CN202797262U - 一种宽带弱耦合相控阵馈源单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，它涉及射电天文领域中三角形布阵的相控阵馈源接收机，也可应用于通信、测控和监测反射面天线的相控阵馈源。它由辐射器、同轴馈线、六边形反射背腔和匹配圆盘构成。它采用底部带有圆形凹槽的六边形反射背腔，从而达到减小单元间的互耦、展宽天线带宽、减小单元间的物理干涉的目的。本实用新型还具有辐射方向图旋转对称、交叉极化电平低、反射损耗小等特点，适合用作L～Ku频段射电天文望远镜天线相控阵馈源接收机前端的组成单元。

Description

一种宽带弱耦合相控阵馈源单元

技术领域

本实用新型涉及射电天文领域中一种用于射电望远镜天线的宽带弱耦合相控阵馈源单元，适合用作L～Ku频段射电望远镜相控阵馈源的组成单元，也可应用于通信、测控和监测反射面天线的相控阵馈源，组成宽带低交叉极化、低反射损耗的高性能相控阵馈源前端。其布阵形式为三角形或圆环形排布，可实现单极化或双极化工作。

背景技术

随着射电天文技术的发展，天文学家对宇宙射电源的观测需求不断增加。在射电望远镜数量无法显著增加的情况下，使用多波束天线技术可以有效地提高观测速度，如在澳大利亚Parkes64m和波多黎各的Arecibo305m射电望远镜上分别配备了13波束和7波束的多波束接收机。相控阵馈源是射电天文技术的重要研究方向之一，它以一个小型相控阵天线代替波导馈源馈电，通过数字波束合成网络将各个单元接收到的信号赋权合成，与使用传统的馈源组馈电的射电望远镜相比具有偏轴波束增益更高、视场更广，覆盖区域连续的特点，因此被认为是新一代的多波束接收机技术。作为相控阵馈源的重要组成部分，天线阵列前端的设计对整个接收机系统的性能至关重要。

众所周知，单元间的互耦效应是影响阵列天线性能的重要因素。互耦的影响主要表现在单元的阵中方向图和阻抗与处在自由空间时有很大的不同，导致阵列实际的性能与不考虑互耦效应的理想情况下存在较大差异。单元间的互耦与单元间距有很大的关系，单元间距越小，互耦越强烈。而相控阵馈源的单元间距很小，互耦的影响十分明显，单元与LNA的阻抗失配引起的噪声在L及以上频段是相控阵馈源系统噪声的主要来源之一。由于射电望远镜的灵敏度与系统温度成反比，对于追求极低系统噪声温度的射电望远镜而言，降低由互耦引起的噪声是设计的一个关键点。

射电望远镜的灵敏度与天线带宽的平方根成正比，而相控阵馈源系统的带宽又决定于阵列单元的带宽，因此阵列单元的带宽也是相控阵馈源研制的重要参数。常用的宽带阵列单元有宽带振子、Vivaldi等形式，宽带振子形式的单元虽可实现较宽的带宽，但方向图较宽，对称性差，单元间的互耦较强；Vivaldi单元的带宽更宽，互耦强烈，且不易与后端制冷的LNA连接。背腔天线具有良好的性能，但常用的矩形和圆形背腔体积较大，因此一般只单独使用，难以用作阵列天线的单元。矩形背腔天线在组成三角形阵列时，相邻行单元的背腔相互干涉，难以满足相控阵馈源所要求的单元间距。同时，矩形和圆形背腔天线组阵时单元间存在间隙，接收面积不连续，效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免背景技术中的不足之处而提出了一种便于小间距三角形和圆环形组阵的宽带弱耦合相控阵馈源单元，本实用新型还具有辐射方向图旋转对称、交叉极化电平低、反射损耗小、便于连接制冷LNA等特点，适合用作L～Ku频段相控阵馈源的组成单元。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，包括辐射器1、同轴馈线2、金属支撑柱3、反射背腔和匹配圆盘5；辐射器1位于反射背腔的口面，由设置在反射背腔内的同轴馈线2和金属支撑柱3支撑；匹配圆盘5平行于辐射器1之上，由设置在辐射器1上的介质柱9支撑；其特征在于：所述的反射背腔为六边形反射背腔4。

所述的六边形反射背腔的高度为0.25λ，与腔体内切圆的半径为0.3λ～0.5λ，其中，λ为工作频段中心频率的波长。

所述的六边形反射背腔的底部中心有一个圆形凹槽8，深度小于0.17λ；圆形凹槽8留有两个通孔，用于引出同轴馈线2，通孔半径与同轴馈线2的外导体7内半径相同。

辐射器1由两个正交放置的宽臂对称振子6组成，振子臂由馈电处以90°夹角逐渐展宽，达到一定宽度后延伸至所需长度；振子臂宽度为0.16λ～0.25λ，长度为0.20λ～0.25λ；其中，λ为工作频段中心频率的波长。

辐射器1两对称轴分别与六边形反射背腔4的对称轴重合。

同轴馈线2为内外同心的金属圆管结构，内穿同轴线，同轴线的外壁与金属管壁连接。

匹配圆盘5为一金属圆盘，半径取值在0.15λ～0.25λ之间，距六边形反射背腔4口面的高度为0.05λ～0.15λ；匹配圆盘5上留有4个通孔，用以连接支撑其的介质柱9。

金属支撑柱3顶端与辐射器1的一个振子臂相连，再连接同轴馈线2的内导体8，底端连接于六边形反射腔3底部的圆形凹槽8；同轴馈线2的外导体7顶端与辐射器1的另一个臂相连，底端连接于六边形反射腔3底部的圆形凹槽8。

本实用新型与背景技术相比具有如下优点：

1.本实用新型采用了两个正交的宽臂对称振子6作为宽带辐射器1，同轴馈线2、金属支撑柱3以及六边形反射背腔4组成一个巴伦，在宽频带上为辐射器1平衡馈电，从而展宽了天线的工作频段，在2：1的频带内具有较低的反射损耗和交叉极化电平。

2.本实用新型采用一种六边形反射背腔4的设计技术，减小了对角单元间的物理干涉，克服了现有矩形背腔难以实现小间距三角形组阵的缺陷。同时降低了单元之间的互耦，改善了宽臂对称振子6辐射方向图的不对称性，提高了照射效率。

3.本实用新型制造的宽带弱耦合相控阵馈源单元适合用作L～Ku频段反射面天线三角形和圆环形布阵的相控阵馈源的单元。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型辐射器1结构示意图。

图3是本实用新型六边形反射背腔4结构示意图。

图4是本实用新型匹配圆盘5结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型由辐射器1、同轴馈线2、金属支撑柱3、六边形反射背腔4、匹配圆盘5构成，辐射器1由两个正交的宽臂对称振子6组成，由同轴馈线2和金属支撑柱3支撑在六边形反射背腔4的口面，匹配圆盘5位于辐射器1上方，与辐射器1保持平行，由介质柱9支撑。

同轴馈线2为内外同心圆管结构，其内导体8顶部与辐射器1的一个臂相连，外导体7顶部与辐射器1的一个臂相连，底部与六边形反射腔3底部连接。同轴馈线2作用在于为辐射器1馈电，同时将其支撑于六边形反射背腔4的口面。同轴馈线2与金属支撑柱3的外径相同，二者可由金属材料加工而成，也可使用金属空心圆柱作为支撑，内穿同轴线，同轴线的外壁与金属空心圆管连接。同轴线的阻抗Z₀与外导体7的内径b和内导体8的半径a有关

$Z_0=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\mathrm{IN}\left(\frac{b}{a}\right)---\left(3\right)$

式中ε_r为外导体7和内导体8间介质的相对介电常数。

参照图2，本实用新型辐射器1由两个正交的宽臂对称振子6构成，振子的每个臂由馈电点以90°逐渐张开，达到一定宽度后再延伸至所需长度。振子靠近馈电处有一金属过孔，用以连接同轴馈线2和金属支撑柱3，过孔半径与同轴外导体7的内径相等。以金属过孔的圆心为原点，振子臂对称轴为x轴，在振子臂所在平面内与x轴正交方向为y轴，则振子臂曲线可表示为

$\left|y\right|=\left\{\begin{array}{cc}\left|x\right|\tan \mathrm{\&theta;}& x<x_0\\ x+x_0\tan \mathrm{\&theta;}& x_0<x<x_1\\ w/2& x_1<x_1<l\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中θ是过点(x，y)的半径与-x轴的夹角，x₀略大于同轴外导体7的外径，

x₁＝w/2-x₀tanθ                                    (2)

w和l分别是振子臂的宽度和长度，通过调节θ、w和l可以对单元的性能进行优化，w和l一般分别在0.16λ～0.25λ和0.20λ～0.25λ之间取值；其中，其中，λ为工作频段中心频率的波长。辐射器1可由金属片直接加工，也可以印制电路板(PCB)方式制造。

参照图3，本实用新型采用六边形反射背腔4，目的在于减小三角形布阵时单元间的干涉，实现较小的单元间距。六边形反射背腔4高度为0.25λ(不计底部圆形凹槽10的深度)，根据单元增益的要求，与腔体内切圆的半径在0.3λ～0.5λ之间。各边反射背腔的底部还可以隔离制冷的LNA与自由空间。组阵时相邻两个单元共用六边形反射背腔4的一边。六边形反射背腔4的底部中心有一个圆形凹槽10，其径向尺寸应可容纳同轴馈线2和金属支撑柱3，深度小于0.17λ，其目的在于调节其与同轴馈线4的外导体7构成的巴伦的长度，实现对辐射器1的宽带平衡馈电。圆形凹槽10的底部留有两个通孔，用于引出同轴馈线4，通孔半径与同轴馈线2的外导体7内半径相同。六边形反射背腔4采用金属材料加工而成。

参照图4，本实用新型匹配圆盘5为一平行于辐射器1的金属圆盘，半径取值在0.15λ～0.25λ之间，其距六边形反射背腔4口面的高度为0.05λ～0.15λ，根据单元的性能进行优选。匹配圆盘5上留有4个通孔，用以连接支撑其的介质柱9。

Claims (8)

1.一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，包括辐射器(1)、同轴馈线(2)、金属支撑柱(3)、反射背腔和匹配圆盘(5)；辐射器(1)位于反射背腔的口面，由设置在反射背腔内的同轴馈线(2)和金属支撑柱(3)支撑；匹配圆盘(5)平行于辐射器(1)之上，由设置在辐射器(1)上的介质柱(9)支撑；其特征在于：所述的反射背腔为六边形反射背腔(4)。

2.根据权利要求1所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：所述的六边形反射背腔的高度为0.25λ，与腔体内切圆的半径为0.3λ～0.5λ，其中，λ为工作频段中心频率的波长。

3.根据权利要求2所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：所述的六边形反射背腔的底部中心有一个圆形凹槽(10)，深度小于0.17λ；圆形凹槽(10)留有两个通孔，用于引出同轴馈线(2)，通孔半径与同轴馈线(2)的外导体(7)内半径相同。

4.根据权利要求1所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：辐射器(1)由两个正交放置的宽臂对称振子(6)组成，振子臂由馈电处以90°夹角逐渐展宽，达到一定宽度后延伸至所需长度；振子臂宽度为0.16λ～0.25λ，长度为0.20λ～0.25λ；其中，λ工作频段中心频率。

5.根据权利要求1所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：辐射器(1)两对称轴分别与六边形反射背腔(4)的对称轴重合。

6.根据权利要求1所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：同轴馈线(2)为内外同心的金属圆管结构，内穿同轴线，同轴线的外壁与金属管壁连接。

7.根据权利要求2所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：匹配圆盘(5)为一金属圆盘，半径取值在0.15λ～0.25λ之间，距六边形反射背腔(4)口面的高度为0.05λ～0.15λ；匹配圆盘(5)上留有4个通孔，用以连接支撑其的介质柱(9)。

8.根据权利要求3所述的一种宽带弱耦合相控阵馈源单元，其特征在于：金属支撑柱(3)顶端与辐射器(1)的一个振子臂相连，再连接同轴馈线(2)的内导体(8)，底端连接于六边形反射腔(3)底部的圆形凹槽(10)；同轴馈线(2)的外导体(7)顶端与辐射器(1)的另一个臂相连，底端连接于六边形反射腔(3)底部的圆形凹槽(10)。

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