时，利用其低副瓣、宽频带和结构简单等优点，在天线测量中，可对其他天线进行校准，也可作为标准增益喇叭。

反射面天线在电性能上具有高增益、低副瓣以及窄主瓣宽度等优点，因此它是星载、卫星通信地面终端站等的基本形式，在卫星通信、雷达和射电天文宇宙观测等方面得到广泛的应用，至今已经研究出多种多样的反射面形式来满足不同的场合的应用要求。反射面天线的基本工作原理是先由馈源发射信号，然后经反射面的反射后得到远场辐射方向图，因此设计性能优良的反射面天线主要是通过改变反射面形状或馈源辐射性能来实现。反射面天线最主要的馈源形式是喇叭天线，其性能的优劣直接影响着整个反射面天线辐射性能的好坏。喇叭天线作为反射面天线馈源时，要求它有较高的相位中心稳定度以及近似圆对称的初级方向图，经过反射面反射后，反射面天线可以获得近似圆对称的次级方向图，因而实现良好的电性能。一般喇叭的辐射方向图在各个平面内是不相同的，E面和H面相位中心也不重合，因此不符合反射面天线对馈源性能的要求。随着众多学者对喇叭天线的深入研究，他们相继发现利用多模喇叭和波纹喇叭，辐射的初级方向图就可以做到圆对称，副瓣电平低，交叉极化分量小，相位中心稳定度高，并且工作频带宽。

发明内容

本发明目的在于，提供一种射电天文望远镜主焦宽张角喇叭馈源，喇叭馈源采用波纹结构，在圆波导外加载均等排列的和圆波导同向的波纹结构，加载的波纹结构由加载的槽和加载的环组成，其中加载的环的数量为1-15个，加载的槽的数量为1-15个，该馈源工作频率为22GHz-34GHz，该馈源用于2米反射面天线主焦照射，在宽张角112°下，该馈源具有工作频带宽，低驻波，副瓣电平低，交叉极化小，相位中心稳定度高，方向图轴对称，宽波束照射能力特点，易于整体一次加工成形，用于射电望远镜反射面天线大气不透明度测试。

本发明所述的一种射电望远镜主焦宽张角喇叭馈源，所述喇叭馈源采用波纹结构，在圆波导外加载均等排列的和圆波导同向的波纹结构，圆波导内直径为d1＝10.52mm，圆波导厚度w＝0.54mm，圆波导长度L1＝15.21mm，圆波导呈张角θ＝8°，喇叭馈源口面直径d2＝93.8mm，加载的波纹结构由加载的槽和加载的环组成，其中加载的环的数量为1-15个，加载的槽的数量为1-15个。

所述圆波导由内至外排列顺序依次加载的槽为第一加载槽(16)、第二加载槽(17)、第三加载槽(18)、第四加载槽(19)、第五加载槽(20)、第六加载槽(21)、第七加载槽(22)、第八加载槽(23)、第九加载槽(24)、第十加载槽(25)、第十一加载槽(26)、第十二加载槽(27)、第十三加载槽(28)、第十四加载槽(29)、第十五加载槽(30)；圆波导由内至外排列顺序依次加载的环为第一加载环(1)、第二加载环(2)、第三加载环(3)、第四加载环(4)、第五加载环(5)、第六加载环(6)、第七加载环(7)、第八加载环(8)、第九加载环(9)、第十加载环(10)、第十一加载环(11)、第十二加载环(12)、第十三加载环(13)、第十四加载环(14)、第十五加载环(15)；第一加载槽(16)-第十五加载槽(30)与第一加载环(1)-第十五加载环(15)交错排列。

加载波纹结构中的加载槽的槽宽Ws＝2.23mm，槽深Sd＝3.73mm。

加载波纹结构中的加载环的环宽Wr＝0.54mm。

喇叭馈源工作频率为22GHz-33GHz，用于2米直径反射面天线主焦。

所述主焦宽张角喇叭馈源一次整体加工而成。

本发明所述的一种射电望远镜主焦宽张角喇叭馈源，所述喇叭馈源中采用圆波导馈电，为了保证圆波导中主模传输，并抑制高次模，圆波导直径d1＝10.52mm；由于本馈源用于2米直径反射面天线主焦，焦径比0.368，因此馈源照射张角为112°，为了在如此宽的照射角度下保证馈源的性能，且容易加工，本馈源采用和圆波导轴向平行的方向，在圆波导外加载波纹结构，波纹结构由槽和环组成；

为了保证馈源照射到2米反射面天线达到最高的天线效率，设计的馈源的照射锥削电平在±56°(即在反射面边缘处方向)比在0°(即在圆波导轴向方向)小11dB，为了保证所述电性能，加载的波纹结构和圆波导呈一定张角θ，θ＝8°；

为了保证馈源在22GHz-33GHz工作带宽内达到相位中心稳定度高、方向图圆对称、副瓣电平低、交叉极化小的优点，加载波纹由15个波纹结构组成，每个加载的波纹结构由加载的槽和环组成；从圆波导由内向外加载波纹结构依次为第一加载槽(16)、第一加载环(1)、第二加载槽(17)、第二加载环(2)、第三加载槽(18)、第三加载环(3)、第四加载槽(19)、第四加载环(4)、第五加载槽(20)、第五加载环(5)、第六加载槽(21)、第六加载环(6)、第七加载槽(22)、第七加载环(7)、第八加载槽(23)、第八加载环(8)、第九加载槽(24)、第九加载环(9)、第十加载槽(25)、第十加载环(10)、第十一加载槽(26)、第十一加载环(11)、第十二加载槽(27)、第十二加载环(12)、第十三加载槽(28)、第十三加载环(13)、第十四加载槽(29)、第十四加载环(14)、第十五加载槽(30)、第十五加载环(15)；加载槽的槽宽Ws＝2.23mm，槽深Sd＝3.73mm；加载环的环宽Wr＝0.54mm；

本馈源采用和圆波导轴向平行的波纹结构，可以利用数控车床对铝材一次整体加工成形，如果采用和圆波导轴向垂直的波纹结构，则无法整体加工成形，需要分段加工再进行拼接，因此本馈源采用的波纹结构可以减少实际装配中产生的装配误差。

本发明的优点在于：在工作带宽22GHz-33GHz内，该馈源用于2米反射面天线主焦照射，在宽张角(112°)下，该馈源具有副瓣电平低，交叉极化小，相位中心稳定度高，方向图轴对称，且可以整体一次加工成形。

附图说明

图1为本发明的宽张角馈源整体示意图；

图2为本发明的宽张角馈源波纹所包含的槽和环的结构示意图；

图3为本发明的2米反射面天线和宽张角馈源示意图，其中31为馈源，32为波导；

图4为本发明的宽张角馈源驻波示意图；

图5为本发明的宽张角馈源在中心频率的E面和H面方向图对称性的示意图；

图6为本发明的宽张角馈源在中心频率的主瓣增益和副瓣增益值；

图7为本发明的宽张角馈源照射2米反射面在不考虑支架遮挡情况下，中心频率的主瓣增益和副瓣增益值；

图8为本发明的宽张角馈源照射2米反射面在考虑支架遮挡情况下，中心频率的主瓣增益和副瓣增益值。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明所述的一种射电望远镜主焦宽张角喇叭馈源，所述喇叭馈源采用波纹结构，在圆波导外加载均等排列的和圆波导同向的波纹结构，圆波导内直径为d1＝10.52mm，圆波导厚度w＝0.54mm，圆波导长度L1＝15.21mm，圆波导呈张角θ＝8°，喇叭馈源口面直径d2＝93.8mm，加载的波纹结构由加载的槽和加载的环组成，其中加载的环的数量为1-15个，加载的槽的数量为1-15个；

所述圆波导由内至外排列顺序依次加载的槽为第一加载槽16、第二加载槽17、第三加载槽18、第四加载槽19、第五加载槽20、第六加载槽21、第七加载槽22、第八加载槽23、第九加载槽24、第十加载槽25、第十一加载槽26、第十二加载槽27、第十三加载槽28、第十四加载槽29、第十五加载槽30；圆波导由内至外排列顺序依次加载的环为第一加载环1、第二加载环2、第三加载环3、第四加载环4、第五加载环5、第六加载环6、第七加载环7、第八加载环8、第九加载环9、第十加载环10、第十一加载环11、第十二加载环12、第十三加载环13、第十四加载环14、第十五加载环15；第一加载槽16-第十五加载槽30与第一加载环1-第十五加载环15交错排列；

加载波纹结构中的加载槽的槽宽Ws＝2.23mm，槽深Sd＝3.73mm；

加载波纹结构中的加载环的环宽Wr＝0.54mm；

喇叭馈源工作频率为22GHz-33GHz，用于2米直径反射面天线主焦；

所述主焦宽张角喇叭馈源一次整体加工而成；

如图1所示，包括圆波导和波纹结构两部分，共计15个波纹，采用圆波导馈电，为了保证圆波导中主模传输，并抑制高次模，圆波导直径d1＝10.52mm；每个波纹结构由槽和环组成，槽宽W_s＝2.23mm，槽深Sd＝3.73mm，环宽Wr＝0.54mm，环宽是槽宽的几分之一且远小于波长，使它能够传输TEM波外，只能传输H₁₁和E₁₁模；圆波导工作模式为H₁₁模；这种馈源的优良性能是由中心波导H₁₁模和波纹结构H₁₁和E₁₁模共同作用得到的；该馈源在1-2个倍频程的工作带宽内，能得到良好的方向图；

如图3所示的2米反射面天线，进行大气不透明度测试，大气不透明度测试只需要单极化信号，图3中的31，通过圆波导-矩形波导过渡(32)和波导传输线连接，并通过传输线连接接收机进行测试；

图4是本发明的馈源的驻波系数，在22GHz-34GHz工作带宽内，驻波系数≤-18dB；

图5是本发明的馈源在中心频率的E面和H面方向图，从图中可以看出，在对2米反射面天线照射角112°的范围内，E面和H面方向图几乎重合，说明该馈源具有良好方向图对称性；

图6是本发明的馈源在中心频率单独使用时的方向图，从图中可以看出本馈源的主极化增益在宽波束情况下＞10dB，副瓣电平＜-33dB；

图7是本发明的馈源照射2米反射面天线，在不考虑2米反射面天线支架遮挡情况下，馈源照射2米反射面天线后，反射面天线产生的方向图，从图中看出，本发明的馈源通过照射2米反射面天线，主瓣变得非常窄，主极化增益接近50dBi；

图8是本发明的馈源照射2米反射面天线，在考虑实际2米反射面天线支架遮挡情况下，馈源照射2米反射面天线后，反射面天线产生的方向图，从图中可以看出，实际支架遮挡主要影响副瓣电平，主瓣电平和图7几乎一样；

除了利用反射面天线进行单线极化测试外，本实施例中的馈源还可以进行双线极化或圆极化信号进行测试；进行双线极化测试时，需要在图3的本馈源31和波导32中间加正交模耦合器；如果需要进行圆极化信号进行测试，还需要在正交模耦合器前加移相器。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射电望远镜主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于：所述喇叭馈源采用波纹结构，在圆波导外加载均等排列的和圆波导同向的波纹结构，圆波导内直径为d1=10.52mm，圆波导厚度w=0.54mm，圆波导长度L1=15.21mm，圆波导呈张角θ=8°，喇叭馈源口面直径d2=93.8mm，加载的波纹结构由加载的槽和加载的环组成，其中加载的环的数量为1-15个，加载的槽的数量为1-15个。

2.根据权利要求1所述的主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于所述圆波导由内至外排列顺序依次加载的槽为第一加载槽(16)、第二加载槽(17)、第三加载槽(18)、第四加载槽(19)、第五加载槽(20)、第六加载槽(21)、第七加载槽(22)、第八加载槽(23)、第九加载槽(24)、第十加载槽(25)、第十一加载槽(26)、第十二加载槽(27)、第十三加载槽(28)、第十四加载槽(29)、第十五加载槽(30)；圆波导由内至外排列顺序依次加载的环为第一加载环(1)、第二加载环(2)、第三加载环(3)、第四加载环(4)、第五加载环(5)、第六加载环(6)、第七加载环(7)、第八加载环(8)、第九加载环(9)、第十加载环(10)、第十一加载环(11)、第十二加载环(12)、第十三加载环(13)、第十四加载环(14)、第十五加载环(15)；第一加载槽（16）-第十五加载槽（30）与第一加载环（1）-第十五加载环（15）交错排列。

3.根据权利要求1所述的主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于加载波纹结构中的加载槽的槽宽Ws=2.23mm，槽深Sd=3.73mm。

4.根据权利要求1所述的主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于加载波纹结构中的加载环的环宽Wr=0.54mm。

5.根据权利要求1所述的主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于喇叭馈源工作频率为22GHz-34GHz，用于2米直径反射面天线主焦。

6.根据权利要求1所述的主焦宽张角喇叭馈源，其特征在于所述主焦宽张角喇叭馈源一次整体加工而成。

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