专利名称：一种四脊型宽带馈源的制作方法
技术领域：
本发明属于射电天文中的微波器件，具体地涉及一种四脊型宽带馈源。
背景技术：
射电波段是传统光学波段之外打开的第一个窥测宇宙的窗口。在10项天文学研究的诺贝尔物理学奖中，射电天文学成就了 6项星际分子谱线、脉冲星、脉冲双星、3K微波背景辐射、微波背景各向异性成像、综合孔径成像技术等。射电天文学发现了中性氢(HI)21厘米谱线、星际非热辐射、射电星系、相对论性喷流、引力透镜、黑洞证据、原星系、巨分子云、星际脉泽、原恒星、太阳系外行星系统、以及太阳和金星上的射电风暴等。射电天文观测目前用于研究各种天体的前沿问题，特别是暗物质分布、黑洞物理、宇宙暗能量性质、引力波和引力暴(Gravitational wave bursts)探测等最前沿问题。射电望远镜是射电天文研究的基本工具。射电望远镜基本是由一面巨大的反射面天线、多套不同波段的馈源和接收机系统以及相对应的数字后端系统组成。传统的馈源带宽较窄，是射电望远镜带宽难以提高的制约因素。传统的馈源器件，在IGHz以下的较低频段通常采用偶极振子类型的馈源，其带宽的提升主要受到振子天线较窄的损耗特性及方向图特性的制约；在IGHz以上，通常采用金属主体的喇叭天线结构，其带宽的提升主要是受到方向图在高频的恶化及带宽有限的正交模式极化器的制约。近年来，射电天文对超宽带的观测设备提出了迫切的需求，宽频带被认为是下一代射电天文观测设备应具备的重要指标。更宽的观测带宽是提高望远镜灵敏度的重要途径，宽带的观测仪器还因其整合了多个波段的观测设备而大大提高了设备的利用率。宽带的射电观测能够极大地推动天文学的前沿创新，对射电天文研究本身具有十分独特的意乂 I、对射电源进行宽频带的观测，从而可以直接测量其频谱；2、对多条谱线同时进行观测，从而有助于确定射电辐射区的物理性质；3、提高对弱源特别是脉冲星的探测能力；4、提高对短脉冲源特别是暂现源(瞬变源)的研究能力。宽带馈源是所有宽带射电天文观测设备的关键及瓶颈所在，馈源设备作为连接大天线与接收机的关键器件，要尽可能均匀地收集来自反射面聚焦的电磁波并低损耗地将其转化为电压信号，需要满足多方面的技术指标，因此宽带馈源的设计是一项具有挑战性的任务。目前的射电望远镜中广泛装备的波纹型喇叭馈源性能优良，但只能达到2.2 I的相对带宽。为了进一步拓展带宽至5 : I甚至10 : I以上的水平，近年来国际上已经开始了众多的尝试。美国的ATA阵列望远镜装备了一种结构类似于对数周期天线的宽带馈源，能够在23 I的超宽带内实现好于-14dB的反射损耗，同时其照明束宽也相对恒定，然而由于ATA馈源的相位中心存在着明显的波动，需要设计额外的机械装置改变其馈电点的位置，这样也破坏了同时性的宽带观测能力。随后发展出的Eleven[R. Olsson, P. -S. Kildal,and S. Weinreb,“The Eleven Antenna a Compact Low-profile Decade Bandwidth DualPolarized Feed for Reflector Antennas，，，IEEE Trans. On Antennas Propagation.,vol. 54，no. 2，pp. 368-375，2005.]等类型宽带馈源，对ATA馈源的相位中心进行了改善，然而驻波比性能偏差，同时该类型的馈源需要设计额外的宽带巴伦，会进一步增加系统损耗和设计、加工难度，无法满足射电天文观测对高性能器件的需求。
宽带馈源的另外一个实现途径是采用四脊型喇叭，传统的四脊喇叭损耗大难以满足射电天文场合对器件高灵敏度的要求，方向图随频率波动大会严重降低馈源在宽频带上的照明效率、相位中心不够平稳、交叉极化偏大。更重要的，传统的四脊馈源的照明波束居中，大约在30° 60°之间，只比较适合用作偏馈结构的反射面天线中，而在大量存在的主焦和卡焦反射面天线中难以推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四脊型宽带馈源，使其能够更好地用作射电天文中的宽带馈源。为实现上述目的，本发明提供的四脊型宽带馈源，包括有馈源外壁和底座，其中馈源外壁的包络为一赋形的曲线函数；馈源外壁的辐射面加载有口面适配器；馈源外壁内的底部安装有高次模式抑制环；四个脊片，等角度地安装在馈源外壁的内部，各脊片的包络为一赋形的曲线函数；各脊片的一端其边缘为棱边结构，其中相邻的两个脊片的棱边结构的一端设有贯通于脊片宽度的通孔，一连接件穿过通孔与相对应的另一个脊片连接；四脊片的棱边结构一端安装在高次模式抑制环内，四脊片之间有一工作间距；各脊片的高度由棱边结构一端至脊片前部逐渐变高，该高度与馈源轴向尺寸呈线性递增关系;底座朝向馈源外壁方向开设有反射腔。所述的四脊型宽带馈源，其中，馈源外壁的包络曲线为赋形设计，其特征在于随着馈源口的逐渐打开，其口面的打开速率呈现逐渐加快的趋势。它可以是指数型函数、椭圆型函数、双曲余切函数或其它等类型的函数；其中A)馈源外壁的包络曲线为指数型函数时的公式，例如y{x) =Ial+ b、eh:.、+ C1 (x / J1)"式 I式I 中X是馈源的轴向取值，y是馈源外壁与轴向直线的垂直距离；B^b1是馈源末端的口径尺寸，通常取为0. 47 λ J λ ^为工作频带内的最大波长值)；Id1是两个相对脊片的间距，相对脊片间距通常取为略小于Imm ；C1和η是馈源外壁包络进行微调的函数，在方向图恒定性与带宽性能之间进行选择，取值在(-5，+5)之间；I1是馈源外壁的长度，132是馈源外壁的包络曲率，该两项参数决定了馈源的边缘照明角的数值。对于不同照明角的馈源，其^七值由一确定的辐射口面(即馈源喇叭最大的张口处)的直径D1来进行制约，故大照明角的馈源需要设计成较短的馈源长度I1和较为陡峭的包络曲率1^2，小照明角的馈源则需要采用较长的馈源长度I1和较为舒缓的包络曲率b2，D1值可由下面的公式来估算
权利要求
1.一种四脊型宽带馈源，包括有馈源外壁和底座，其特征在于 馈源外壁的包络为一赋形的曲线函数； 馈源外壁的辐射面加载有口面适配器； 馈源外壁内的底部安装有高次模式抑制环； 四个脊片，等角度地安装在馈源外壁的内部，各脊片的包络为一赋形的曲线函数； 各脊片的一端其边缘为棱边结构，其中两个相邻的脊片的棱边结构一端设有贯通于脊片宽度的通孔，一连接件穿过通孔与相对应的另一个脊片连接； 四脊片的棱边结构一端安装在高次模式抑制环内，四脊片之间有一工作间距；各脊片的高度由棱边结构一端至脊片前部逐渐变高，该高度与馈源轴向尺寸呈递增关系； 底座朝向馈源外壁方向开设有反射腔。
2.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，馈源外壁的包络曲线为赋形设计，其特征在于随着馈源口的逐渐打开，其口面的打开速率呈现逐渐加快的趋势；该包络曲线可以为指数型函数、椭圆型函数、双曲余切函数。
3.根据权利要求I或2所述的四脊型宽带馈源，其中 A)馈源外壁的包络曲线为指数型函数时
4.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，口面适配器的椭圆轴比为2 I、长轴为1/4波长且椭圆函数为135°角度。
5.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，高次模式抑制环的内半径是馈源外壁半径的80%，高次模式抑制环的高度是是馈源整体长度的3%。
6.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，脊片的包络曲线为指数线型函数、椭圆型函数或双曲余切函数；其中 A)脊片的包络曲线为指数线型函数的公式
7.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，脊片的渐变高度为线性函数、幂函数、椭圆型函数或双曲余切函数；其中 A)脊片的渐变高度为线型函数的公式
8.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，四脊片棱边结构的角度为30。-60。。
9.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，底座上的反射腔为圆锥状。
10.根据权利要求I所述的四脊型宽带馈源，其中，连接件为一圆柱形探针，其长度为两相对脊片的间距；在圆柱形探针的一端为过渡段，圆柱形探针的另一端与相对的脊片焊接牢固；过渡段的另一端与标准的SMA探针相匹配；连接件中圆柱形探针的直径是过渡段直径的1-2倍。
全文摘要
一种四脊型宽带馈源，包括有馈源外壁和底座，其中馈源外壁的包络为一赋形的曲线函数；馈源外壁的辐射面加载有口面适配器；馈源外壁内的底部安装有高次模式抑制环；四个脊片，等角度地安装在馈源外壁的内部，各脊片的包络为一赋形的曲线函数；各脊片的一端其边缘为棱边结构，其中两个相邻的脊片的棱边结构的一端设有贯通于脊片宽度的通孔，一连接件穿过通孔与相对应的另一个脊片连接；四脊片的棱边结构一端安装在高次模式抑制环内，四脊片之间有一工作间距；各脊片的高度由棱边结构一端至脊片前部逐渐变高，该高度与馈源轴向尺寸呈递增关系；底座朝向馈源外壁方向开设有反射腔。本发明提供的四脊型宽带馈源能够更好地用作射电天文中的宽带馈源。
文档编号H01Q13/02GK102683864SQ201210148649
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者于京龙, 庞峰, 李建斌, 董宾, 韩金林 申请人:中国科学院国家天文台