一种1.25GHz馈源阵列的去耦合方法

本发明涉及一种1.25ghz馈源阵列的去耦合方法，专门用于射电天文领域相控阵接收机馈源阵列的去耦合效应及合成波束方向图改善。

背景技术：

1、反射面天线配备多波束接收机可以大幅提升原有望远镜的观测能力，但多波束接收机由于受馈源物理尺寸的限制，各波束间隔较大、无法形成连续的视场，巡天时需要编制特定的方案。因此，相控阵接收机应运而生。相控阵接收机是近年新兴的一种基于反射面的阵列天线接收技术，其一般采用弱方向性天线单元组成小型二维馈源阵列，通过波束合成网络对每个阵元施加不同的激励来控制波束的相位中心，使得合成的多个波束紧密相连，以实现连续的视场覆盖，提高巡天观测效率。由于接收机前端的馈源阵列可以实现相控阵功能，因此也叫做相控阵馈源(phased array feed，paf)。例如nrao为gbt研制的19阵元相控阵接收机的馈源阵列，其采用7个六边形排布的子阵合成1个波束，因此该19阵元的馈源阵列可实现7个相互交叠的波束，以实现该视场范围内连续天区的同时观测。

2、相控阵接收机经过20多年的发展，前端馈源阵列的阵元数量已从最初的十几阵元扩展至上百量级，阵元选型也从微带天线、螺旋天线逐渐过度到双极化偶极子天线、vivaldi天线等类型。为了追求极致的噪声性能，接收机前端的物理温度也从常温、部分制冷(制冷低噪声放大器)，发展到当前的全阵列整体制冷设计。但作为阵列天线的一种，相控阵馈源在设计时也无法规避阵元之间耦合效应所带来的影响。这是因为阵列单元通过电磁场的相互作用，导致除了被激励单元之外的其它天线单元上也能产生感应电流，这种相互效应称之为互耦。一般来说，阵元间距越小，其耦合效应也越强，其将导致阵元的辐射特性在阵列环境中变化，以进一步影响阵列的增益、波束宽度和输入反射系数等性能。另外，耦合效应还与偏振相关，这对用于射电天文偏振观测的相控阵接收机设计来说尤其需要考虑。

3、在发射阵列中，耦合效应本质上是天线单元之间的高阶作用，以此作为阵列总辐射场的一部分。在大多数应用中，各天线单元的激励信号可以设定不同的幅度与相位，使得辐射的波束可以指向期望的方向。理想情况下，总辐射场是来自各阵元辐射场的总和。但当存在相互耦合的情况下，阵元之间的高阶作用将与总辐射场结合在一起，使得阵列辐射的波束与理想方向图不同。

4、而在类似相控阵接收机这种接收阵列应用中，阵列接收到的电磁场将在天线单元上产生感应电流，从而产生了端口电压。在大多数应用中，期望接收到的信号完全取决于外部的入射信号，但在接收阵列实际应用中，天线单元在接收时也成为了散射体，其二次辐射场也会被其它天线单元所接收。也就是说，接收阵列接收到的信号是外部输入信号和再辐射场的总和。

5、假设一个n元的接收阵列，每个阵元使用m个基函数建模。在这种情况下，矩量法的解可以表示为公式1所示

6、

7、上式的各子矩阵(阻抗矩阵、电流矩阵、电压矩阵)可以表示为公式2所示

8、

9、公式1的第k行由公式3表示

10、zkkik＝-zk1i1-l-zk(k-1)ik-1-zk(k+1)ik+1-l-zknin+vk            (3)

11、公式3的左式是由第k个天线单元的标准矩量法分析下产生的项，该项表述的意义是k阵元的独立状态，而并非处于天线阵列当中的状态。方程的右侧则可以当做两个独立的源，项vk对应于来自外部源的入射场在天线单元k上产生的感应电压，剩余项则对应由于其它天线单元上的电流分布而产生的感应电压(即耦合电压)。根据叠加原理，这两个源对第k个天线单元的总体影响是独立的。从数学上讲，这意味着两个激励源中的任何一个产生的场都满足独立的边界条件，因此它们激励的场也是彼此独立的。那么，当所有天线单元的电流分布和阻抗矩阵都已知时，就能够确定耦合电压项和zkkik项，由此可以进一步确定由入射场产生的电压vk。

12、虽然天线单元各段的电流分布可以通过数值模型得到，但实际应用中却只能测量天线端口处的电压或电流。为了解决这个问题，采用“单模”近似的方法，将阵列中的天线单元当做仅由一段组成。此时，可以使用端口电压和电流将天线阵列描述为一个n端口网络，公式1现在可以写成如公式4所示

13、

14、其中，下标t用于表示方程指的是天线端口处的电流和电压。项为由于端口电流而产生的天线单元α和β之间的互阻抗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种1.25ghz馈源阵列的去耦合方法，该方法首先使用标准增益喇叭发射1.25ghz参考信号，将1.25ghz馈源阵列放置在远场区域作为接收阵列，使用吸波黑体遮挡在馈源阵列前级，依次露出各个阵元并测试各对应端口的输出电压，结合使用网络分析仪测试到的整个馈源阵列的阻抗矩阵，以此求解整个馈源阵列在考虑阵元间耦合效应下各对应端口的输出电压，最终借此计算出整个馈源阵列的去耦合激励。该方法无需将独立的阵元依次排布在原馈源阵列各阵元对应的空间位置，便可以获取各阵元对应端口的输出电压，使得测试效率大幅提升，将最后得到的去耦合激励赋权给阵列后级的波束合成网络后，可以明显降低耦合效应对馈源阵列合成方向图的影响。

2、本发明所述的一种1.25ghz馈源阵列的去耦合方法，该方法通过通过标准增益喇叭发射1.25ghz参考信号，将1.25ghz馈源阵列放置在远场区域作为接收阵列，利用吸波黑体遮挡并依次露出馈源阵列各阵列单元并测试对应端口的输出电压，结合使用网络分析仪测试到的整个馈源阵列的阻抗矩阵，求解整个馈源阵列在考虑阵元间耦合效应下各对应端口的输出电压，最终计算出整个馈源阵列的去耦合激励，具体操作按下列步骤进行：

3、a、将信号发生器频率设置为1.25ghz并与标准增益喇叭输入端相连，开启信号发生器，使得1.25ghz参考信号经标准增益喇叭口面发射出去；

4、b、将待解耦的1.25ghz馈源阵列对向标准增益喇叭口面，放置在距离标准增益喇叭远场区域作为接收阵列，将吸波黑体放置在1.25ghz馈源阵列前方用以遮挡参考信号，并依次露出馈源阵列中的一个阵元，使整个馈源阵列一次只有一个阵元可以在所处阵列的对应位置接收到参考信号，依次测量各阵元对应端口的输出电压；

5、c、使用网络分析仪测试整个1.25ghz馈源阵列的阻抗矩阵，结合步骤b测试到的各阵元对应端口的输出电压，计算出整个1.25ghz馈源阵列在考虑阵元间耦合效应下各对应端口的输出电压；

6、d、从步骤c得到的耦合效应下各阵元对应端口的输出电压中，计算出耦合效应下各阵元输出端实际对应的幅度和相位信息，以此作为整个馈源阵列的去耦合激励。

7、本发明所述的一种1.25ghz馈源阵列的去耦合方法，该方法中：

8、所述的信号发生器为常规的微波信号供给设备，用于提供1.25ghz频率的参考信号；

9、所述的标准增益喇叭为常规的双脊喇叭测量装置，用于向外辐射参考信号；

10、所述的矢量网络分析仪为常规的微波测量设备，用于测量1.25ghz馈源阵列的阻抗矩阵；

11、所述的1.25ghz馈源阵列为一款16阵元的微带天线阵列，按照4×4的矩形方式排布，工作频率为1.25ghz，用于焦径比为0.3的射电望远镜主焦位置安装的相控阵馈源。

12、所述的吸波黑体为常规的黑体吸波材料，用于吸收除待测阵元以外其它阵元前级的参考信号，使得各阵元测试过程中，其它阵元由于被吸波黑体遮挡而无法接收到外部参考信号，因而也不会在阵元表面产生感应电流以形成再辐射场，并将再辐射场的能量耦合至待测阵元处。

13、本发明的优点在于：所述的一种1.25ghz馈源阵列的去耦合方法，该方法无需测试整个馈源阵列各阵元较难确定的端口电流，也无需将独立的阵元依次排布在原馈源阵列各阵元对应的空间位置，便可以获取各阵元对应端口的输出电压，使得整个解耦的测试效率大幅提升，将最后得到的去耦合激励赋权给阵列后级的波束合成网络后，可以明显降低耦合效应对馈源阵列合成方向图的影响。