一种波纹槽四脊喇叭馈源的制作方法

本发明涉及紧缩场馈源天线的技术领域，具体涉及一种波纹槽四脊喇叭馈源。

背景技术：

馈源是透镜天线或者反射面天线的重要组成部分，其中高性能宽频带的馈源系统可以有效的改善天线的工作性能，同时由于近年来，在通信、国防和射电天文领域对超宽带馈源提出了日益迫切的需求，并要求至少3：1甚至更高的带宽内同时满足波束宽度较为稳定和比较良好的辐射特性，尤其在紧缩场测试领域，这样的超宽带馈源的设计非常具有挑战性，故而超宽带馈源天线的研究和应用是具有十分重要的实际意义的。

四脊喇叭天线作为一种常用的宽带天线在紧缩场测试领域有一定的应用空间，但是缺陷也十分明显，其方向图在高频时出现不对称，并且波束宽度随频率变化较大，往往会随着频率的升高而急剧变窄，在高频时也更容易出现主瓣分裂的情况。四脊喇叭天线的另一个限制因素是其交叉极化水平比较高，这会导致在应用四脊喇叭天线做电磁测试时，在某些特定的位置处严重影响测试精度，故而目前的超宽带馈源并不成熟，需要对四脊喇叭进行改进与更精细的设计。

对于四脊喇叭天线的基本结构以及优化已经取得了不少进展，主要通过对喇叭壁外形的赋型以及脊片的参数调整，来对口面处辐射的模式进行控制，达到理想的辐射性能。同时，一些改进的结构也被提出用以解决四脊喇叭天线的缺陷，这些改进结构主要有，增加口面适配器，高次模抑制环，以及进行赋形化的喇叭壁设计。2006年，jacobs介绍了一种使用椭圆形的赋型喇叭壁的四脊喇叭天线，研究出了可通过喇叭壁参数的变化，来获得所需的方向图的波束宽度，2013年，akgiray对脊片形状以及匹配问题进行了研究，明确了脊片间距以及脊片曲线对于喇叭辐射的影响。国内对于四脊喇叭天线的研究也有一些创新点，主要是采用脊片厚度赋型，以及脊片外延等方法，一定程度上改善了低频处的反射。目前以上的研究仍然没有解决四脊喇叭天线交叉极化高，波束宽度随频率变化过大的缺陷，在低频处波束宽度过大，由此造成的电磁波泄露较为严重，这些问题尤其对于紧缩场测试系统的应用来说，是比较关注的问题，也是着力需要解决的问题。

因此，设计一款新型的超宽带馈源天线，来满足紧缩场的一些测试指标要求是有重要实际意义的。

技术实现要素：

本发明设计出一种波纹槽四脊喇叭馈源，该馈源天线具有回波损耗小，波束宽度较稳定，交叉极化低，成本低的突出优点。

本发明采用的技术方案为：一种波纹槽四脊喇叭馈源，包括一个轴向波纹槽四脊喇叭天线1，支架结构2，法兰盘3和吸波材料4，喇叭天线包含三节阻抗匹配结构6，采用特定脊曲线的四个脊片5，用来连接两个相互垂直的极化方向上接头的腔体7，一个短路板8，一个相应尺寸的喇叭壁9，一个四槽的轴向波纹槽结构10，以及两个采用sma接头连接的半刚同轴电缆馈电接头11，喇叭天线1通过螺钉连接在支架结构2上，支架结构2也通过螺钉固定在法兰盘3上方；吸波材料4粘贴覆盖在法兰盘3上；采用特定脊曲线的四个脊片5分别安装在圆台形喇叭壁9上，喇叭壁9上削出四条与脊片宽度相同的平整面，用以安装脊片；两个采用sma接头连接的半刚同轴电缆馈电接头11依次穿过腔体7和采用特定脊曲线的四个脊片5中的其中一个，电缆馈电接头的外导体与腔体7和穿过的脊电气连接，电缆馈电接头的内导体与对面的脊电气连接；三节阻抗匹配的馈电结构6可通过调节各节的长度和宽度降低回波损耗，四槽的轴向波纹槽结构10通过调节各槽的宽度和深度来得到较稳定的波束宽度。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，喇叭壁9为圆锥形，长度在210～230mm之间，电尺寸在1.4λc～1.6λc之间(λc为截止频率对应的波长)，口面直径在115～125mm之间，口面电尺寸在0.75λc～0.85λc之间。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，采用特定脊曲线的四个脊片5的厚度在5～5.5mm之间，喇叭脊波导部分两脊的间距在2～2.15mm之间；采用特定脊曲线的四个脊片5在相互靠近位置处采用60°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线相匹配；两个sma接头连接的半刚同轴电缆馈电接头11距离短路板8的距离分别为23.4mm和24.4mm。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，喇叭馈电段采用了三节阻抗匹配结构6，三节的张开宽度依次为0.55～0.65mm(电尺寸0.0037λc～0.0043λc)，0.85～0.95mm(电尺寸0.0057λc～0.0063λc)，1～1.1mm(电尺寸0.0067λc～0.0073λc)，三节的长度依次为4.1～4.3mm(电尺寸0.027λc～0.029λc)，2～2.2mm(电尺寸0.0137λc～0.015λc)，4.1～4.3mm(电尺寸0.027λc～0.029λc)；连接第一节与第二节的长度为7.3mm(电尺寸0.049λc左右)，连接第二节与第三节之间的长度为10.4mm(电尺寸0.069λc左右)；第三节与特定脊曲线的脊片相连接，构成完整的脊片。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，脊片的脊曲线按照固定的修正型指数曲线渐变，指数曲线方程为y＝2.192*e^0.0167*x+0.057*x，采用特定脊曲线的四个脊片5在相互靠近位置处采用60°切角。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，喇叭口面位置处加载了四槽的轴向波纹槽结构10，四槽的宽度均为10～11mm之间，电尺寸在0.06λc～0.07λc之间，由内层到外层的槽深依次为37.6，37.6，36.5，36.5mm，电尺寸在0.2λc～0.3λc之间，槽的壁厚约1mm。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的轴向波纹槽四脊喇叭天线中，采用特定脊曲线的四个脊片5距离短路板8靠近脊片一侧的平面的距离为20.9～21.9mm之间；采用特定脊曲线的四个脊片5用导电胶与腔体7连接，并用螺钉进行固定，实现采用特定脊曲线的四个脊片5与腔体7的良好电接触。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，所述的天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金。

所述的波纹槽四脊喇叭馈源中，支架结构2的支撑柱在法兰盘3与喇叭天线1之间的长度在150mm～300mm之间；覆盖在法兰盘3上的吸波材料厚度在30mm～80mm之间。

本发明的原理在于：

该发明是一种针对于紧缩场测试的超宽带馈源的发明。该馈源的频率覆盖范围在3倍频程以上，如2-6ghz。整套发明包括轴向波纹槽喇叭天线1，支架结构2，法兰盘3，吸波材料4。该发明使用三节匹配的馈电结构，通过调节每一节的张开宽度与长度，可以使脊波导的主模特性阻抗与同轴线的特性阻抗达到非常好的匹配效果，将喇叭的回波损耗大大减小，提高了喇叭的驻波性能，同时配合特定的脊曲线，将喇叭的工作带宽极大地进行了拓展。在喇叭的口面位置处加载了四个轴向波纹槽。波纹槽的深度在四分之一λc(λc为截止频率对应的波长)左右，可以很好的抑制低频段的波束宽度，同时，由于波纹槽的存在，口面的电场分布被向中心压缩，抑制了存在于脊片之间存在的环向的电场分布，从而降低了喇叭的交叉极化水平，在整个频带上，交叉极化平均降低了5db以上。喇叭天线后配置一定长度的支架结构，支架结构的上下两端配置一定的连接附件连接喇叭天线和法兰盘，并在支架结构底部铺设特定的吸波材料，抑制由于支架结构引起的多次辐射。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过在口面位置处加载一个四槽的轴向波纹槽结构，将低频段方向图的波束宽度降低了20度以上，在整个频带上获得了较稳定波束宽度，从而在超宽带馈源的领域具有更强的实用性。

(2)、本发明通过波纹槽对口面电场的压缩作用，减小了喇叭口面的相对电尺寸，抑制了脊片间产生的环向电场，在工作频带内大大降低了交叉极化水平，提高了测试效率和精度。

(3)、本发明在脊波导的馈电处采用了三节阻抗匹配结构，使脊波导的主模特性阻抗与同轴线的特性阻抗达到非常好的匹配效果，将喇叭的回波损耗大大减小，提高了喇叭的驻波性能。

附图说明

图1为本发明一种波纹槽四脊喇叭馈源的结构示意图；

图2为轴向波纹槽四脊喇叭天线结构示意图；

图3为支架结构和法兰盘及连接方式示意图；

图4为三节阻抗匹配结构示意图；

图中的附图标记含义为：1为轴向波纹槽四脊喇叭天线，2为支架结构，3为法兰盘，4为吸波材料，5为采用特定脊曲线的四个脊片，6为三节阻抗匹配结构，7为腔体，8为短路板，9为喇叭壁，10为四槽的轴向波纹槽结构，11为采用sma接头连接的半刚同轴电缆馈电接头。

具体实施方式

本发明的具体构思如下：由于四脊喇叭天线具有频带宽的特点，所以以四脊喇叭天线为基础引入多节匹配技术与波纹槽技术，来改善喇叭的回波损耗和波束宽度，使其能在紧缩场测试领域进行应用。在脊波导的馈电处增加一个多节阻抗匹配结构，可以通过调节多节结构的尺寸很大程度上降低回波损耗。同时利用波纹槽技术，在口面位置处加载四个轴向槽，轴向槽可以降低低频段的波束宽度，从而稳定整个频带上的波束宽度，同时波纹槽的存在可以压缩喇叭口面的电场分布，抑制存在于脊片之间存在的环向的电场分布，从而可以降低喇叭的交叉极化水平。

根据上述发明的构思，本发明采用如下技术方案：

先确定四脊喇叭天线的口面尺寸和喇叭长度，口面尺寸由截止频率决定，传统的四脊喇叭口面需大于最低工作频率的一半，对应2ghz，口面选择应大于75mm，最终除去波纹槽部分喇叭的口面直径在115～125mm之间，喇叭天线的长度应根据最优喇叭设计的原则，同时兼顾口面相位差尽可能小，喇叭长度选择为在1.4λc～1.6λc之间。

根据磁场积分方程方法，确定四脊波导的厚度和脊波导间距分别为5～5.5mm和2～2.15mm。四脊波导的四个脊在相互靠近位置处采用60°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线匹配。对脊的切角的设计的原则是，四个脊片不能相互重叠，同时应当对驻波性能有较大的改善。

脊片的脊曲线一般采用修正型指数函数的形式：y＝a*e^r*x+b*x，其中r主要决定了脊曲线的张开速度，r越大，张开速度越快，相应天线轴长越短，r越小，张开速度越慢，天线轴长越长。r越大，反射越大，但是考虑到作为馈源天线需要有稳定的相位中心，以此不能选择过大的天线轴长，同时系数a，b也能控制喇叭的张角，喇叭的张角与波束宽度和回波损耗都有关系，所以应当权衡两个结果取最优值，本发明通过优化后得到的a，b，r值分别为2.192，0.057，0.0167。

在实际工程中天线加工存在一定误差，在设计中需要给出相应的加工容差，由于加工误差存在，采用特定脊曲线的四个脊片5与腔体7很难保证良好的电接触，仿真和实验均证明，如果采用特定脊曲线的四个脊片5与腔体7没有良好的电接触将对脊喇叭的驻波产生很大影响。因此在设计中加入导电胶连接脊片和腔体，同时，采用四个m2螺钉进行加固，对脊片与腔体进行机械固定。

改进型四脊喇叭天线的加工可以采用铝，铜等导电良好的金属，作为一个优选实施例，采用硬铝作为加工材料。

为了最大程度上降低喇叭的回波损耗，得到良好的驻波性能，引入了三节阻抗匹配结构6，通过设计脊波导部分三段渐进结构，改善了脊波导中主模的特性阻抗，使其与同轴线的特性阻抗更容易匹配，同时也可以拓宽喇叭天线的工作带宽。经过优化调整后，三节的张开宽度依次为0.55～0.65mm(电尺寸0.0037λc～0.0043λc)，0.85～0.95mm(电尺寸0.0057λc～0.0063λc)，1～1.1mm(电尺寸0.0067λc～0.0073λc)，三节的长度依次为4.1～4.3mm(电尺寸0.027λc～0.029λc)，2～2.2mm(电尺寸0.0137λc～0.015λc)，4.1～4.3mm(电尺寸0.027λc～0.029λc)。连接第一节与第二节的长度为7.3mm(电尺寸0.049λc左右)，连接第二节与第三节之间的长度为10.4mm(电尺寸0.069λc左右)。第三节与特定脊曲线的脊片相连接，构成完整的脊片。采用该结构后，电压驻波比降低了0.3左右，达到了电压驻波比在工作频带内都小于1.5的水平。

为了对低频段辐射方向图的波束宽度进行一定的控制，来达到在整个频段上波束宽度都较为稳定，引入了轴向波纹槽结构，通过在四脊喇叭天线口面位置处增加四槽的轴向波纹槽结构10，轴向波纹槽与喇叭的口面保持水平，波纹槽抑制了低频段的波束宽度，增加波纹槽后，低频2ghz处的3db波束宽度从原来的80度降低为55度，整个频带内的3db波束宽度稳定在了20～55度之间，同时，由于波纹槽的存在，口面的电场分布被向中心压缩，抑制了存在于脊片之间存在的环向的电场分布，从而降低了喇叭的交叉极化水平，在整个频带上，交叉极化平均降低了5db以上。

在实际的紧缩场测试系统中，馈源后面一般有支撑固定结构，该部分可能会产生一些散射，影响测试精度。本发明设计了支架结构2，将喇叭天线架起，使其与紧缩场反射面焦点重合，同时在支撑结构与底部的法兰盘3之间铺设吸波材料4，抑制由于金属的支撑结构所产生的反射。

本发明涉及的一种波纹槽四脊喇叭馈源，该馈源可以用于紧缩场测试系统中作为发射或接受天线。也可以作为紧缩场静区扫描探头，实现较高的测试精度。同时，该馈源还可以应用在射电天文领域，作为大型反射面天线的馈源使用。