专利名称：平板状宽频带反射面微波天线的制作方法
技术领域：
本发明属于一种反射面微波天线，特别是由多个不同的抛物形反射面而组成的微波天线，它包括馈源、馈源支杆、天线支架和多个以同心且呈径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面。
目前在微波领域广泛应用的天线是旋转抛物反射面天线，这种天线虽然具有增益高、主瓣窄、副瓣低、频带宽等优点，但因其加工精度要求高，制作工艺复杂、多使用金属材料以及形状方面的原因，使天线的体积和重量较大、造价很高、给运输、安装带来很多不便，且常因安装误差和自重所产生的应力而易使天线变形，增益降低。为此，国内外天线行业一直都在努力研究一种平板状天线来替代它，如介质透镜天线、菲涅尔波带片天线、多振子阵列式平板天线，但都因为损耗大、增益低、频带窄等原因而不能实用。近年来有人提出的微带天线也因为主瓣宽、重量大、成本昂贵以及只能用于接收等原因而不能得到推广使用。
中国专利86 2 11074 U公开了一种多焦距抛物面平板形卫星地面站天线，从该申请文件的说明书和权利要求书中可以看到，该天线是采用不同直径的圆环状抛物面反射带以同心圆方式沿径向排列，各圆环同处于一个平面上，其焦距之差为工作波长的整数倍。这虽然是对天线平板化的一个新设想，具有一定的进步意义，但仍然存在以下三个实质性缺点(一)当各环状抛物面反射带的焦距差为工作波长的整数倍时，这就决定该天线只能在设定电磁波工作波长上具有会聚和同相位叠加的作用，当工作波长变化时，因天线的尺寸不能变化，致使波程差发生变化而不能再实现同相位叠加，而相反产生色散现象，这就决定该天线只能是窄带的，不能满足接收C波段信号所需带宽500MHz的要求;(二)从理论上讲，当各环状抛物面反对带的内外缘各处于同一平面上，其焦距之差为某一工作波长的整数倍时，各反射带之间将留有较大的空档，使天线增益大大减少。换句话说，在保证天线增益的前提下，当所有反射带内外缘各处于同一平面上时，又不可能使照射到这些反射带上的电磁波都汇聚到焦点上;(三)其理论厚度δ＝λ，因而使反射体厚度较大，天线体积、重量增加。
本发明的目的，在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种成本低、厚度薄、频带宽、增益高的平板状微波天线。
本发明的目的可以通过以下技术方案来达到一种平板状宽频带反射面微波天线，包括馈源及其支杆，天线支架和以多个同心径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面M0、M1、M2……Mm组成的反射体，本发明的关键在于，上述环状切割旋转抛物反射面的外缘处于同一平面上，其相邻两反射面的光程差△ρm依次等于天线所要求工作频带范围内的波长λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并遵循对数周期规律△ρm＝λmoxτm-1。
普通的旋转抛物反射面，当电磁波在馈源会聚后，由于所有电磁波的光程差始终等于零，所以能够使任何频率的电磁波都在馈源处产生同相位叠加。当反射面成为多个以同心径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面M0、M1、M2……Mm时，各反射面之间就会产生一个光程差△ρ，如何能够使电磁波经过这些反射面会聚到共同焦点，即馈源后继续叠加，一种办法是使各反射面的光程差正好等于某一波长的整数倍，但这只能保证该波长的电磁波在馈源处产生同相位的叠加，而当电磁波波长发生变化时，由于天线的尺寸不能改变，因而各反射面的光程差也不变，这样也就不能保证各路电磁波在馈源处都产生同相位叠加，反而可能产生色散，所以这种天线只能在一个很窄的频带范围内才有用。假如我们能够使各反射面在一定的工作频段范围λmox～λmin内所反射的电磁波会聚到馈源能基本同相且平均相位差很小，这就既保证了天线的工作频带宽度，又保证了天线的增益。
根据计算以及对数周期天线的规律可以证明，当取各反射面的光程差△ρm依次等于天线所要求工作频带范围内的波长λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并符合对数周期规律△ρm＝λmoxτm-1时，则可满足上述要求。
为了能够使天线平板化，取各反射面的上缘在一个平面上，据此可得到
图1所示的平板状天线反射面。
由图1可知tm+BC＝△ρm＝λm即tm+tm/cosθm＝△ρmtm＝△ρm/(1+secθm)t1＝△ρ1/(1+secθ1)＝λmox/(1+secθ1)由上式可知，当θ1→0时，secθ1→1，t1→λmox/2。tm的极大值λmox/2就是M0的中心深度AO，即AO＝λmox/2，这就是天线的理论厚度δ＝λmox/2。利用同样的过程也可以证明CN 86 2 11074天线的理论厚度δ＝λ。显然λmox/2比λ要小得多，也就是说本发明天线比CN 86 2 11074天线薄得多。
若天线的工作频率为fmin～fmox，对应的波长为λmox～λmin;天线的口径为D;馈源照射角θM为α1～α2，为强调天线增益，一般选一个接近下限α1的数值αb，即θM＝αb。
则天线厚度δ＝AO＝λmox/2F0-δ＝D/2/tgθM中心反射面焦距F0＝D/2tgαb+λmox/2相邻反射面光程差△ρm＝λmoxτm-1天线各反射面焦距Fm=F0+Σm=1NΔρm/2]]>天线反射面极坐标方程为ρm=2Fm/(1+cosθ)=2(F0+Σm=1NΔρm/2)/(1+cosθ)=2(F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθ)]]>在各反射面外缘处，有ρm＝(F0-δ)/cosθm根据反射面极坐标方程可得ρm=(2F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθ)]]>上两式联立得θm=sec-1[(2F0+Σm=1NΔρm)/(F0-δ)-1]]]>当θ＝θM时，有ρm=(2F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθM)]]>由天线的几何尺寸还可求得ρM′＝(F0-δ)/cosθM，要求出天线反射面的极坐标方程，就必须确定△ρm，而计算△ρm，就必须确定N值与τ值。
由于△ρm＝λmoxτm-1，当m＝N时有λmin＝λmoxτN-1令B＝λmox/λmin＝λmox/λmoxτN-1＝τ1-NlgB＝(N-1)lg(1/τ)∴N＝1+lgB/lg(1/τ)显然，τ是一个小于1的正数，当B一定时，其取值越大，△ρm递减的速率越慢，N值就取得越大，即天线的环数增加;τ取值越小，△ρm递减的速率加快，N值就变小，即天线的环数减少。
一般来说，先设定τ，由τ和B值算出N，然后再由天线的口径尺寸，算出N个环能否填满口径，经反复核算，直到两者基本吻合为止。一般是计算比较ρM与ρM′值的大小，当ρM≈ρM′时，就认为所选τ、N值是合适的，用最后确定的N与τ值，算出△ρm、△Fm、tm、θm以及天线的反射面曲线坐标值，再结合天线的厚度δ和中心反射面的焦距F0，即可作出天线的反射面。
一般来说，λmox、λmin值的选取是完全按照天线带宽的上、下限确定，但有时可根据实验测试结果，对照带宽和增益的要求，做微小的调整。
这些依照对数周期规律沿同心径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面，当外缘均位于一个平面内时，内缘虽然没有完全处于一个平面内，而是其深度tm随径向增大而变浅，但所有各反射面均处于一个平行板之内，该平板的厚度δ等于中心反射面M0的深度，δ＝λmox/2，其值一般很小。
将所有各反射面置于一个厚度为δ的平板状基材之上，使其表面的起伏与反射面相同，面与面之间为不反射电磁波的过渡面，则可得到一个理论厚度为δ的平板状天线反射体。如将各反射面完全置于一个厚度为δ的平板状基材的内部，则可得到一个完整的平行板状天线反射体，这样不但运输、折叠方便，而且还可保护反射面不被风、雨以及灰尘等侵蚀而变形、变质、老化。反射面及过渡面以下的下层基材可以由质量轻，形变小，价廉，且强度较大的材质做成，如塑料、木材、硬质发泡材料等压制而成，反射面及过渡面以上的基材可由对电磁波透明、即折射率趋近于1且质量较轻的材质制成，如聚氨脂硬质发泡材料、玻璃钢等。也可将没有上层基材的反射面连同下层基材一起用一个对电磁波透明的硬质材料，如玻璃钢外壳保护起来。
反射体可以通过将金属薄层、如铝箔贴在压制成形的基材表面而制得，也可通过在基材表面喷涂刷镀金属薄层而制得。
这种平板状天线可以做成两块，三块或数块，其间用铰链或其它机构连接，以利于折叠与运输，天线的支架可以用普通的固定支架，也可用普通的带调整方位与仰角的支架，也可用可以折叠的天线支架。
本发明的附面说明如下图1是本发明的反射面原理示意图;
图2是采用本发明制作的一个C波段卫星接收天线外观图;
图3是该C波段卫星接收天线反射体的结构图。
由图1可知，该发明具有m个以同心径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面1，反射面的中间为一个深度为δ的旋转抛物反射面2，该反射面2即为中心反射面M0，其焦距为F0，反射面之间为不反射电磁波的过渡面3，相邻两反射面之间的光程差△ρm＝λmoxτm-1。
图2、图3是采用本发明而制作的一个C波段卫星天线。天线的工作频率f为3.7～4.2GHZ，对应波长λ为8.108～7.143cm，λmox＝8.108cm，λmin＝7.143cm;天线的口径D＝3米;馈源照射角θM为50～60°，为强调天线的增益，取一个下限值θM＝52.3°。采用以上数据，根据本发明可以计算出
天线厚度δ＝λ
2＝8.108/2≈4.1cm中心反射面焦距F0＝D/2/tgθM+δ＝150/52.3°+4.1≈120cm带宽B＝1.135经反复核算可得当τ＝0.9843、n＝9时，9个环基本填满3米口径。实际比3米略大一点，这时有两种处理方法，一种是满口径要求，将第九块反射面减去多余部分;另一种是将天线口径D略扩大一点，按第九块反射面的实际大小做。
光程差△ρ1～△ρ9分别为8.108cm、7.981cm、7.855cm、7.732cm、7.611cm、7.491cm、7.374cm、7.258cm、7.144cm。
焦距差△F1～△F9分别为4.054cm、3.990cm、3.928cm、3.866cm、3.805cm、3.746cm、3.687cm、3.629cm、3.572cm。
θ1～θ9分别为28.759°、34.234°、38.476°、41.925°、44.817°、47.292°、49.443°、51.335°、53.016°。
t1～t9分别3.788cm、3.612cm、3.449cm、3.299cm、3.159cm、3.028cm、2.906cm、2.791cm、2.683cm。
根据以上所求数据、反射面极坐标方程或换算成的直角坐标方程所求的反射面的坐标值，即可作出该C波段天线的反射面。
参见图2可知，该天线由支架4、反射体5、馈源6和馈源支杆7组成，反射体5由三块构成，外边的两块反射体通过铰链与中间的反射体相连，必要时可以折叠，中间一块反射体安装在一个支架4上，支架4可以折叠，并可以通过下部的一个旋转机构13转动，馈源6正对反射体中心并处于反射体焦点，由一根插入反射体中心的馈源支杆7固定在反射体上。
参见图3，该天线的反射体具有一个聚氨脂硬质发泡材料压制而成的下层基材8，在下层基材8的表面贴有用铝箔做成的一个中心旋转抛物反射面M0和9个环状切割旋转抛物反射面9，相邻两反射之间为不反射电磁波的过渡面10，在反射面9与过渡面10上覆盖有用聚氨脂硬质发泡材料制成的上层基材11，在上、下层基材的外侧包有一个用玻璃钢做成的保护壳12，这样就构成了一个完整的平行板状天线反射体。由于玻璃钢与硬质发泡材料对电磁波都是透明材料，损耗很小，故不影响金属铝箔对电磁波的会聚作用。上层基材与玻璃钢的作用是保护反射面不被外界风化、侵蚀，不会变形并有利于折叠与运输。
结合以上实施例可以看出，本发明相比现有技术具有如下优点1、使各反射面的光程差△ρm以对数周期规律而变化，不但可保证天线的增益约为单口径旋转抛物反射面天线的75～85%，而且还可保证天线的工作频带宽度。
2、使各反射面的上缘处于同一平面，可使该天线的理论厚度δ仅为λmox/2，因此具有更高的(增益/厚度)比，更小的体积、更轻的重量。有利于折叠、运输、以及安装、调试。
3、由于该天线的体积、重量很小，制作工艺比较简单，且可采用廉价的非金属材料，因而使成本大为减低，仅为同口径旋转抛物反射面的1/3～1/5。
4、采用本发明所制作的天线，不仅可作为收信天线，同时也可作为发信天线以及雷达、通信、射电天文天线。为制造机动性能高的雷达，通信设备提供了可能。
权利要求
1.一种平板状宽频带反射面微波天线，包括馈源、馈源支杆、天线支架和以多个同心径向离散分布的环状切割旋转抛物反射面M0、M1、M2……Mm组成的反射体，其特征在于上述环状切割旋转抛物反射面的外缘均处于同一平面上，其相邻两反射面的光程差Δρm依次等于天线所要求工作频带范围内的波长λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并遵循对数周期规律Δρm=λmoxτm-1。
2.根据权利要求1所述的平板状宽频带反射面微波天线，其特征在于所述相邻两反射面的光程差△ρm依次等于C波段天线所要求工作频带范围内的波长8.108cm、λ2、λ3……λm-1、7.143cm。并遵循对数周期规律△ρm＝8.108τm-1。
3.根据权利要求1或2所述的平板状宽频带反射面微波天线，其特征在于所述反射体是一个包括上层基材、下层基材和基材外侧保护壳的完整的平行板状反射体。
4.根据权利要求3所述的平板状宽频带反射面微波天线，其特征在于所述上层基材是由聚氨脂硬质发泡材料制成，所述保护壳是由玻璃钢制成。
全文摘要
本发明属于一种平板状微波天线，它包括馈源、馈源支杆、天线支架和以多个同心径向离散分布的环状旋转抛物反射面M
文档编号H01Q15/16GK1050470SQ9010332
公开日1991年4月3日 申请日期1990年6月29日 优先权日1990年6月29日
发明者陈德泽, 黄顺生, 周亚清 申请人:中国人民解放军空军电讯工程学院