CN117525911A - 多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线 - Google Patents

多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，通过主反射面与副反射面的偏焦约束，制造多通道馈源，多通道馈源包括中心通道以及多个偏焦通道，中心通道的四周被多个偏焦通道包围。本申请能够基于主反射面与副反射面的偏焦约束，设计多通道馈源，最大化多通道馈源的整体径向尺寸，并且结合主反射面、副反射面以及多通道馈源形成的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其轴向体积小、增益高，结构可靠性更强，采用一体化的设计，装配难度大大降低，有效解决了空馈损耗大，轴向结构尺寸大的问题。本申请广泛应用于天线技术领域。

Description

多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别涉及一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线。
背景技术
太赫兹波泛指频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，相较于传统微波频段而言，其具有频率高、带宽宽、透射性强等优势，近年来受到了越来越多的关注。
作为太赫兹系统的重要组成部分之一，太赫兹天线技术决定了太赫兹系统前端的信号传输效能，但现有的太赫兹天线存在着因结构尺寸较小而不易于加工等技术问题。
在毫米波太赫兹频段，微波器件特征尺寸减小，相位一致性难度高，很难做出高性能的和差网络、环形器、开关等传统微波器件。另外，在太赫兹频段放大器性能有限，很难做到高输出功率的器件或系统，同时传统的和差网络后端不便于器件布局及功率馈入，因此，会带来太赫兹天线的空馈损耗大、轴向结构尺寸大等问题。
发明内容
为了解决至少一个上述相关技术中存在的技术问题，本申请实施例提出了一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线。
本申请实施例的第一方面提出了一种多通道馈源的制造方法，包括：
获取主反射面的第一尺寸参数信息；所述第一尺寸参数信息包括主反射面口径尺寸、主反射面焦距；
获取副反射面的第二尺寸参数信息；所述第二尺寸参数信息包括副反射面口径尺寸、副反射面半张角；
根据所述第一尺寸参数信息和所述第二尺寸参数信息，确定多通道馈源的偏焦通道间距；所述多通道馈源包括中心通道与偏焦通道；所述偏焦通道间距为所述中心通道的相位中心与所述偏焦通道的相位中心之间的距离。
在一些实施例，所述根据所述尺寸参数信息，确定多通道馈源的偏焦通道间距这一步骤，具体用下式表示：
其中，δ为偏焦通道间距，θm2为副反射面半张角，BDF为波束偏转因子，BDF的估计值通过主反射面口径尺寸、主反射面焦距以及副反射面半张角进行确定，λ为馈源的工作波长，β为波束宽度因子。
本申请实施例的第二方面提出了一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，包括主反射面、副反射面、支撑结构以及多通道馈源；
所述多通道馈源采用上述第一方面所述的多通道馈源的制造方法进行制造；
所述多通道馈源为喇叭天线，设置于所述主反射面的中心处，包括中心通道以及多个偏焦通道；所述中心通道为非规则的口径喇叭天线；所述偏焦通道的口径形状为方形切角；所述中心通道的四周被所述多个偏焦通道包围；
所述副反射面设置于所述主反射面的正上方，所述副反射面的中心与所述主反射面的中心相对；
所述支撑结构用于固定所述主反射面与所述副反射面。
在一些实施例，所述多通道馈源为五通道馈源；所述五通道馈源包括所述中心通道和四个所述偏焦通道。
在一些实施例，所述中心通道为45度的角锥喇叭天线；所述偏焦通道的口径形状为正方形切角。
在一些实施例，所述多通道馈源的通道波导为WR-4标准波导。
在一些实施例，所述主反射面为旋转抛物面；所述副反射面为旋转双曲面。
在一些实施例，所述支撑结构包括多条支撑杆、主反射面支撑梁、主反射面衬底以及副反射面衬底；
所述支撑杆的一端与所述副反射面衬底连接并固定在所述副反射面上，另一端连接所述主反射面衬底并通过所述主反射面支撑梁固定在所述主反射面上。
在一些实施例，所述装置还包括馈源支撑底盘；
所述多通道馈源设置于所述馈源支撑底盘上；
所述馈源支撑底盘设置于所述主反射面中心处，所述馈源支撑底盘上设置有多个固定安装孔，所述固定安装孔用于提供孔位，安装固定螺栓以固定所述馈源支撑底盘与所述主反射面。
在一些实施例，所述多通道馈源用于发射和接收高频电磁波。
本申请提供的一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其通过主反射面与副反射面的偏焦约束，制造多通道馈源，多通道馈源包括中心通道以及多个偏焦通道，中心通道的四周被多个偏焦通道包围。本申请能够基于主反射面与副反射面的偏焦约束，设计多通道馈源，最大化多通道馈源的整体径向尺寸，并且结合主反射面、副反射面以及多通道馈源形成的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其轴向体积小、增益高，结构可靠性更强，采用一体化的设计，装配难度大大降低，有效解决了空馈损耗大，轴向结构尺寸大的问题。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种多通道馈源的制造方法的流程图；
图2是本申请实施例中等效单反射面的偏焦分析图；
图3是本申请实施例提供的一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线的结构示意图；
图4是本申请实施例中多通道馈源及馈源支撑底盘的结构示意图；
图5是本申请实施例中多通道馈源的正视结构示意图；
图6是本申请实施例中多通道馈源的侧视结构示意图；
图7是本申请实施例中集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线的另一结构示意图；
图8是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源中心通道的方向图仿真结果示意图
图9(a)是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源偏焦通道的方向图仿真示意图；
图9(b)是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源偏焦通道的方向图仿真示意图；
图9(c)是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源偏焦通道的方向图仿真示意图；
图9(d)是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源偏焦通道的方向图仿真示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
太赫兹波泛指频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，相较于传统微波频段而言，其具有频率高、带宽宽、透射性强等优势，近年来受到了越来越多的关注，太赫兹天线常采用窄波束高增益形式设计，其中反射面天线由于其高增益、低旁瓣的特点得到了广泛应用。在反射面天线中常用的形式是卡塞格伦天线，其初级馈源通过两个反射面使电磁波形成平面波，有增益高、便于馈电等优势。单脉冲技术是指只需收到单个回波脉冲就能获得目标的全部角误差信息的技术，其通过比较多个波束收到的回波信号，通过比幅、比相以及幅相等比较方法完成对目标的识别。
现有技术中，太赫兹天线作为太赫兹系统的重要组成部分之一，太赫兹天线技术决定了太赫兹系统前端的信号传输效能，但现有的太赫兹天线存在着因结构尺寸较小而不易于加工等技术问题。
在毫米波太赫兹频段，微波器件特征尺寸减小，相位一致性难度高，很难做出高性能的和差网络、环形器、开关等传统微波器件。另外，在太赫兹频段放大器性能有限，很难做到高输出功率的器件或系统，同时传统的和差网络后端不便于器件布局及功率馈入，因此，会带来太赫兹天线的空馈损耗大、轴向结构尺寸大等问题。
基于此，本申请着眼于解决太赫兹天线空馈损耗大和轴向结构尺寸大的技术问题，提出了一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，通过馈源设计将发射通道和接收通道结合在一起，形成轴向通路，便于后续模块系统连接，同时提高天线增益，适用于多种单脉冲体制系统。
参照图1，图1是本申请实施例提供的一种多通道馈源的制造方法的一个可选的流程图，该方法可以包括但不限于包括步骤S101至步骤S103：
步骤S101，获取主反射面的第一尺寸参数信息；第一尺寸参数信息包括主反射面口径尺寸、主反射面焦距；
步骤S102，获取副反射面的第二尺寸参数信息；第二尺寸参数信息包括副反射面口径尺寸、副反射面半张角；
步骤S103，根据第一尺寸参数信息和第二尺寸参数信息，确定多通道馈源的偏焦通道间距；多通道馈源包括中心通道与偏焦通道；偏焦通道间距为中心通道的相位中心与偏焦通道的相位中心之间的距离。
在一些实施例的步骤S101和步骤S102中，上述第一尺寸参数信息还包括主面半张角，上述第二尺寸参数信息还包括副反射面焦距。
在一些实施例的步骤S101至步骤S103中，根据预期的天线仿真的电性能以及预期的天线轴向尺寸，反复调整主反射面的第一尺寸参数和副反射面的第二尺寸参数，多通道馈源的偏焦通道间距也跟随主反射面和副反射面的尺寸参数调整而调整，使得多次调整后，主反射面、副反射面以及多通道馈源组成的卡塞格伦天线的仿真的电性能和轴向尺寸达到预期。
在一些实施例中，主反射面和副反射面之间还包括设计参数：放大率与离心率，主反射面与副反射面之间的尺寸参数存在以下约束关系：
其中，θm1为主面半张角，Dm为主反射面口径尺寸，fs为主反射面焦距，fm为副反射面焦距，ds为副反射面口径尺寸，θm2为副反射面半张角，e为离心率，M为放大率。
在一些实施例中，参照图2，图2是本申请实施例中等效单反射面的偏焦分析图，对于非正入射的电磁波，其通过主反射面后波束会发生偏移，F表示焦点，Dm为反射面口径尺寸，M为放大率，fm为反射面焦距，f为放大后的反射面焦距，f＝Mfm，δ为馈源的偏焦通道间距，波束偏角θs为入射角θf乘以波束偏转因子BDF，在焦径比f/Dm大于1.5时BDF约为1。
在一些实施例的步骤S103中，在单脉冲体制中，差通道方向图与和通道方向图存在取舍关系，多通道馈源的偏焦通道间距与放大率、副反射面半张角均有关系，因此，在制造多通道馈源时需要根据主反射面的尺寸参数和副反射面的尺寸参数对多通道馈源的相关制造参数进行同步设计并确定。
具体地，波束偏角θs用下式表示：
θs＝βθ3dB (1)；
其中，θs为波束偏角，β为波束宽度因子即波束偏角相对于半功率波束宽度的系数，θ3dB为半功率波束宽度。
在一些实施例的步骤S103中，结合上述式(1)、波束宽度经验公式以及卡式天线约束关系，确定多通道馈源的偏焦通道间距，具体用下式表示：
其中，δ为偏焦通道间距，θm2为副反射面半张角，BDF为波束偏转因子，BDF通过主反射面口径尺寸、主反射面焦距以及副反射面焦距进行确定，λ为馈源的工作波长，β为波束宽度因子。
在一些实施例中，可选地，综合考虑主反射面与副反射面的间距、副反射面口径尺寸ds以及副反射面半张角θm2等因素，经过仿真扫参设计，多通道馈源的偏焦通道间距最终可以确定为2.5mm，多通道馈源的偏焦通道间距的具体数值可以根据实际需求应用本申请实施例提出的多通道馈源的制造方法进行确定，本申请实施例对多通道馈源的偏焦通道间距的具体数值不加以限定。
本申请实施例提供的一种多通道馈源制造方法，能够尽可能地利用偏焦通道间距，以最大化口径，最终达到增大增益的目的。
参照图3，图3是本申请实施例提供的一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线的一个可选的结构示意图，该装置包括：
主反射面4、副反射面6、支撑结构以及多通道馈源8；
多通道馈源8，该多通道馈源8采用本申请实施例提供的上述多通道馈源的制造方法进行制造；
多通道馈源8的形式为喇叭天线，设置于主反射面的中心处，包括中心通道以及多个偏焦通道；中心通道为非规则的口径喇叭天线；偏焦通道的口径形状为方形切角；中心通道的四周被多个偏焦通道包围；
副反射面6设置于主反射面的正上方，副反射面6的中心与主反射面4的中心相对；
支撑结构用于固定主反射面与副反射面。
在一些实施例中，如图3所示，上述支撑结构包括多条支撑杆5、主反射面支撑梁9、主反射面衬底以及副反射面衬底，其中，支撑杆的一端与副反射面衬底连接并固定在副反射面上，另一端连接主反射面衬底并通过主反射面支撑梁固定在主反射面上。
在一些实施例中，如图3所示，该装置还包括副反射面支撑结构7。
在一些实施例中，上述集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线还包括多通道馈源及馈源支撑底盘，参照图4，图4是本申请实施例中多通道馈源及馈源支撑底盘的一个可选的结构示意图，其中，包括：多通道馈源、馈源支撑底盘1和固定安装孔2
多通道馈源(图4中方形伸出部分)设置于馈源支撑底盘1上；
馈源支撑底盘1设置于主反射面中心处，馈源支撑底盘1上设置有多个固定安装孔2，固定安装孔2用于提供孔位，安装固定螺栓以固定馈源支撑底盘1与主反射面。
在一些实施例中，多通道馈源的通道波导为WR-4标准波导。
在一些实施例中，具体地，参照图5，图5是本申请实施例中多通道馈源的正视结构示意图，其中，多通道馈源为五通道馈源；五通道馈源包括中心通道和四个偏焦通道，W1为中心通道斜边边长，W2为偏焦通道延伸短边边长，δ为上述多通道馈源的偏焦通道间距，t为口径处金属宽度，中心通道为45度的角锥喇叭天线，其能实现在两通道相位中心距离一定，且偏焦通道的馈源能形成预期相位中心时，使得中心通道的尺寸最大，其物理口径大小为W1 2。偏焦通道的口径形状为正方形切角。
在一些实施例中，参照图6，图6是本申请实施例中多通道馈源的侧视结构示意图，其中，多通道馈源包括通道波导腔3，Lf为角锥长度，可选地，多通道馈源的通道波导腔3为WR-4标准波导腔，则通道波导对应为WR-4标准波导，多通道馈源可以用于发射和接收高频电磁波。
在一些实施例中，参照图7，图7是本申请实施例中集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线的另一个可选的结构示意图，其中，由主反射面、副反射面、馈源三部分组成，两反射面满足卡式天线约束。可选地，主反射面口径尺寸Dm＝250mm，主反射面焦距fm＝90mm，副反射面口径尺寸ds＝25mm，副反射面半张角θm2＝9.0°，其余参数可由卡式天线约束计算得出。
在一些实施例中，该集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线包括五通道馈源，五通道馈源包括中心通道和四个偏焦通道，参照图8、图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)，图8是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源中心通道的方向图仿真结果示意图，图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)是本申请实施例中图3所示的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线中馈源偏焦通道的方向图仿真结果示意图，其中，馈源的中心通道增益可达50.6dBi，旁瓣电平SLL＝-15.63dB；馈源的偏焦通道增益约为46.95～47.82dBi，旁瓣电平SLL＝-13.34dB。各通道半功率波束宽度均为0.32°，因此，相较于其他现有多通道单脉冲天线，本申请实施例提供的一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其天线性能更优，可以实现更高的增益。
同时，本申请实施例提供的一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线在结构上实现了馈源的前置(相对于主反射面)，在保证天线辐射性能的同时优化了轴向尺寸，便于电磁波的传播以及器件的加工与装配。
本申请实施例提供的一种多通道馈源的制造方法及集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其通过主反射面与副反射面的偏焦约束，制造多通道馈源，多通道馈源包括中心通道以及多个偏焦通道，中心通道的四周被多个偏焦通道包围。本申请能够基于主反射面与副反射面的偏焦约束，设计多通道馈源，最大化多通道馈源的整体径向尺寸，并且结合主反射面、副反射面以及多通道馈源形成的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其轴向体积小、增益高，结构可靠性更强，采用一体化的设计，装配难度大大降低，有效解决了空馈损耗大，轴向结构尺寸大的问题。
本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本申请实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。
以上参照附图说明了本申请实施例的优选实施例，并非因此局限本申请实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请实施例的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道馈源的制造方法，其特征在于，包括：
获取主反射面的第一尺寸参数信息；所述第一尺寸参数信息包括主反射面口径尺寸、主反射面焦距；
获取副反射面的第二尺寸参数信息；所述第二尺寸参数信息包括副反射面口径尺寸、副反射面半张角；
根据所述第一尺寸参数信息和所述第二尺寸参数信息，确定多通道馈源的偏焦通道间距；所述多通道馈源包括中心通道与偏焦通道；所述偏焦通道间距为所述中心通道的相位中心与所述偏焦通道的相位中心之间的距离。
2.根据权利要求1所述的多通道馈源的制造方法，其特征在于，所述根据所述尺寸参数信息，确定多通道馈源的偏焦通道间距这一步骤，具体用下式表示：
其中，δ为偏焦通道间距，θm2为副反射面半张角，BDF为波束偏转因子，BDF的估计值通过主反射面口径尺寸、主反射面焦距以及副反射面半张角进行确定，λ为馈源的工作波长，β为波束宽度因子。
3.一种集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，包括主反射面、副反射面、支撑结构以及多通道馈源；
所述多通道馈源采用如权利要求1至2中任一项所述的多通道馈源的制造方法进行制造；
所述多通道馈源为喇叭天线，设置于所述主反射面的中心处，包括中心通道以及多个偏焦通道；所述中心通道为非规则的口径喇叭天线；所述偏焦通道的口径形状为方形切角；所述中心通道的四周被所述多个偏焦通道包围；
所述副反射面设置于所述主反射面的正上方，所述副反射面的中心与所述主反射面的中心相对；
所述支撑结构用于固定所述主反射面与所述副反射面。
4.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述多通道馈源为五通道馈源；所述五通道馈源包括所述中心通道和四个所述偏焦通道。
5.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述中心通道为45度的角锥喇叭天线；所述偏焦通道的口径形状为正方形切角。
6.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述多通道馈源的通道波导为WR-4标准波导。
7.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述主反射面为旋转抛物面；所述副反射面为旋转双曲面。
8.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述支撑结构包括多条支撑杆、主反射面支撑梁、主反射面衬底以及副反射面衬底；
所述支撑杆的一端与所述副反射面衬底连接并固定在所述副反射面上，另一端连接所述主反射面衬底并通过所述主反射面支撑梁固定在所述主反射面上。
9.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述装置还包括馈源支撑底盘；
所述多通道馈源设置于所述馈源支撑底盘上；
所述馈源支撑底盘设置于所述主反射面中心处，所述馈源支撑底盘上设置有多个固定安装孔，所述固定安装孔用于提供孔位，安装固定螺栓以固定所述馈源支撑底盘与所述主反射面。
10.根据权利要求3所述的集成馈源的单脉冲卡塞格伦天线，其特征在于，所述多通道馈源用于发射和接收高频电磁波。
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