技术领域
[0001] 本
发明涉及一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，专
门用于射电天文领域超宽带
微波接收机。
背景技术
[0002] 射电望远镜是射电天文观测的重要工具，它的主要功能是将
宇宙天体
辐射而来的
电磁波汇聚在其主面焦点或者副面焦点上，再由焦点处的馈源及接收机系统接收并传输给记录终端。
[0003] 随着射电天文观测需求的推动，对馈源系统的要求趋向多频段、全频段及超宽频带，并向毫米波亚毫米波
覆盖，研制应用于射电天文中的宽带/超宽带馈源具有非常重要的意义。对于工作频带在0.6-4GHz的前馈天线而言，馈源不仅要求具有良好的电气性能(
驻波、隔离等)，还要求整个工作频带内具有相同的照射效率(照射
角度与照射电平)，以获得较佳的天线效率。
[0004]
波导常被用作传输电磁波
能量的器件，将波导终端做成逐渐张开的形状，就是喇叭天线。波导的工作带宽定义为主模截止
波长和第一个高次模截止波长之比。在圆波导中加入脊结构，由于脊结构边缘电容效应作用，其主模的截止波长大于圆波导中主模的截止波长，第一个高次模的截止波长小于圆波导中第一个高次模的截止波长，所以脊波导的工作带宽可远大于圆波导中的工作带宽。四脊波导终端做成逐渐张开的喇叭形状，就是四脊喇叭。它具有宽频带、双极化和体积小等特点，可以用作反射面天线宽带馈源。
[0005] 四脊喇叭和Eleven馈源都具有良好的辐射方向图和较宽的工作带宽，是实现宽频带馈源的两种形式。但Eleven馈源的馈电方式不易实现且回波损耗与插入损耗较大，而四脊喇叭使用同轴线馈电，馈电方式易于实现且插入损耗较小。
发明内容
[0006] 本发明目的在于，提供一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭，工作频段为0.6-4GHz，应用于射电望远镜超宽带接收机系统。该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，通过在圆波导中加入脊膜片，使四脊圆波导工作带宽远大于圆波导工作带宽，再将四脊波导做成四脊喇叭，从而实现超宽带、双极化等功能；通过加载介质棒降低高频增益，加载金属外缘提高低频增益，使工作频带内增益一致；通过加载介质环和改变脊的横截面调节方向图等化辐射特性。该馈源方向图等化较好，实测结果与仿真结果基本吻合，可以满足射电天文观测需求。
[0007] 本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源工作频段为0.6-4GHz，为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，应用射电望远镜超宽带接收机系统，该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，四脊喇叭(1)与四脊圆波导(2)连接，四脊圆波导(2)的另一端与
短路背腔(3)连接，脊膜片(6)嵌入在四脊喇叭(1)和四脊圆波导(2)内部，第一同轴探针(4)穿过脊膜片(6)至四脊圆波导(2)中心处，介质环(8)加载在介质棒(7)顶端的外围，并与介质棒(7)一起嵌入四脊喇叭(1)内，金属外缘(9)加载在四脊喇叭(1)和四脊圆波导(2)的外侧。
[0008] 四脊喇叭(1)口径360mm，喇叭段长度280mm。
[0009] 四脊圆波导(2)口径190mm，长度34mm。
[0010] 短路背腔(3)为方锥形，方锥底边为85×85mm、顶边为45×45mm、高度30mm。
[0011] 第一同轴探针(4)采用50欧姆同轴线，和第二同轴探针(12)设计在同一个横截面
位置上，第一同轴探针(4)与第二同轴探针(12)的交界处设计凹槽(11)，用以保证两个线极化传输
相位的一致性。
[0012] 脊膜片(6)厚度为16mm，截面为梯形小顶面倒直角修正型，修正系数为0.02，嵌入在四脊圆波导(2)的部分间距为6mm。
[0013] 介质棒(7)由三个方锥组合而成，最下部方锥底边为2×2mm，顶边为24×24mm、高90mm，中间方锥底边为24×24mm，顶边为48×48mm、高90mm，最上部方锥底边为48×48mm，顶边为2×2mm、高40mm。
[0014] 金属外缘(9)
母线为修正型指数曲线，口径为560mm，外缘
倒角80mm。
[0015] 介质环(8)底面内径140mm、外径160mm，顶面内径180mm、外径200mm，高30mm。
[0016] 本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，工作
频率为0.6-4GHz，应用于射电望远镜超宽带接收机系统。该馈源为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，
电压驻波比小于2，两端口的隔离度小于-20dB。通过介质加载等措施，实现了宽频带内照射特性比较一致的方向图，经过仿真和实测验证，该馈源可以满足工程应用要求。
[0017] 所述四脊喇叭(1)，其内部脊膜片(6)是四脊喇叭的重要组成部分，它起着阻抗匹配的作用，匹配从四脊喇叭的阻抗逐渐过渡到自由空间的377欧姆阻抗。此外脊膜片的形状还影响着方向图的
稳定性和等化。使用指数曲线能使脊膜片得到良好的阻抗匹配，其表达式为：
[0018] Y(z)＝Aekz+C*z (1)
[0019] 式中A等于脊间距的一半，K的值根据口径大小和喇叭的长度确定，C的取值根据四脊喇叭设计经验一般取为0.02，这样可以改善阻抗匹配。参见图3，A＝d/2，K＝ln((D/2-C*L)/A)/L，其中，d为脊波导间距，D为四脊喇叭口径，L为四脊喇叭长度。
[0020] 所述四脊圆波导(2)特性阻抗设置为50欧姆，与50欧姆同轴
电缆馈电相匹配。在四脊圆波导中，TE11为主模，其它高阶模依次分别为TE21L、TE21U、TE01等模。为了实现宽带
信号传输，希望利用主模，同时抑制其它高次模。四脊圆波导TE11模和TE21L模的截止频率很接近，但TE11模和TE21U模之间的带宽很宽，因此，为了实现宽带
信号传输，就必须有效地抑制TE21L模的传输。脊膜片(6)厚度越大越有利于波的传输，但是会使交叉极化变差。为了使得四脊圆波导(2)的特性阻抗达到50-100欧姆左右，必须缩小脊膜片(6)之间间距，参考图2，结构设计上对脊膜片(6)截面进行倒角修正，保证四个脊膜片结构上不会出现互相干涉的现象。四脊圆波导设计在s/D＝0.25时，脊膜片(6)间距取(D-d)/D＝0.7。最低工作频率为0.5GHz时，四脊圆波导(2)外圆直径至少要求达到190毫米。最终选择四脊圆波导(2)外缘口径D为
190mm，脊膜片(6)间距d为6mm，脊厚度s为16mm。
[0021] 所述短路背腔(3)和同轴探针(4)，馈电形式采用同轴馈电，是将同轴中的TEM主模转
化成四脊圆波导(2)中的TE11模。四脊圆波导(2)的阻抗与同轴线的阻抗一致都为50欧姆，要求同轴线的外导体连接在四脊圆波导(2)边上，内导体延伸至相对的脊膜片(6)内达到匹配，形成单极辐射器。调节激励端与后短路板的距离和短路段的脊高，对展宽变换的带宽起很大作用。四脊喇叭(1)的两个线极化第一同轴探针(4)和第二同轴探针(12)设计在同一个横截面位置上，为防止两个探针之间相互干涉，在第一同轴探针(4)和第二同轴探针(12)的交界处设计凹槽(11)，这样可以保证两个线极化传输相位的一致性，参见图5。四脊喇叭(1)背腔有球形腔体、圆锥形腔体和台阶形腔体等，背腔的尺寸对四脊喇叭(1)的电压驻波比影响很大，短路背腔(3)设计成方锥形腔体。
[0022] 为了实现馈源工作8倍频程带宽，在±60°照射角内的照射电平在-10dB左右等化一致，特对在常规四脊喇叭的
基础上进行了改进。常规四脊喇叭的高低频增益相差较大，方向图等化不好。首先加载介质棒(7)压低高频增益，加载金属外缘(9)提高低频增益，使工作频带内增益一致；接着加载介质环(8)和改变脊膜片(6)的横截面，调节方向图等化辐射特性。最终得到带内增益
波动较小、等化一致性较好的方向图辐射特性。
[0023] 所述介质棒(7)用于压低高频增益。为了提高低频增益，为了降低喇叭高频的增益，使用介质棒加载的方法。介质棒加载的实质就是介质棒天线，它可以通过控制天线的长度而不是横截面来实现窄波束和高增益。参见图4，L1和L2分别为喇叭内外介质长度。L1越长，反射损耗越小，L2越长，天线波束宽度越窄，增益越高。介质棒(7)的直径的选择依据下式：
[0024]
[0025] 式中d为介质棒的直径、εr为介质材料的相对
介电常数和λ为最高频对应
真空波长。本发明设计d≤48mm。介质棒(7)长度和倾斜度为了匹配，获得很小的反射。
[0026] 所述金属外缘(9)用于提高低频增益。将喇叭外缘横向延伸，这样在提高低频增益的同时会对中高频增益产生影响，结合介质棒(7)使工作频带内增益一致。
[0027] 所述介质环(8)用于调节方向图等化辐射特性。方向图等化特性优化通过喇叭边缘导弧、改变脊的横截面和加载介质环等方式实现。喇叭天线阻抗带宽越宽，在喇叭天线的口面处不同频点的相位误差就越大，这就导致了天线的口径效率降低，进而使得天线在主辐射方向上的增益下降。为了消除这一不利影响，采用加载介质环，修正了天线口面处的
相位差，从而提高了口径的利用效率。
附图说明
[0028] 图1为本发明超宽带介质加载四脊喇叭馈源整体结构图；
[0029] 图2为本发明四脊圆波导截面图；
[0030] 图3为本发明四脊喇叭渐变转换段指数过渡线图；
[0031] 图4为本发明四介质棒结构图；
[0032] 图5为本发明四同轴探针及凹槽结构图；
[0033] 图6为本发明馈源驻波仿真结果图；
[0034] 图7为本发明馈源端口隔离度仿真结果图；
[0035] 图8为本发明馈源在0.6GHz的天线方向图仿真结果图；
[0036] 图9为本发明馈源在2.5GHz的天线方向图仿真结果图；
[0037] 图10为本发明馈源在4GHz的天线方向图仿真结果图；
[0038] 图11为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在0.6GHz的天线方向图仿真结果图；
[0039] 图12为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在2.5GHz的天线方向图仿真结果图；
[0040] 图13为本发明在25米前馈抛物面天线上馈源在4GHz的天线方向图仿真结果图；
[0041] 图14为本发明同轴输出端口5的驻波实测图；
[0042] 图15为本发明同轴输出端口10的驻波实测图；
[0043] 图16为本发明同轴输出端口5和同轴输出端口10的隔离度实测图；
[0044] 图17为本发明馈源在0.6GHz的天线方向图实测图；
[0045] 图18为本发明馈源在2.5GHz的天线方向图实测图；
[0046] 图19为本发明馈源在4GHz的天线方向图实测图。
具体实施方式
[0048] 本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，该馈源工作频段为0.6-4GHz，为一种介质加载的宽频带、双极化圆口四脊喇叭馈源，应用射电望远镜超宽带接收机系统，该馈源由四脊喇叭、四脊圆波导、脊膜片、介质棒、金属外缘、第一同轴探针、第二同轴探针和介质环组成，其中四脊喇叭1口径360mm，喇叭段长度280mm，四脊圆波导2口径190mm，长度34mm，短路背腔3为方锥形，方锥底边为85×85mm、顶边为45×45mm、高度30mm，四脊喇叭1与四脊圆波导2连接，四脊圆波导2的另一端与短路背腔3连接，脊膜片6嵌入在四脊喇叭1和四脊圆波导2内部，第一同轴探针4穿过脊膜片6至四脊圆波导2中心处，介质环8加载在介质棒
7顶端的外围，并与介质棒7一起嵌入四脊喇叭1内，金属外缘9加载在四脊喇叭1和四脊圆波导2的外侧；第一同轴探针4采用50欧姆同轴线，和第二同轴探针12设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针4与第二同轴探针12的交界处设计凹槽11，用以保证两个线极化传输相位的一致性；脊膜片6厚度为16mm，截面为梯形小顶面倒直角修正型，修正系数为0.02，嵌入在四脊圆波导2的部分间距为6mm；介质棒7由三个方锥组合而成，最下部方锥底边为2×
2mm，顶边为24×24mm、高90mm，中间方锥底边为24×24mm，顶边为48×48mm、高90mm，最上部方锥底边为48×48mm，顶边为2×2mm、高40mm；金属外缘9母线为修正型指数曲线，口径为
560mm，外缘倒角80mm；介质环8底面内径140mm、外径160mm，顶面内径180mm、外径200mm，高
30mm；
[0049] 使用过程中，参照图1，信号经介质棒7与介质环8至四脊喇叭1内部，经脊膜片6至四脊圆波导2中心位置的同轴探针4处，再经同轴输出端口10最终完成信号传输；
[0050] 在HFSS电磁仿真
软件中优化介质加载四脊喇叭馈源，仿真结果参见图6-10，其中图6为天线驻波、图7为馈源端口隔离度、图8-10分别为0.6GHz、2.5GHz、4GHz的天线方向图；以介质加载四脊喇叭1作为馈源，使用GRASP软件计算25m前馈抛物面天线方向图，馈源照射角为±60°，仿真结果参见图11-13，仿真结果表明该馈源的天线口径效率大于57％以上；具体天线系统的增益和口面效率如表1所示：
[0051] 表1天线系统的增益和口面效率
[0052]
[0053] 四脊喇叭1馈源实际加工后，对加工样件进行测试，测试结果同轴输出端口5和同轴输出端口10的驻波均≤2.0，同轴输出端口5和同轴输出端口10的端口隔离度≤-20dB，参见图14-16。利用NSI公司的远场测试系统测试的喇叭方向图结果参见图17-19。
[0054] 本发明所述的一种超宽带介质加载四脊喇叭馈源，其电压驻波比小于2，两端口的隔离度小于-20dB，在±60°照射角内的照射电平在-8至-14dB，通过介质加载等措施，实现了宽频带内照射特性比较一致的方向图，通过改善脊横截面，实现8倍频程带宽，经过仿真和实测验证，该馈源在工作频带0.6-4GHz范围内可以满足工程需要。
