CN114563630A - 基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置 - Google Patents

基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置 Download PDF

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马铭旭
侯鼎
田季丰
张立
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Abstract

本发明涉及一种基于微带贴片反射阵的紧缩场装置，主要解决现有的反射型紧缩场装置成本高，加工难度大的问题。其包括：馈源(1)和微带贴片反射阵天线(2)，馈源采用喇叭天线，其位于微带贴片反射阵天线口面一侧上方发出球面电磁波，反射阵天线将球面电磁波转换为出射的平面波，并在出射方向距口面6倍口径后形成平面波静区(3)。该微带贴片反射阵天线，包括介质板(21)、金属反射地板(22)和多个反射阵单元(23)，介质板的边缘采用阶梯状结构，所有反射阵单元按照固定周期排布于介质板表面，介质板与金属反射地板上下平行排列，两者之间形成空气层(24)。本发明体积小、重量轻、安装简单、制造、维护成本低，可用于低成本场景。

Description

基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置
技术领域
本发明涉及天线测量技术领域，进一步涉及一种紧缩场装置，可用于高频大口径天线测试。
背景技术
传统的远场测试方法要求发射天线辐射电磁波以平面波形式向待测天线照射，为了满足测试要求，发射天线与待测天线之间需间隔一定距离，且两者的距离与天线工作频率成正比。对于高频天线，远场测试的场地与测量环境的要求十分苛刻，几乎难以满足。二十世纪六十年代，乔治亚理工学院的Johnson等人公布了一种由抛物柱面和馈源组成的单反射镜紧缩场测量系统，如图1所示。该紧缩场天线测量系统通过利用透射或反射单元将馈源发出球面波转化为伪平面波，有效地解决了高频大口径天线的测试问题，它仅需占用较小的空间，并可将系统搭建在暗室中，用于解决外界环境的干扰问题，提高测量精度。
现有的紧缩场系统根据转换单元形式可分为反射型紧缩场和透镜型紧缩场，其中，反射型紧缩场中单抛物面紧缩场静区利用率较低，测量大口径天线时需要增大抛物面尺寸，加工费用昂贵，极大地增加了制作成本；透镜型紧缩场中透镜材料加工难度大，透镜的均匀性难以得到保证。
综上，现有的反射型紧缩场系统采用的抛物面天线体积大，成本高；透射型紧缩场系统使用的透镜材料加工难度大导致透镜均匀性较差，难以应用于低成本场景。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有紧缩场天线测量系统的不足，提出基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置，以降低成本，减小加工难度，便于低成本场景应用。
为实现上述目的，本发明提出一种基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置，包括：馈源与转换器，馈源位于转换器口面一侧上方发出球面电磁波，转换器将球面电磁波转换为出射的平面波，并在出射方向距口面6倍口径后形成平面波静区，其特征在于：
所述转换器采用微带贴片反射阵天线，以减小天线体积，降低成本；
所述微带贴片反射阵天线，包括介质板、金属反射地板和多个反射阵单元，该介质板的边缘采用阶梯状结构，所有反射阵单元按照固定周期排布于介质板表面，介质板与金属反射地板上下平行排列，两者之间形成空气层。
作为优选，所述馈源采用正馈或偏馈的方式对转换器馈电，且馈源的极化方式可调。
作为优选，所述馈源采用角锥喇叭天线。
作为优选，所述的微带贴片反射阵天线，其口径大小，即介质板的长度D根据待测天线的口径C确定，即D＞C。
作为优选，所述馈源位于转换器上方的位置按照焦径比F/D为1～2的参数确定，其中，F是馈源的相位中心与转换器中心之间的距离，即馈源的相位中心与微带贴片反射阵天线中介质板中心的距离,D是微带贴片反射阵天线的口径。
作为优选，所述每个反射阵单元均采用亚波长方形贴片结构，各单元间距小于待测天线工作频率对应的半波长。
作为优选，所述每个反射阵单元排列的固定周期根据待测天线的工作频率确定，其小于待测天线工作频率对应的半波长。
作为优选，所述每个反射阵单元的最大边长小于待测天线工作频率对应的半波长，且大小不等，通过改变反射阵单元的尺寸实现对相位的调控。
作为优选，所述转换器将球面电磁波转换为出射的平面波，是通过微带贴片反射阵天线中所有的反射阵单元对出射电磁波的相位进行调控来实现，每一个反射阵单元的相位调控量由其所处位置及其入射和出射的波束指向决定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一、本发明采用微带贴片反射阵天线作为转换器构建紧缩场，由于微带贴片反射阵天线要求的加工精度远低于传统抛物面和透镜加工精度，且其采用印刷工艺，工艺成熟简便，体积小、重量轻、安装简单、制造成本和维护成本低，可适合低成本场景应用。
第二、本发明对微带贴片反射阵天线使用了边缘处理技术，即在介质板的边缘进行阶梯状设计，提升了紧缩场的平面波静区质量，可保证被测天线的测量精度。
附图说明
图1是现有单反射镜紧缩场测量系统示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明中微带贴片反射阵天线口径分布示意图；
图4是本发明中微带贴片反射阵单元的侧视图；
图5是本发明中微带贴片反射阵单元的俯视图；
图6是本发明反射阵单元对应不同空气层厚度的相移曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图2，本发明提出一种基于微带贴片反射阵的紧缩场装置，包括：馈源1与转换器2，其中：转换器2采用微带贴片反射阵天线，其包括介质板21、金属反射地板22和多个反射阵单元23，所有反射阵单元23按照固定周期排布于介质板21表面，介质板21与金属反射地板22上下平行排列，两者之间形成空气层24。馈源1采用角锥喇叭天线，该喇叭天线将开口波导天线的宽边和窄边按一定的张角扩张，呈以波导端口为终端的矩形金字塔结构。馈源1位于微带贴片反射阵天线口面一侧斜上方，用于发出球面电磁波照射微带贴片反射阵天线，微带贴片反射阵天线将馈源入射的球面波转换为出射的平面波，并在出射方向距微带贴片反射阵天线口面6倍口径后形成平面波静区。
馈源1具有稳定的相位中心且其E面和H面方向图具有的良好对称性和一致性，可以使反射阵天线的入射球面电磁波的能量均匀分布，有效避免入射电磁能量的泄漏，降低反射阵天线的交叉极化和副瓣电平，提高反射阵天线的辐射效率。角锥喇叭天线从波导端口到自由空间形成渐变的阻抗变换，阻抗匹配效果良好，具有稳定的相位中心、较高的增益和良好的E面和H面方向图的一致性。馈源的馈电方式包括正馈和偏馈，且极化方式可调，其中，正馈指馈源1放置于微带贴片反射阵中心的正上方，偏馈指馈源1放置于微带贴片反射阵中心的斜上方。正馈方式下反射阵天线结构对称，设计简单易加工，但馈源1会对出射波束产生遮挡，导致出射电磁波经过馈源1时发生散射或被吸收，降低微带贴片反射阵天线的增益和辐射效率，正馈时可以使用口径较小的天线作为馈源减小馈源1的遮挡效应。偏馈方式下馈源1以斜入射的方式照射微带贴片反射阵天线，可以避免馈源1对出射波束的遮挡，但会破坏阵列结构的对称性，增加阵列的设计难度。对微带贴片反射阵天线设计难度要求较低时，馈电方式可选择正馈；对微带贴片反射阵天线的增益和辐射效率要求较高时，馈电方式可选择偏馈。
馈源1的结构和馈电方式确定后，按照焦径比F/D参数确定馈源在微带贴片反射阵天线上方的位置，以实现能量的最优传输或获得需要的赋形波束，其中，F是馈源1的相位中心与微带贴片反射阵天线中心之间的距离，即馈源1的相位中心与微带贴片反射阵天线中介质板21中心的距离,D是微带贴片反射阵天线的口径。由于反射阵紧缩场静区利用率不足100％，反射阵天线口径D大于待测天线口径C。焦径比过大会导致馈源1辐射到微带贴片反射阵天线的能量大量溢出，焦径比过小会使微带贴片反射阵天线上各单元接收的能量不够均匀，降低微带贴片反射阵天线的整体效率，为此，本实例根据已知待测天线口径通过仿真选取焦径比F/D为1～2。
参照图3，所有反射阵单元23在介质板上排列的周期S根据待测天线工作频率对应的半波长λ/2确定，即S＜λ/2,且各单元间距W小于待测天线工作频率对应的半波长，即W＜λ/2,以降低栅瓣对反射阵天线辐射效果的影响。对介质板边缘向内阶梯状设计减小边缘衍射对出射静区3的影响，同时设置介质板中心为空区域，减少反射阵贴片单元的数量，降低出射场中间区域波束的集中程度，使出射场静区3的波束幅度和相位变化更加平缓。
参照图4和图5，反射阵单元23采用亚波长方形贴片结构，单元介质板边长为P，厚度为H1，空气层厚度为H2，方形贴片边长为L。每个反射阵单元的最大边长小于待测天线工作频率对应的半波长，且大小不等，通过改变方形贴片的尺寸实现对相位的调控。为了获得性能良好的平面波静区，反射阵列的单元必须准确地对出射电磁波的相位进行调控，其中，每个反射阵单元的相位调控量可由以下公式得出：
Figure BDA0003524776460000041
其中，
Figure BDA0003524776460000042
是第n个阵列单元需要调控的相移量，(xn,yn,zn)为反射阵天线阵列中第n个单元的位置坐标，k0为自由空间波数，R为第n个单元与馈源1相位中心的距离，θn为第n个单元的入射波束俯仰角，φn为第n个单元的入射波束方位角。
本实例的工作原理如下：测试时，将馈源置于微带贴片反射阵天线口面一侧斜上方发出球面电磁波，通过偏馈照射微带贴片反射阵天线，微带贴片反射阵天线阵面上的若干个方形微带贴片单元对入射的球面电磁波进行反射，使反射的平面波在出射方向距微带贴片反射阵天线口面6倍口径后形成平面波静区，将待测天线放置于该平面波静区内，对其进行测量。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。
一.仿真实例：
参考图3所示的系统结构，馈源选择角锥喇叭，馈电方式采用偏馈；设微带贴片反射阵天线的中心频率为10GHz，单元间隔为三分之一波长，焦径比F/D为1.8，并对微带贴片反射阵天线的介质板边缘向内做阶梯状处理，同时设置介质板中心为空区域，减少反射阵的贴片单元数量，优化出射场静区。
二.仿真内容：
在上述实例中，通过微带贴片反射阵天线将馈源照射的球面波转换为平面波，仿真不同边长的反射阵单元对应不同空气层厚度的相位，得到反射阵单元的相移曲线，如图6所示。由图6可见，当空气层厚度H2为0.7mm时，相移曲线的相移范围较大，相位变化较平缓，有利于增加微带贴片反射阵天线的带宽，提高微带贴片反射阵天线的辐射效果，进而保证被测天线的测量精度。
以上所描述的实施例仅为本申请的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然本领域技术人员在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下做出形式和细节上的各种修正变化，但这些基于本发明思想或范围的修正和变化都应当涵盖在本发明保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于微带贴片反射阵天线的紧缩场装置，包括：馈源(1)与转换器(2)，馈源位于转换器(2)口面一侧上方发出球面电磁波，转换器(2)将球面电磁波转换为出射的平面波，并在出射方向距口面6倍口径后形成平面波静区(3)，其特征在于：
所述转换器(2)采用微带贴片反射阵天线，以减小天线体积，降低成本；
所述微带贴片反射阵天线，包括介质板(21)、金属反射地板(22)和多个反射阵单元(23)，该介质板(21)的边缘采用阶梯状结构，所有反射阵单元(23)按照固定周期排布于介质板(21)表面，介质板(21)与金属反射地板(22)上下平行排列，两者之间形成空气层(24)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述馈源(1)采用正馈或偏馈的方式对转换器(2)馈电，且极化方式可调。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述馈源(1)采用角锥喇叭天线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的微带贴片反射阵天线，其口径大小，即介质板的长度D根据待测天线的口径C确定，即D＞C。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述馈源(1)位于转换器(2)上方的位置按照焦径比F/D为1～2的参数确定，其中，F是馈源(1)的相位中心与转换器(2)中心之间的距离，即馈源(1)的相位中心与微带贴片反射阵天线中介质板(21)中心的距离,D是微带贴片反射阵天线的口径。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述每个反射阵单元(23)均采用亚波长方形贴片结构，各单元间距小于待测天线工作频率对应的半波长。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述每个反射阵单元(23)排列的固定周期根据待测天线的工作频率确定，其小于待测天线工作频率对应的半波长。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述每个反射阵单元(23)的最大边长小于待测天线工作频率对应的半波长，且大小不等，通过改变反射阵单元(23)的尺寸实现对相位的调控。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述转换器(2)将球面电磁波转换为出射的平面波，是通过微带贴片反射阵天线中所有的反射阵单元(23)对出射电磁波的相位进行调控来实现，每一个反射阵单元(23)的相位调控量由其所处位置及其入射和出射的波束指向决定。
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