射電日像儀寬頻帶雙圓極化饋源的製作方法與工藝

2023-05-22 00:05:26 4

射電日像儀寬頻帶雙圓極化饋源1)技術領域本發明屬於無線電、射電天文技術領域，尤其涉及一種反射面上安裝的寬頻帶饋源。2)技術背景新一代釐米-分米波射電日像儀低頻段是由40面天饋系統，40套模擬接收機以及40路數字接收機組成。其中天饋系統中的饋源是日像儀前端接收系統的一個重要組成部分，同時也是整個系統設計的難點之一。由觀測目標的物理性質決定，日像儀需要在高時間、高空間、高頻率解析度對太陽進行連續觀測，並在寬頻帶內具有綜合成像能力。饋源方向圖應滿足對反射面的照射要求，通常兼顧天線增益和副瓣電平，要求反射面邊緣照射電平約為-10dB，即饋源方向圖-10dB處波束寬度應接近於反射面張角。通常所應用的超寬帶天線有對數周期天線、平面螺旋天線、圓錐螺旋天線、Sinuous天線等。對於對數周期天線，當工作頻帶很寬時，這種天線存在的問題和缺陷有：天線的尺寸很大，如果將其加在反射面上，導致天饋系統的效率降低，且相位中心易隨頻率的變化而移動；平面螺旋天線和圓錐螺旋天線由於其結構特點，只能實現單旋向接收，不能同時接收雙圓極化波，因此均不適合做日像儀所需要的饋源。因此本發明所要解決的技術問題是提供一種寬頻帶饋源，能夠確保饋源結構，提高電性能穩定性。此發明所設計的饋源在寬頻帶(0.4GHz～2GHz的低頻段)接收雙圓極化RCP(右旋圓極化)和LCP(左旋圓極化)信號，具體特性，就是在觀測頻帶內，饋源的方向圖、阻抗、相位中心等參數基本不隨頻率變化。由於如果採用直接雙圓極化輸出信號的饋源無法滿足低頻部分5個倍頻程的頻率範圍要求。項目中的所用的寬頻帶雙圓極化饋源將採用寬頻帶線極化饋源加3dB電橋移相器的辦法實現。3)

技術實現要素：
本發明解決的技術問題：根據射電天文技術，設計考慮饋源在整個寬頻帶內，相位中心不隨頻率改變而改變，電壓駐波比小於1.5。在工程上雙圓極化天線可以由性能優良的雙線極化天線結合隔離度超好的3dB電橋形成網絡來構造。本發明具體是這樣實現的：在新一代釐米-分米波射電日像儀中，一期的工作頻段在0.4-2GHz，饋源組成包括：對稱振子、金屬地板、饋電所需的同軸電纜、饋電處的絕緣介質、電阻、支撐對稱振子的楔形模塊、金屬薄片。根據上述方案，各個對稱振子長度是其接收電磁信號波長的二分之一。根據上述方案，楔形模塊作為對稱振子與金屬地板的連接部件，是由低介電常數板製作而成，形狀從側面看是一直角梯形，底面與地板做到無縫接觸，根據對稱振子與地板的夾角加工楔形模塊，以提高對稱振子的穩定度和機械強度。根據上述方案，在饋電處需要添加絕緣介質，確保饋電座內外的同軸度。根據上述方案，在最底端高頻對稱振子相連處，同軸電纜的內芯和外皮分別與高頻對稱振子的兩端相連。根據上述方案，同軸電纜饋電時，應調節同軸電纜饋電的位置，並添加電阻，使饋源與電阻的阻抗約為50歐，以與同軸電纜的特性阻抗匹配。根據上述方案，在調試過程當中，部分頻率段的對稱振子需貼小的金屬薄片，以獲得較好的饋源電性能。為了使饋源具有等化的E面和H面波瓣寬度，通過對饋電部分添加阻抗的優化方法解決駐波值較大的問題。本發明與現有技術相比的優點如下：a)在寬頻帶下，饋源的尺寸減小，極大的提高了拋物面天線的照射效率。b)具有等化的E面和H面波束寬度。c)輸入阻抗、方向圖、相位中心顯示良好的非頻變性，這種饋源的應用，對於後續的數據處理提供可參考數據。d)饋源的寬頻帶設計，為之後在射電天文界應用的天饋技術開闢一種新的研究方向。e)易加工，造價低。新饋源所選用的材料均為常用，可靠性高，無特殊工藝加工要求，容易加工。4)附圖說明本發明涉及一種太陽射電日像儀饋源，它是一種可在寬頻帶(0.4-2GHz)範圍內，與4.5米拋物面天線一起接收太陽電磁信號。所有振子以對數周期形式排列，具有低交叉極化、穩定的相位中心等特點。圖1是半波對稱振子天線結構示意圖，此振子作為饋源基本組成單元。如圖1所示，此振子輻射方向圖在振子的軸線方向上輻射為零，在水平面上輻射最大。圖2為饋源的接收單一線極化電磁波振子的結構示意圖，由20對如圖1所示的對稱振子組成，可以在寬頻帶範圍內形成線極化輻射。在高頻端饋電，使得每一對振子上的電流幅度、相位、方向一致。由圖2可知，每一對對稱振子例如b1和b1』在空間距離相隔約為半個波長，在高頻端b20與b20』的空間距離相隔約為半個波長。圖3為兩組如圖2所示的振子放置在金屬地板上的饋源結構俯視圖，所述饋源接收垂直和水平極化分量。本發明包括：金屬地板1，饋源的1/4部分是由對稱振子a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a10、a11、a12、a13、a14、a15、a16、a17、a18、a10、a20組成，材質為銅，由線切割工藝完成。其餘三塊與這一塊製作方法一樣。各個振子的長度、間隔都是以對數周期形式排列。製作實物時，由於要求圖2所示的對稱振子對b1和b1』，b2和b2』，b3和b3』，b4和b4』，b5和b5』，b6和b6』，b7和b7』，b8和b8』，b9和b9』，b10和b10』，b11和b11』，b12和b12』，b13和b13』，b14和b14』，b15和b15』，b16和b16』，b17和b17』，b18和b18』，b19和b19』，b20和b20』間距相隔約為各自頻率段的半個波長，在實際製作中，對稱振子對需要用楔形模塊將其支撐，以與金屬地板形成張角。在高頻端b20和b20』連接處，採用同軸線對兩組如圖2所示的進行分別饋電。由於同軸電纜特性阻抗為50歐，與實際製作饋源特性阻抗不匹配，需在饋電部分添加漸變線或電阻的方法以實現阻抗匹配。分別在饋電部分距饋電線2、3和4、5之間的中間位置各加470歐姆。為了能夠接收雙圓極化信號，需在饋電部分後端添加3dB電橋。同軸電纜連接3dB電橋，兩根同軸電纜的外皮分別與2、4相連，3、5分別與同軸線的內芯相連，兩根同軸線的另外一端接3dB電橋。具體方法為：當將此饋源的低頻頻率和高頻頻率確定後，對稱振子最短長度和最長長度基本確定。通過仿真軟體，優化各振子長度和高度，得出實際製作尺寸的最佳優化值。在電性能測試過程中，天線輸入阻抗的調配可通過調節對稱振子的數量、對稱振子的寬度、在饋電處添加匹配電阻或漸變線等方法實現。當將實物製成後，可通過調節振子多少反覆測量，調試期間使得輸入的電壓駐波比＜1.5，直到達到最佳輸入阻抗匹配。5)具體實施方式a)通過項目所要求的指標特性，對饋源的振子長度以及寬度進行設計，仿真，優化，得出最優值。b)最典型的平面對數周期天線是印刷對數周期偶極子天線，由N根印刷振子周期性的平行排列在集合線上構成，其結構如圖3所示。天線各振子的尺寸和位置與振子的序號有關，按照結構比例因子τ設計排列，滿足式中，n表示振子的序號，n＝1，2，3...N-1；sn為第n根與第n+1根振子間的距離，n＝1，2，3...N-1；ln為第n根振子的長度。饋源就是由圖2所示的兩組振子單元製作而成的，低剖面寬帶雙極化天線的陣列天線單元採用大張角設計，縮短了單個對數周期天線的縱向尺寸，最大限度地減小了饋源對反射面天線口徑的遮擋。低剖面寬帶雙極化天線的設計保留標準對數周期天線的非頻變特性，即當頻率f連續變化時，天線的電特性隨著頻率的對數作周期性變化。為了獲得對稱的方向圖，以實現對反射面的均勻照射，對於每一個工作頻率f，相同極化天線單元的有效工作區間距為0.5λ，以實現對稱的E、H波瓣寬度。同時，對於每一個工作頻率f，天線單元的有效工作區與天線地板的間距為0.16λ，確保天線的相位中心位於天線地板的中心。當頻率f連續變化時，相同極化天線單元的有效工作區的間距、有效工作區與天線地板的間距的電長度保持不變，因此低剖面寬帶雙極化天線可以在很寬的頻率範圍內實現對稱的E、H波瓣寬度、穩定的相位中心、優良的交叉極化特性等，這是反射面天線饋源的主要技術指標要求。c)太陽輻射電磁波是線極化電磁波，通過在後端添加3dB電橋形成圓極化信號。雙圓極化形成的網絡結構，網絡的兩個輸入埠A、B分別與雙線極化天線的兩個輸出埠連接，假定兩個輸入埠A、B處可得到兩路幅度相等的極化正交的線極化信號可分別設為根據圓極化形成的基本理論，形成圓極化的兩路信號必須滿足極化正交且相位相差90°。因此，通過圓極化形成網絡分別在兩個信號通道中實現90°的相移，再分別相加，得到所需的圓極化。