专利名称:微波天线的制作方法
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G2λ21/λ22，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。
权利要求
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。
专利摘要
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。
文档编号H01Q15/14GK86104580SQ86104580
公开日1987年2月11日 申请日期1986年7月8日
发明者孔令如 申请人:孔令如导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan