一種高功率微波輻射場測量系統接收天線的製作方法

2023-04-29 00:39:36

一種高功率微波輻射場測量系統接收天線的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種高功率微波輻射場測量系統接收天線，該裝置利用同軸線小尺寸、寬頻帶與高功率容量的特性，基於易採用同軸饋電的TEM喇叭設計接收天線結構，通過改進天線結構，抑制TEM喇叭同軸饋線外表面電流所形成的輻射模式，從而使天線在工作頻帶上具有較好的方向圖與駐波特性。這種裝置與輻射場測量系統其它器件配套使用可以有效減小測量系統的尺寸，能夠滿足L波段高功率微波輻射場測量的需求。
【專利說明】一種高功率微波輻射場測量系統接收天線

【技術領域】
[0001]本發明屬於高功率微波【技術領域】的高功率微波測量技術，特別是一種與小型化高 功率微波輻射場測量系統配套用的接收天線。

【背景技術】
[0002] 尚功率微波是指頻率範圍從300MHz到3〇OGHz、峰值功率大於1〇〇麗或平均功率大 於1MW的強電磁輻射。高功率微波在雷達、通信、核聚變加熱、材料處理及定向能等領域都 有重要的應用。
[0003] 接收天線是高功率微波測量系統中最常見的元件之一，在高功率微波測量系統 中，需要利用天線對高功率微波源發射的微波信號進行捕捉。目前常見的高功率微波輻射 場測量系統接收天線主要有矩形開口波導與角錐喇叭天線，二者均以矩形波導為基本結 構，在L波段高功率微波輻射場測量系統中需採用矩形波導型定向耦合器等大尺寸衰減器 件，嚴重影響了測量系統的便捷性。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是針對【背景技術】存在的缺陷，研究高功率微波輻射場測量系統接收 天線。
[0005] 本發明的技術解決方案是：
[0006] 一種高功率微波輻射場測量系統的接收天線，包括天線主體結構及饋電結構，其 特殊之處在於：
[0007] 所述天線主體結構包括輻射部分、方向圖調整部分及屏蔽部分，所述輻射部分結 構類似--Μ喇叭天線，包括兩塊極板，分別是上極板和下極板，每塊極板由水平段和弧形段 組成，水平段設置在輻射部分的尾部，弧形段設置在輻射部分的頭部，上極板的弧形段向上 彎曲，下極板的弧形段向下彎曲；
[0008] 所述屏蔽部分包括第一金屬屏蔽板、第二金屬屏蔽板及第三金屬屏蔽板，所述第 一金屬屏蔽板的一端與上極板的弧形段的上端連接，所述第一金屬屏蔽板的另一端與第二 金屬屏蔽板的上端連接，所述第二金屬屏蔽板設置在兩塊極板水平段的末端，所述第二金 屬屏蔽板的下端與第三金屬屏蔽板的一端連接，所述第三金屬屏蔽板的另一端與下極板的 弧形段的下端連接；
[0009] 所述方向圖調整部分為一弧形板，所述弧形板的上端與第一金屬屏蔽板的中部連 接，所述弧形板的下端與上極板水平段的尾部連接；
[0010] 所述饋電結構為同軸傳輸結構，安裝在第二屏蔽板的外側，且第二屏蔽板的對應 處設置有圓形孔，所述同軸傳輸結構包括內導體和外導體，所述同軸傳輸結構的內導體穿 過圓形孔與上極板的尾部電連接，所述同軸傳輸結構的外導體與第二金屬屏蔽板連接。
[0011] 上述上極板的寬度由弧形段至水平段逐漸變窄，所述下極板的寬度由弧形段至水 平段寬度不變，所述上極板的弧形段的上端寬度與下極板的弧形段的下端寬度相等。
[0012] 上述方向圖調整部分的弧形板從上至下的寬度由窄變寬再變窄，與上極板相連接 處的寬度最窄，且該處的寬度與上極板此處的寬度一致。
[0013] 上述方向圖調整部分的弧形板的從上至下的寬度由窄變寬再變窄，其兩端最窄處 與上極板的下端寬度相等。
[0014] 上述上極板的上端與下極板下端之間的距離h與上極板的上端寬度W相等，且與 工作頻帶的中心頻率對應的波長λ。之間的關係滿足公式（1)，與工作頻帶的下限頻率對 應的波長之間的關係滿足公式（2)，與工作頻帶的上限頻率對應的波長λ π?η滿足公式 (3)，X為天線口面邊長，X = w = h，
[0015] λ。= 2x (1)，
[0016] λ max = 3x (2),
[0017] λ = 1· 5x (3)。
[0018] 上述方向圖調整部分的截面為半圓弧結構，其末端與上極板平行部分和第一屏蔽 結構相切。
[0019] 上述天線主體結構天線採用硬鋁材料,通過線切割與銑工的方式一體成型加工， 表面鍍銀處理。
[0020] 上述同軸饋電結構採用50-27型硬同軸饋電結構。
[0021] 本發明與現有技術相比，優點是：
[0022] 1、本發明利用TEM喇叭天線頻帶寬、易於同軸饋電和尺寸能設計到較小的優點， 將其用於高功率微波輻射場測量的接收天線，並對其進行結構改進，使天線阻抗特性與方 向性特性能夠滿足要求，改進後的天線相對於現有常見的高功率微波輻射場測量系統接收 天線尺寸較小，配合使用時使測量系統尺寸較傳統波導型輻射場測量系統大幅減小，提高 了測量系統便捷性，有利於在外場試驗中使用。
[0023] 2、本發明通過對TEM喇叭結構進行改進，並增加了方向圖調整部分及屏蔽殼部 分，使得方向圖調整部分與屏蔽殼部分形成環結構，利用環結構具有隨頻率呈容-感性交 替變化的阻抗特性，抵消現有TEM喇叭結構輸入阻抗的虛部，使其呈現近似純電阻特性，並 抑制同軸線外導體外壁的電流形成的輻射模式，使天線在一定頻帶內具有良好的阻抗特性 與方向圖特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖ITEM喇叭傳輸線模型；
[0025] 圖2TEM喇叭方向圖畸變示意圖；
[0026] 圖3-l、3-2、3-3、3-4、3_5分別為L波段小型輻射場測量系統接收天線幾種不同的 視圖；
[0027]圖4-1為L波段小型輻射場測量系統接收天線與TEM喇叭的輸入阻抗的實部對比 圖；
[0028]圖4-2為L波段小型輻射場測量系統接收天線與TEM喇叭的輸入阻抗的虛部對比 圖；
[0029]圖5-1、5-2、5-3分別為L波段小型輻射場測量系統接收天線與TEM喇叭在三個頻 點的方向圖特性對比；
[0030]圖6L波段小型輻射場測量系統接收天線增益頻響曲線；
[0031]圖7L波段小型輻射場測量系統接收天線駐波特性曲線；
[0032]圖8-1、8-2分別為L波段小型輻射場測量系統接收天線e面與η面方向圖。

【具體實施方式】
[0033]以下從本發明的原理出發並結合附圖對本發明做詳細說明。
[0034]本發明的解決方案是針對【背景技術】中基於矩形波導的天線給輻射場測量系統帶 來尺寸大、重量重的弊病：基於同軸結構設計測量系統以克服傳統波導系統尺寸大、重量重 的缺fe ;利用ΤΕΜ !$帆寬頻帶、易於同軸饋電等特點設計天線主體結構；通過分析ΤΕΜ喇口入 天線用於窄譜測量存在的缺陷改進天線結構，以改善天線阻抗與方向圖特性。 TE；M喇叭天線 用於窄譜測量存在的阻抗與方向圖問題具體如下： ~
[0035] (a)阻抗問題。TEM喇叭的傳輸線模型如圖i所示。通過傳輸線阻抗方程 7 _ 7 Zy + j Z{) tan β? 4 S·焉+ j氣tanβ? (式中，Zq為傳輸線特徵阻抗，&為負載阻抗，運為傳播 係數，1為傳輸線長度）計算可知，ΤΕΜ喇叭在低頻部分的輸入阻抗的電抗分量主要表現為 容性，隨著頻率的提高，其電抗分量呈現容-感性交替變化的特性，導致天線饋電埠存在 較大的駐波，影響天線定標與使用的一致性。
[0036] (b)方向圖問題。ΤΕΜ喇叭與同軸線連接時，存在一個平衡一非平衡的過渡結構， 導致流至喇叭兩臂上的電流不相等。如圖2所示，在TEM喇叭上存在兩個輻射模式：（1)TEM 喇叭上下兩極板之間的電流（I2-I3)與1/形成的輻射模式1，其輻射主軸為多，與1?Μ喇 叭幾何主軸一致；(2)同軸外導體外壁上的電流13與TEM喇叭下極板下表面的電流1/形 成的輻射模式2,其輻射主軸為奪，偏離TEM喇叭幾何主軸。在不同頻點上，由於二者的振幅 與相位不一致，在輻射場疊加時會出現幅度相漲或相消的情況。當二者相漲時，天線的輻射 主軸將偏向TEM喇叭的下極板；當二者相消時，天線的輻射主軸將偏向TEM喇叭的上極板。 因此，隨著頻率的變化，天線的輻射主軸與喇叭幾何主軸之間呈現不確定關係。
[0037] 本發明針對TEM喇叭存在的上述問題，利用環結構具有隨頻率呈容-感性交替變 化的阻抗特性，對TEM喇叭結構進行如圖3的改進，抵消其輸入阻抗的虛部使之呈現近似 50Ω純電阻特性，並抑制同軸線外導體外壁的電流形成的輻射模式，使天線在一定頻帶內 具有良好的阻抗特性與方向圖特性。
[0038] 改進後的天線結構包括輻射部分、方向圖調整部分及屏蔽部分，輻射部分結構類 似TEM喇叭天線，包括兩塊極板，分別是上極板和下極板，每塊極板由水平段和弧形段組 成，水平段設置在輻射部分的尾部，弧形段設置在輻射部分的頭部，上極板的弧形段向上彎 曲，下極板的弧形段向下彎曲；屏蔽部分包括第一金屬屏蔽板、第二金屬屏蔽板及第三金屬 屏蔽板，第一金屬屏蔽板的一端與上極板的弧形段的上端連接，第一金屬屏蔽板的另一端 與第二金屬屏蔽板的上端連接，第二金屬屏蔽板設置在兩塊極板水平段的末端，第二金屬 屏蔽板的下端與第三金屬屏蔽板的一端連接，第三金屬屏蔽板的另一端與下極板的弧形段 的下端連接；方向圖調整部分為一弧形板，弧形板的上端與第一金屬屏蔽板的中部連接，所 述弧形板的下端與上極板水平段的尾部連接；饋電結構為同軸傳輸結構，安裝在第二屏蔽 板的外側，且第二屏蔽板的對應處設置有圓形孔，同軸傳輸結構包括內導體和外導體，同軸 傳輸結構的內導體穿過圓形孔與上極板的尾部電連接，同軸傳輸結構的外導體與第二金屬 屏蔽板連接。
[0039] 為了使天線阻抗與自由空間波阻抗和同軸饋線特徵阻抗實現良好匹配，降低天線 埠駐波；本發明的上極板的寬度由弧形段至水平段逐漸變窄，下極板的寬度由弧形段至 水平段寬度不變，上極板的弧形段的上端寬度與下極板的弧形段的下端寬度相等。
[0040] 本發明的方向圖調整部分的弧形板從上至下的寬度由窄變寬再變窄，與上極板相 連接處的寬度最窄，且該處的寬度與上極板此處的寬度一致，這是由於與上極板做阻抗匹 配時切成的。
[0041] 本發明輻射場測量系統接收天線的結構尺寸設計基於以下原則：工作頻帶的中心 頻率對應的波長λ。= 2x (X為天線口面邊長，X = w = h)，工作頻帶的下限頻率對應的波 長λ max二3x，工作頻帶的上限頻率對應的波長λ min = 1. 5x。，按此原則設計的天線性能更 好。
[0042] 以下以L波段高功率微波輻射場測量系統接收天線為例對本發明進行說明。
[0043] 實施例：天線口面尺寸hXw為100圓X 100圓，長度1為100mm，喇叭喉部寬度為 52mm，喇叭上極板為輻射方向圖調整結構為半圓弧結構，直徑為45. 5mm。同軸饋電部分為 50-27型硬同軸結構，內導體直徑為1L 72圓，外導體內徑為27mm，長度可根據需求選取；法 蘭尺寸為40mraX40mm，螺孔直徑為〇4圓，本實施方式接收天線與高功率微波輻射場測量 系統配套用，可承受脈衝功率在MW量級（脈寬50ns)。總重量約為430g，工作中心頻率為 1. 5GHz，帶寬600MHz，功率容量大於1MW量級（脈寬50ns),脈衝響應時間小於2ns。相較之 現有波導型輻射場測量系統最常用的接收天線--角錐喇叭（BJ14型，在頻率1. 5GHz增益 約為10dB，口面尺寸約為280mmX 190mm)，本實施方案接收天線口面僅為角錐喇叭的五分 之一，與小型高功率微波輻射場測量系統配套可大幅度減小測量系統尺寸（體積約為現有 波導型輻射場測量系統的十分之一），提高測量系統便捷性。
[0044]本發明的天線採用硬鋁材料，通過線切割與銑工的方式一體成型加工，表面鍍銀 處理，提高導電性。
[0045]本發明L波段小型輻射場測量系統接收天線的阻抗與TEM喇叭天線對比結果如圖 4所示。在1. 2GHz?1. 8GHz範圍內，TEM喇叭的輸入電阻約在（50±25) Ω之間波動，而本 發明天線的輸入電阻約在（50±15) Ω之間波動；TEM喇叭的輸入電抗約在（〇±25) Ω之間 波動，本發明天線的輸入電抗約在（〇±1〇) Ω之間波動。相比而言，本發明天線特徵阻抗的 電阻部分更趨於50 Ω，而電抗部分更趨於〇 Ω。
[0046]本發明L波段小型輻射場測量系統接收天線的方向圖與ΤΕΜ喇叭天線對比結果如 圖5所示。在1· 2GHz、1. 5GHz及1· 8GHz上，ΤΕΜ喇叭的Ε面方向圖輻射主軸明顯偏離天線 物理主軸（0。），而本發明天線e面方向圖輻射主軸與天線物理主軸 （0。）基本重合。 [0047]圖6為本發明天線的增益頻響特性曲線，在1. 2?1. 8Gik頻帶上，其增益從2. 8? 6· MB呈線性增大；圖7為本發明天線的駐波特性曲線，在丨· 2?丨·呢取頻帶上，電壓駐波 比小於1· 5 ;圖8為本發明天線的e面與η面方向圖，其最大輻射方向與天線物理主軸基本 一致。
【權利要求】
1. 一種高功率微波輻射場測量系統的接收天線，包括天線主體結構及饋電結構，其特 徵在於： 所述天線主體結構包括輻射部分、方向圖調整部分及屏蔽部分，所述輻射部分結構類 似TEM喇隊天線,包括兩塊極板，分別是上極板和下極板，每塊極板由水平段和弧形段組 成，水平段設置在輻射部分的尾部，弧形段設置在輻射部分的頭部，上極板的弧形段向上彎 曲，下極板的弧形段向下彎曲； 所述屏蔽部分包括第一金屬屏蔽板、第二金屬屏蔽板及第三金屬屏蔽板，所述第一金 屬屏蔽板的一端與上極板的弧形段的上端連接，所述第一金屬屏蔽板的另一端與第二金屬 屏蔽板的上端連接，所述第二金屬屏蔽板設置在兩塊極板水平段的末端，所述第二金屬屏 蔽板的下端與第三金屬屏蔽板的一端連接，所述第三金屬屏蔽板的另一端與下極板的弧形 段的下端連接； 所述方向圖調整部分為一弧形板，所述弧形板的上端與第一金屬屏蔽板的中部連接， 所述弧形板的下端與上極板水平段的尾部連接； 所述饋電結構為同軸傳輸結構，安裝在第二屏蔽板的外側，且第二屏蔽板的對應處設 置有圓形孔，所述同軸傳輸結構包括內導體和外導體，所述同軸傳輸結構的內導體穿過圓 形孔與上極板的尾部電連接，所述同軸傳輸結構的外導體與第二金屬屏蔽板連接。
2. 根據權利要求1所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：所述 上極板的寬度由弧形段至水平段逐漸變窄，所述下極板的寬度由弧形段至水平段寬度不 變，所述上極板的弧形段的上端寬度與下極板的弧形段的下端寬度相等。
3. 根據權利要求2所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：所述 方向圖調整部分的弧形板從上至下的寬度由窄變寬再變窄，與上極板相連接處的寬度最 窄，且該處的寬度與上極板此處的寬度一致。
4. 根據權利要求1所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：所述 方向圖調整部分的弧形板的從上至下的寬度由窄變寬再變窄，其兩端最窄處與上極板的下 端寬度相等。
5. 根據權利要求1至4之任一所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵 在於：所述上極板的上端與下極板下端之間的距離h與上極板的上端寬度W相等，且與工作 頻帶的中心頻率對應的波長λ。之間的關係滿足公式（丨），與工作頻帶的下限頻率對應的波 長λ max之間的關係滿足公式（2)，與工作頻帶的上限頻率對應的波長λ min滿足公式（3)，X 為天線口面邊長，X = w = h， λ 0 = 2x ⑴， 入 = 3x (2)， λ-?η = 1· 5x (3)。
6. 根據權利要求5所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：方向 圖調整部分的截面為半圓弧結構，其末端與上極板平行部分和第一屏蔽結構相切。
7. 根據權利要求5所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：所述 天線主體結構天線採用硬鋁材料，通過線切割與銑工的方式一體成型加工，表面鍍銀處理。
8·根據權$要求5所述的高功率微波輻射場測量系統的接收天線，其特徵在於：所述 同軸饋電結構採用50-27型硬同軸饋電結構。
【文檔編號】H01Q1/52GK104218322SQ201410404603
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】劉敏, 崔新紅, 晏峰, 熊正鋒, 劉小龍 申請人:中國人民解放軍63655部隊