CN205543243U - 四脊喇叭宽带馈源天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四脊喇叭宽带馈源天线，包括赋形馈源外壁，馈源外壁端口设置有口面适配器，馈源外壁底部设置有台阶形反射腔，馈源外壁内部等角度安装有4个赋形脊片，所述脊片的脊曲线为曲线段和直线段的拟合，脊片底部设置有短路板，所述馈源外壁端口半径为125mm，所述馈源外壁底部半径为38.8mm，所述天线高度为277.7mm。本馈源天线设计满足SKA射电天文望远镜的SKA1‑Mid Array Band 3（1.65‑3.05GHz）的需求，该馈源在整个频带内具有较低的反射损耗,三个主平面的主极化方向图波束等化较好，‑10dB 波束宽度基本恒定。

Description

四脊喇叭宽带馈源天线

技术领域

本实用新型涉及一种四脊喇叭宽带馈源天线，应用在射电天文望远镜宽带频段1.6-4.2GHz上。

背景技术

当前，射电望远镜正在向着更高的灵敏度、更大的观测视场和更宽的带宽发展，这体现在新一代望远镜方案的提出和新型馈源设备的研制上。例如荷兰主导的LOFAR（LOw Frequency ARray）低频望远镜阵利用相位阵波束形成的理念，抑制噪声、拓展视场和改善灵敏度。我国在建的500米球面望远镜FAST利用天然的喀斯特地形、主动反射面调节以及机器人馈源舱技术为超大口径反射面的建造提供了新颖的思路。更值得一提的是，国际大型合作项目平方公里阵列望远镜SKA（Square Kilometers Array）将是2020年之后解决当代天文与天体物理前沿科学问题的强大装置，成为世界上灵敏度和分辨率最高的射电望远镜。

然而，馈源作为射电望远镜的核心组成部分—连接反射面天线与接收机的桥梁器件。馈源的阻抗特性需要与低噪声放大器匹配良好，如果反射损耗过大则会明显恶化信噪比。馈源的辐射性能决定着反射面的照明效率、漏射效率和引入的地面噪声温度。因此，它的好坏直接影响着望远镜的整体性能。平方公里阵(Square Kilometre Array, SKA) 将是世界上最大的射电望远镜天线,由约2500面15m 口径反射面天线组成的阵列（工作频段为350MHz-20G）将对SKA 科学目标的实现发挥重要的作用。SKA 反射面天线不仅要求高灵敏度,还需要宽频带工作。

四脊喇叭和Eleven 馈源都具有良好的辐射方向图和较宽的工作带宽,但Eleven馈源的馈电方式不易实现且回波损耗与插入损耗较大,而四脊喇叭使用同轴线馈电,馈电方式易于实现且插入损耗较小。

例如，在中国发明专利“一种四脊型宽带馈源”（申请号：201210148649.9）中公开了一种四脊喇叭天线。

在中国发明专利“低频宽带双极化四脊喇叭天线”（申请号：201310280482.6）中公开了一种四脊喇叭天线。

在中国发明专利“具有改进工作频率范围的集成阻抗匹配网络的喇叭天线”（申请号：200910159290.3）中公开了一种四脊喇叭天线。

虽然四脊喇叭在宽频带内具有良好的阻抗和辐射特性,但作为馈源,其波束等化较差、波束宽度随频率变化较大 ,影响了天线的效率。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种四脊喇叭宽带馈源天线，本项目研究了馈源口径对辐射特性的影响,并给出了一个宽频带四脊喇叭馈源的设计。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

四脊喇叭宽带馈源天线，包括赋形馈源外壁，馈源外壁端口设置有口面适配器，馈源外壁底部设置有台阶形反射腔，馈源外壁内部等角度安装有4个赋形脊片，所述脊片的脊曲线为曲线段和直线段的拟合，脊片底部设置有短路板，所述馈源外壁端口半径为125mm，所述馈源外壁底部半径为38.8mm，所述天线高度为277.7mm。

进一步，所述脊曲线的直线段高度为30mm，所述脊片底部宽度为52.5mm，所述脊片厚度为6mm，所述短路板高度为10mm，短路板宽度为31mm。

进一步，所述天线的馈源频率为1.6-4.2GHz。

采用上述结构设置的四脊喇叭宽带馈源天线，具有以下优点：

本馈源天线设计满足SKA射电天文望远镜的SKA1-Mid Array Band 3（1.65-3.05GHz）的需求，该馈源在整个频带内具有较低的反射损耗,三个主平面的主极化方向图波束等化较好，-10dB 波束宽度基本恒定。

附图说明

图1为本实用新型的立体图；

图2为本实用新型的立体图；

图3为本实用新型的俯视图；

图4为图3中沿A-A的剖视图；

图5为本实用新型所采用脊片的主视图；

图6为本实用新型所采用脊片的尺寸图；

图7为本实用新型反射损耗波形图；

图8为本实用新型端口隔离度波形图；

图9为1.65GHz喇叭的辐射方向波形图；

图10为3.05GHz喇叭的辐射方向波形图。

图中：1.馈源外壁；2.反射腔；3.馈电探针；4：口面适配器；5. 脊片；5-1. 短路板；6：高次模抑制环。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达到预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本实用新型的结构、特征以及功效详细说明如后。

如图1、图2、图3、图4所示为本实用新型的实施例之一，在该实施例中，四脊喇叭宽带馈源天线，包括赋形馈源外壁1，馈源外壁1端口设置有口面适配器4，馈源外壁1底部设置有台阶形反射腔2，馈源外壁1内部等角度安装有4个赋形脊片5，脊片5的脊曲线为曲线段和直线段的拟合，脊片5底部设置有短路板5-1，馈源外壁1端口半径a为125mm，馈源外壁1底部半径c为38.8mm，天线总高度b为277.7mm。

如图5、图6所示，脊曲线的直线段高度f为30mm，脊片1底部宽度（d+g）为52.5mm，脊片1厚度为6mm，短路板高度e为10mm，短路板宽度d为31mm。

天线的馈源频率为1.6-4.2GHz。

波导的工作带宽定义为主模截止波长和第一个高次模截止波长之比。圆波导的主模是TE11 模,在圆波导中加入脊片可以降低主模的截止频率,增加第一个高次模的截止频率,这样就展宽了波导的工作带宽。四脊喇叭主要由脊片、口面适配器、赋型馈源外壁、高次抑制环、反射腔、探针外露部分六部分组成，四脊喇叭采用同轴线馈电,同轴线的阻抗与脊波导的阻抗匹配,以获得良好的电压驻波比。脊片形状是四脊喇叭方向图和波束宽度的主要影响因素,它的另一个作用是阻抗匹配,使阻抗从四脊波导处的阻抗过渡到自由空间的阻抗。脊曲线一般采用指数曲线的形式。背腔是影响四脊喇叭电压驻波比的重要部件,选用台阶形腔体能有效改善四脊喇叭的电压驻波比。VSWR与反射损耗的关系如下式所示，其中S₁₁为电压值：

VSWR=(1+S₁₁)/ (1-S₁₁)

本项目采用NEC-2软件编写出相应Fortan源代码，再利用遗传算法优化出所需参数值。

遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的一种数值搜索方法,它经过目标函数设置和遗传操作,嵌入电磁编程代码,在全局范围内寻找优化变量的最大值。将参数值带入电磁仿真工具HFSS建立馈源整体模型，优化馈源整体性能。遗传算法和电磁仿真工具HFSS的结合来完成天线设计是目前比较先进的设计方案，能够满足SKA宽带馈源需求的前提下，提供出快速、精准、可靠参数的天线结构。

应用HFSS、电磁仿真软件验证本实用新型的反射损耗、端口隔离度、波束等化性能分别如图7、图8、图9、图10所示。

本实用新型利用HFSS电磁仿真软件与遗传算法NEC-2的有效结合，开展的宽带四脊喇叭馈源研究，实现了在1.6-4.2GHz频段内反射损耗小于10dB，端口隔离度在整个频段内小于20dB，在E、H、45度三个面-10dB波束宽度变化小的天线性能。为正在开展的应用在SKA射电天文望远镜SKA1-Mid Array Band 3提供了可能性的馈源选择。

上面所述只是为了说明本实用新型，应该理解为本实用新型并不局限于以上实施例，符合本实用新型思想的各种变通形式均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.四脊喇叭宽带馈源天线，包括赋形馈源外壁，馈源外壁端口设置有口面适配器，馈源外壁底部设置有台阶形反射腔，馈源外壁内部等角度安装有4个赋形脊片，所述脊片的脊曲线为曲线段和直线段的拟合，脊片底部设置有短路板，其特征在于，所述馈源外壁端口半径为125mm，所述馈源外壁底部半径为38.8mm，所述天线高度为277.7mm。

2.如权利要求1所述的四脊喇叭宽带馈源天线，其特征在于，所述脊曲线的直线段高度为30mm，所述脊片底部宽度为52.5mm，所述脊片厚度为6mm，所述短路板高度为10mm，短路板宽度为31mm。

3.如权利要求1所述的四脊喇叭宽带馈源天线，其特征在于，所述天线的馈源频率为1.6-4.2GHz。