CN86104580A - 微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供微波天线。以抛物线构成各镜面，则：1.反射后，仍为同相位的波，其信号较强；2.天线效率较高；3.天线的频带宽；4.副反射器的造价低；5.易于提高天线的性能与售价。其四种结构：A.多个抛物柱面平行排列、作为几十米见方的天线，各种费用低、精度有保证；B.利用各建筑物架设，节省所须铁塔与场地；C.直接接收卫星播音或电视的天线，易于提高所接收的频率，有效地提高其增益；D.用于接力站的天线，其副瓣低。

Description

本发明涉及天线，特别涉及微波天线。

现有的微波天线，其不足之处为：一.频带不宽：某个确定的结构尺寸，往往只能用于两种频率;二.主镜（即主反射器）发射面（即主镜镜口平面）上，相位不同：想象发射天线，有馈源发出光线，到达发射面。各条光线所历的路程不同，路程之差称为“程差”，程差可折算为电磁波的相位差。可以证明，程差大于波长的结构：1）有四分之一的相位差，不同程度地削弱信号、2）其余四分之三的相位差，以矢量和的方式合成信号，这两个因素都减弱信号的强度;因之，与发射面上无程差的天线相比，必然：三.效率较低;四.副镜（即副反射器）为双曲面，与抛物线构成的曲面比较，难达所须形状，因之：五.工作波长不能缩短、天线增益受限制。

本发明的目的在于：提供频带宽、（以几何光学衡量）无程差、效率较高、镜面截线为抛物线的微波天线，其中镜面为旋转抛物面者，本发明还提供工艺上易达最短波长所须精度的结构。

实现本发明目的的各种技术方案如下    一.总的构思：微波天线由一只馈电器、一个至若干个副镜、（延长镜面可接合为一的：一个至若干个镜面组合的）主镜组成，且：上述镜面：A.主镜的各镜面由一条抛物线构成，B.各副镜镜面由焦距不同的抛物线构成，C.上述所有抛物线的焦点重合、轴线OF重合，D.所有镜面、以（接受光的）光路编号（与镜面轴线OF平行的光，进入主镜，按各镜反射的顺序编号，例如主镜第一次反射，其编号为1，其后反射的副镜，依次编为2号、3号、……），焦点位于奇数号镜面与偶数号镜面之间，E.包括主镜在内，所有镜面的构成方式：各抛物线均处于一个平面上，以该平面为旋转面，围绕旋转轴Z旋转（成为：抛物面、抛物柱面或其他形式的镜面），F.编号最大的镜面，正对馈电器的开口。这个构思的最佳结构为：一个副镜，其周边略大于接收主镜反射波之所须;馈电器的大小与副镜相当：其内表面能全部容纳副镜所反射的波、其端部及外表面处于主、副镜反射波的“阴影区”内-要求提高能流密度时，利用变换器缩小波导尺寸。馈电器大小与第一个副镜不相当（例如容纳不下变换器的场所）时，一个副镜与主镜之间多次反射后，波全部进入馈电器是不可能的（因安装精度不可能那么高），则较强的波在馈电器端部产生较强的反射波、天线效率也不高。这种情况下，增加副镜数量，让最后的副镜周边稍大于所须，可在馈电器的端部形成阴影，就不会有反射波。采用几个副镜，获较好的安装效果：第一个副镜，其焦距更大，以相同的安装水平（相同的绝对误差），获得更好的效果，安装效果以相对误差衡量;第二个副镜与第一个副镜的距离，比（只用一个副镜时的）副镜与主镜的距离短，易于提高安装精度（例如距离短、可用更精密量具）。副镜总数，只须三个：即使第一个副镜的开口很大，第二个副镜（编号3）可利用主镜与第一个副镜之间的多次反射的结果（波束变细）;但应注意：3号镜须能全部反射同相位的波，其外形可由绘制多次反射的光路确定;当然，3、4号镜均应处于阴影区、均应稍大于所须。主镜镜面分为若干段的必要性：当镜面较大时，用电火花加工镜面，分段加工可降低电火花所需功率，柱面的另一必要性详下述五。第二个引伸出的构思：解决特大型天线的若干特殊困难，详下述六至八。第三个引伸的构思：第一个副镜不遮挡进入主镜“光波”的结构，详下述三。以上总构思，可表达为以下结构。结构不同，制造方法与用途亦随之而异;所以把制法用途列于各结构之后。二.馈电器的内表面为波导，其横截面的形心、位于抛物线的轴线OF上，其构成方式、与镜面相同（围绕旋转轴Z旋转）;也可为其他结构。三.上述所有镜面分为两半、装设、馈电器具有两分支波导，各分支波导的开口，正对编号最大的镜面。四.各镜面为旋转抛物面，馈电器的内表面为圆波导（上述旋转轴Z与抛物线的轴线OF重合）。镜面制法：以具有足够强度、较高熔点的材料（例如非磁性钢），铸出（或压成）所须凹面（底部带有管子）;凹面搪锡。镜面装在恒定转速的旋转轴上，封住管口、倾入定量的熔融的锡，逐渐增大转速，至微量锡溢出时保持恒速;待锡凝固后停机。此锡基还应镀铜（电镀或化学镀），镀铜后再镀银。制镜面时，只须转速恒定，便可获得精确的镜面。此种天线，用途普遍，直接接收卫星播音或电视的天线，便是其一。五.各镜面为抛物柱面、馈电器的内表面为矩形波导（上述旋转轴Z在无穷远处）。抛物柱面的制法：1）以轻金属板（铝板）为材料、通过轧辊、轧压成形，凹面上垫以硬度更低的橡皮，可免出现轧痕。如果工作波长更短、精度不够，再以：2）电火花加工，以精密形状的金属板为另一极，该板加工时沿焦线方向作直线运动，“进刀”时垂直于焦线移动。柱面安装：主镜与波导之间，用胶合剂粘牢。波导或支梁的外表面，每隔一定距离，加工成各层燕尾，各镜面后部，每隔相同的距离，附有燕尾槽，各燕尾槽插入燕尾。燕尾与燕尾槽之间的垫片，可使各镜面焦线重合。支梁安装在夹板上。主镜开口甚大时，把主镜面分为几片，可利用墙面平行的几个建筑物，从而节省所须的铁塔与场地。做法是：在稍低的屋顶上架设主镜底部（包括副镜与馈电器），在其余建筑物的墙上（或屋顶）安装其余主镜镜面。在建筑物上附设挡风板，还可降低天线对风负荷的要求，从而降低天线造价。如果主镜的方位，可兼反射阳光，在第一副镜内部填充供热解质（水等），为室内提供热水副镜，一物多用。如果工作波长较长、镜面精度要求不高，可在建筑上以混凝土为基，贴附金属箔作为主镜;只须注意：新建的建筑物，须于落成后，测量其相对距离，再设计制作天线。六.上述旋转轴Z与抛物线的轴线OF平行，两者距离ρ依旋转角度θ变化：ρ＝kθ，焦点构成等距离螺线，各镜面与馈电器的内表面，由旋转面上的焦点及各曲线定位，不同旋转面上，各曲线对应相同，馈电器的内表面，为空腔（而非两个不接触的曲面）。七.天线的开口面，构成方形同心回纹，回纹中两互相垂直的抛物柱面之间的接合方式：在该两抛物柱面的对称面上，选取与抛物线轴线OF平行的旋转轴Z，使：两端接合处，与两柱面上各点相切，馈电器的接合仿此、其内表面为空腔（而非两个不接触的曲面）。亦即弯曲接头，沿Z轴旋转90°。各弯曲接头，若取旋转半径对应相等，则所有弯曲接头中的各曲面也对应相等;此时用若干个模（胎）具，就可制出所有弯曲接头。亦即弯曲接头可统一为一种结构。八.采用多个抛物柱面天线，所有抛物柱面的朝向一致，平行排列，各波导接通。射电天文天线，要求抛物面直径为几十米至一百米，宜应用此方案。此方案的优点：1）天线的厚度（即高度）比同等直径的抛物面天线小好多倍;2）安装现场只须接通波导，不必接合镜面-安装方便得多;3）每个天线最多占用两节列车（天线的包装箱下装万向导轮、供火车进入弯曲的隧道时自动调节包装箱取向），运输方便;4）在制造厂内安装馈电器等部件，精度得到保证;5）主镜造价低。第六至第八方案，皆可缩小天线高度、替代大直径的抛物面天线。四方案在改进制法后，造价可低于特大型抛物面天线。九.适于波微接力站的天线，应具有副瓣低的性能，须以主镜镜口为截面，可截到副镜（2号镜）的内表面，且主镜及该副镜的镜口、靠近镜口的内外表面，均敷设微波吸收材料，由光路确定理论位置、扩大（1～3）%成为实际的敷设位置。（例如主镜的外表面，取主镜镜口的3%），吸收材料可以如下：A.橡皮铁氧体、B.碳橡皮、C.由猪鬃（或马尾）与碳粉混合。十.计及电磁波比光波的波长更长，两者不能完全等同，所以波导开口处，须为渐变式匹配器，亦即馈电器的内表面，为渐变式匹配器（例如，其截面为：抛物线渐变线、切比雪夫型渐变线、指数线、贝塞尔线、双曲线），以减少反射。

与现有技术相比，本发明的优点为：一.没有受波长制约的结构尺寸，因之天线的频带宽;则一只天线，只须对每种频率通道、连接滤波器，就可：以多种频率同时工作;二.以几何光学衡量，进入馈电器（或从主镜发出）的波，均为同相位的波;同相位的波，信号直接相加（没有消弱信号的相位差），信号较强;因之：三.天线效率较高;四.用电火花加工，抛物柱面的加工性也比双曲面好，因为前者加工时易于“均匀切削”;旋转抛物面的造价更低-本发明的副镜，造价低;五.本发明的结构尺寸不必更改，仍旧留有：加工与安装精度提高（制造一个时期后，易于提高）之后、缩短工作波长的馀地;而工作波长一经缩短，同样的天线、就具有平方倍的增益G₂λ² ₁/λ² ₂，例如最初的精度不高，工作波长只能达λ₁＝3厘米，其后精度提高、其工作波长为λ₂＝3毫米，则其增益G₂为最初G₁的100倍;最后精度更进一步提高，工作波长为λ₃＝0.3毫米，此时增益G₃为G₁的10000倍。制造厂也可向（包括本人在内的）天线发明人购买KnOW-hOW，先获得高精度技术，再以相同的材料费、造出（毫米波、亚毫米波）高增益的天线;亦即以高技术取得高性能，从而获得高利润;六.以上是本发明各种结构的共同优点、各种结构的独特优点，已述于上。

附图表示装配方式。把各图编号、名称、标号含义汇总于下表：

依次进一步叙述本发明各方案于下。（方案号与上述对应相同）：

一.为表示清晰，图1画出半边光路图。该图表达如下内容：1）各副镜镜面稍大，无光线射到其上，“用不上”之处，即“大于所须”;2）光线在1号、2号镜反射几次后，才射到3号镜上;3）3号镜无遗漏地接收到全部光线，更重要的：它所接收到的光线，均为同相位-若3号镜扩大到虚线位置，则虚线镜面的光，不是同相位的光;4）主镜镜面分为几段者，分开之处，须在阴影内-不应“漏光”。二.热焊使另件变形;馈电器〔6〕宜用胶合剂（如环氧树脂）与镜体粘合为一。三.图2抛物线柱面的装配、可参照图4。旋转抛物面的装配方式，参见图3;其馈电器〔6〕的分支上口为圆波导，它经变换器变换为矩形波导，再接H-T接头，汇成馈电器〔6〕。四.图3的斜线为2号镜伸向主镜的支撑腿，共三条。其中一条腿系旋转至图4位置。各腿末端，均刻螺纹，作为“螺母”，主镜外侧，为螺杆。未绘出馈电器〔6〕，其装配方式仿4号镜。五.图4：各根支梁的两端，均由“夹板”紧固为刚体。支梁末端均有向形心倾斜的斜面，既可与夹板（对准时）立即夹紧、又可与夹板的安装孔之间留出间隙，间隙中置垫片，以调整支梁位置。每隔一定距离，才在镜体上装燕尾槽，支梁上的燕尾也如此，支梁无燕尾处，如图中水平虚线所示。六.须2πK＞抛物线开口，才有容纳各镜外侧的空间。一个实施例的结构是：天线由底座与芯部组成，芯部由芯底与分段的组合镜面（组合镜面见图5及图6。图5为其正视图、图6为其俯视图。此组合镜面，只有一个副镜、且与主镜合为一体;可用导型截面轧制技术制出、再切割所须窗口）组成。芯底分为各段（相邻的馈电器内表面，形成各段的外表面），用数控机床加工该表面与所须安装平面。宜用铝合金作为整个天线的材料。安装顺序：先把各段底座组件装为整体，再装上一段馈电器，自端部套入组合镜面、用螺钉固定后，装馈电器的下一段，……。螺旋形的波导，可当做矩形波导，利用渐变匹配器缩小其截面长度。七.方形同心回纹的形状见图7。八.用H-T接头，接通各柱面天线的波导。九.吸收材料敷设后的形状，参见图8。电磁波的能量，无散失（指无泄漏）、无削弱（削弱指不同相位），此天线的效率，不致于太低。十.对于旋转抛物面，匹配器取抛物线时，匹配器与主镜制作时同时形成（即旋转注锡时同时形成）。本发明未述部份，与现有技术相同。微波天线问世至今、二十多年来，结构上一直存在、有待解决的五个问题（详本说明书第二段），本发明予以解决。

Claims (10)

1、天线，特别是微波天线，由一只馈电器[6]、一个至若干个副镜[2，3，4]、延长镜面可接合为一的：一个至若干个镜面[1，5，7]组合的主镜组成，其特征在于-上述镜面：A.主镜的各镜面由一条抛物线构成，B.各副镜镜面由焦距不同的抛物线构成，C.上述所有抛物线的焦点重合、轴线OF重合，D.所有镜面、以(接受光的)光路编号，焦点位于奇数号镜面与偶数号镜面之间，E.所有镜面的构成方式：各抛物线均处于一个平面上，以该平面为旋转面，围绕旋转轴Z旋转，F.编号最大的镜面，正对馈电器[6]的开口。

2、权利要求1所述的天线，其特征在于：馈电器〔6〕的内表面为波导，其横截面的形心、位于抛物线的轴线OF上，其构成方式、与镜面相同。

3、权利要求1所述的天线，其特征在于：所有镜面分为两半、装设，馈电器〔6〕具有两分支波导，各分支波导的开口，正对编号最大的镜面。

4、权利要求2所述的天线，其特征在于：旋转轴Z与抛物线的轴线OF重合，各镜面为旋转抛物面、馈电器〔6〕的内表面为圆波导。

5、权利要求2所述的天线，其特征在于：旋转轴Z在无穷远处，各镜面为抛物柱面、馈电器〔6〕的内表面为矩形波导。

6、权利要求2所述的天线，其特征在于：旋转轴Z与抛物线的轴线OF平行，两者距离ρ依旋转角度θ变化：ρ＝kθ，焦点构成等距离螺线，各镜面与馈电器〔6〕的内表面，由旋转面上的焦点及各曲线定位，不同旋转面上，各曲线对应相同，馈电器〔6〕的内表面，为空腔。

7、权利要求2所述的天线，其特征在于：天线的开口面，构成方形同心回纹，回纹中两互相垂直的抛物柱面之间的接合方式：在该两抛物柱面的对称面上，选取与抛物线轴线OF平行的旋转轴Z，使：两端接合处，与两柱面上各点相切，馈电器〔6〕的接合仿此、其内表面为空腔。

8、权利要求与所述的天线，其特征在于：采用多个抛物柱面天线，所有抛物柱面的朝向一致，平行排列，各波导接通。

9、权利要求4所述的天线，其特征在于：以主镜镜口为截面，可截到副镜〔2〕的内表面，主镜及副镜〔2〕的镜口、靠近镜口的内外表面，均敷设微波吸收材料，由光路确定理论位置、扩大（1～3）%成为实际的敷设位置。

10、权利要求1至9，其中任一要求所述的天线，其特征在于：馈电器〔6〕的内表面，为渐变式匹配器。