一種高功率微波輻射場測量系統(tǒng)接收天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高功率微波輻射場測量系統(tǒng)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，基于易采用同軸饋電的TEM喇叭設(shè)計(jì)接收天線結(jié)構(gòu)，通過改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)，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(tǒng)其它器件配套使用可以有效減小測量系統(tǒng)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(tǒng)接收天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】的高功率微波測量技術(shù)，特別是一種與小型化高 功率微波輻射場測量系統(tǒng)配套用的接收天線。

【背景技術(shù)】
[0002] 尚功率微波是指頻率范圍從300MHz到3〇OGHz、峰值功率大于1〇〇麗或平均功率大 于1MW的強(qiáng)電磁輻射。高功率微波在雷達(dá)、通信、核聚變加熱、材料處理及定向能等領(lǐng)域都 有重要的應(yīng)用。
[0003] 接收天線是高功率微波測量系統(tǒng)中最常見的元件之一，在高功率微波測量系統(tǒng) 中，需要利用天線對(duì)高功率微波源發(fā)射的微波信號(hào)進(jìn)行捕捉。目前常見的高功率微波輻射 場測量系統(tǒng)接收天線主要有矩形開口波導(dǎo)與角錐喇叭天線，二者均以矩形波導(dǎo)為基本結(jié) 構(gòu)，在L波段高功率微波輻射場測量系統(tǒng)中需采用矩形波導(dǎo)型定向耦合器等大尺寸衰減器 件，嚴(yán)重影響了測量系統(tǒng)的便捷性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，研究高功率微波輻射場測量系統(tǒng)接收 天線。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0006] 一種高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，包括天線主體結(jié)構(gòu)及饋電結(jié)構(gòu)，其 特殊之處在于：
[0007] 所述天線主體結(jié)構(gòu)包括輻射部分、方向圖調(diào)整部分及屏蔽部分，所述輻射部分結(jié) 構(gòu)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(shè)置在輻射部分的尾部，弧形段設(shè)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(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)為同軸傳輸結(jié)構(gòu)，安裝在第二屏蔽板的外側(cè)，且第二屏蔽板的對(duì)應(yīng) 處設(shè)置有圓形孔，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體穿 過圓形孔與上極板的尾部電連接，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)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(diào)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(diào)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(duì)應(yīng)的波長λ。之間的關(guān)系滿足公式（1)，與工作頻帶的下限頻率對(duì) 應(yīng)的波長之間的關(guān)系滿足公式（2)，與工作頻帶的上限頻率對(duì)應(yīng)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(diào)整部分的截面為半圓弧結(jié)構(gòu)，其末端與上極板平行部分和第一屏蔽 結(jié)構(gòu)相切。
[0019] 上述天線主體結(jié)構(gòu)天線采用硬鋁材料,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(jié)構(gòu)采用50-27型硬同軸饋電結(jié)構(gòu)。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是：
[0022] 1、本發(fā)明利用TEM喇叭天線頻帶寬、易于同軸饋電和尺寸能設(shè)計(jì)到較小的優(yōu)點(diǎn)， 將其用于高功率微波輻射場測量的接收天線，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使天線阻抗特性與方 向性特性能夠滿足要求，改進(jìn)后的天線相對(duì)于現(xiàn)有常見的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)接收 天線尺寸較小，配合使用時(shí)使測量系統(tǒng)尺寸較傳統(tǒng)波導(dǎo)型輻射場測量系統(tǒng)大幅減小，提高 了測量系統(tǒng)便捷性，有利于在外場試驗(yàn)中使用。
[0023] 2、本發(fā)明通過對(duì)TEM喇叭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并增加了方向圖調(diào)整部分及屏蔽殼部 分，使得方向圖調(diào)整部分與屏蔽殼部分形成環(huán)結(jié)構(gòu)，利用環(huán)結(jié)構(gòu)具有隨頻率呈容-感性交 替變化的阻抗特性，抵消現(xiàn)有TEM喇叭結(jié)構(gòu)輸入阻抗的虛部，使其呈現(xiàn)近似純電阻特性，并 抑制同軸線外導(dǎo)體外壁的電流形成的輻射模式，使天線在一定頻帶內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)接收天線與TEM喇叭的輸入阻抗的實(shí)部對(duì)比 圖；
[0028]圖4-2為L波段小型輻射場測量系統(tǒng)接收天線與TEM喇叭的輸入阻抗的虛部對(duì)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(tǒng)接收天線與TEM喇叭在三個(gè)頻 點(diǎn)的方向圖特性對(duì)比；
[0030]圖6L波段小型輻射場測量系統(tǒng)接收天線增益頻響曲線；
[0031]圖7L波段小型輻射場測量系統(tǒng)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(tǒng)接收天線e面與η面方向圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]以下從本發(fā)明的原理出發(fā)并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明的解決方案是針對(duì)【背景技術(shù)】中基于矩形波導(dǎo)的天線給輻射場測量系統(tǒng)帶 來尺寸大、重量重的弊?。夯谕S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)以克服傳統(tǒng)波導(dǎo)系統(tǒng)尺寸大、重量重 的缺fe ;利用ΤΕΜ !$帆寬頻帶、易于同軸饋電等特點(diǎn)設(shè)計(jì)天線主體結(jié)構(gòu)；通過分析ΤΕΜ喇口入 天線用于窄譜測量存在的缺陷改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)，以改善天線阻抗與方向圖特性。 TE；M喇叭天線 用于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為傳輸線特征阻抗，&為負(fù)載阻抗，運(yùn)為傳播 系數(shù)，1為傳輸線長度）計(jì)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(xiàn)為 容性，隨著頻率的提高，其電抗分量呈現(xiàn)容-感性交替變化的特性，導(dǎo)致天線饋電端口存在 較大的駐波，影響天線定標(biāo)與使用的一致性。
[0036] (b)方向圖問題。ΤΕΜ喇叭與同軸線連接時(shí)，存在一個(gè)平衡一非平衡的過渡結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)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(gè)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(dǎo)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(diǎn)上，由于二者的振幅 與相位不一致，在輻射場疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)幅度相漲或相消的情況。當(dāng)二者相漲時(shí)，天線的輻射 主軸將偏向TEM喇叭的下極板；當(dāng)二者相消時(shí)，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(xiàn)不確定關(guān)系。
[0037] 本發(fā)明針對(duì)TEM喇叭存在的上述問題，利用環(huán)結(jié)構(gòu)具有隨頻率呈容-感性交替變 化的阻抗特性，對(duì)TEM喇叭結(jié)構(gòu)進(jìn)行如圖3的改進(jìn)，抵消其輸入阻抗的虛部使之呈現(xiàn)近似 50Ω純電阻特性，并抑制同軸線外導(dǎo)體外壁的電流形成的輻射模式，使天線在一定頻帶內(nèi) 具有良好的阻抗特性與方向圖特性。
[0038] 改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)包括輻射部分、方向圖調(diào)整部分及屏蔽部分，輻射部分結(jié)構(gòu)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(shè)置在輻射部分的尾部，弧形段設(shè)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(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)為同軸傳輸結(jié)構(gòu)，安裝在第二屏蔽 板的外側(cè)，且第二屏蔽板的對(duì)應(yīng)處設(shè)置有圓形孔，同軸傳輸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，同軸 傳輸結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體穿過圓形孔與上極板的尾部電連接，同軸傳輸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)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征阻抗實(shí)現(xiàn)良好匹配，降低天線 端口駐波；本發(fā)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(fā)明的方向圖調(diào)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，這是由于與上極板做阻抗匹 配時(shí)切成的。
[0041] 本發(fā)明輻射場測量系統(tǒng)接收天線的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)基于以下原則：工作頻帶的中心 頻率對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的波 長λ max二3x，工作頻帶的上限頻率對(duì)應(yīng)的波長λ min = 1. 5x。，按此原則設(shè)計(jì)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(tǒng)接收天線為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0043] 實(shí)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(diào)整結(jié)構(gòu)為半圓弧結(jié)構(gòu)，直徑為45. 5mm。同軸饋電部分為 50-27型硬同軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)導(dǎo)體直徑為1L 72圓，外導(dǎo)體內(nèi)徑為27mm，長度可根據(jù)需求選取；法 蘭尺寸為40mraX40mm，螺孔直徑為〇4圓，本實(shí)施方式接收天線與高功率微波輻射場測量 系統(tǒng)配套用，可承受脈沖功率在MW量級(jí)（脈寬50ns)?？傊亓考s為430g，工作中心頻率為 1. 5GHz，帶寬600MHz，功率容量大于1MW量級(jí)（脈寬50ns),脈沖響應(yīng)時(shí)間小于2ns。相較之 現(xiàn)有波導(dǎo)型輻射場測量系統(tǒng)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(shí)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(tǒng)配套可大幅度減小測量系統(tǒng)尺寸（體積約為現(xiàn)有 波導(dǎo)型輻射場測量系統(tǒng)的十分之一），提高測量系統(tǒng)便捷性。
[0044]本發(fā)明的天線采用硬鋁材料，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(dǎo)電性。
[0045]本發(fā)明L波段小型輻射場測量系統(tǒng)接收天線的阻抗與TEM喇叭天線對(duì)比結(jié)果如圖 4所示。在1. 2GHz?1. 8GHz范圍內(nèi)，TEM喇叭的輸入電阻約在（50±25) Ω之間波動(dòng)，而本 發(fā)明天線的輸入電阻約在（50±15) Ω之間波動(dòng)；TEM喇叭的輸入電抗約在（〇±25) Ω之間 波動(dòng)，本發(fā)明天線的輸入電抗約在（〇±1〇) Ω之間波動(dòng)。相比而言，本發(fā)明天線特征阻抗的 電阻部分更趨于50 Ω，而電抗部分更趨于〇 Ω。
[0046]本發(fā)明L波段小型輻射場測量系統(tǒng)接收天線的方向圖與ΤΕΜ喇叭天線對(duì)比結(jié)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(fā)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(fā)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(fā)明天線的駐波特性曲線，在丨· 2?丨·呢取頻帶上，電壓駐波 比小于1· 5 ;圖8為本發(fā)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(quán)利要求】
1. 一種高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，包括天線主體結(jié)構(gòu)及饋電結(jié)構(gòu)，其特 征在于： 所述天線主體結(jié)構(gòu)包括輻射部分、方向圖調(diào)整部分及屏蔽部分，所述輻射部分結(jié)構(gòu)類 似TEM喇隊(duì)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(shè)置在輻射部分的尾部，弧形段設(shè)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(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)為同軸傳輸結(jié)構(gòu)，安裝在第二屏蔽板的外側(cè)，且第二屏蔽板的對(duì)應(yīng)處設(shè) 置有圓形孔，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)包括內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體穿過圓 形孔與上極板的尾部電連接，所述同軸傳輸結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體與第二金屬屏蔽板連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：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(jù)權(quán)利要求2所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：所述 方向圖調(diào)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(jù)權(quán)利要求1所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：所述 方向圖調(diào)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(jù)權(quán)利要求1至4之任一所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征 在于：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(duì)應(yīng)的波長λ。之間的關(guān)系滿足公式（丨），與工作頻帶的下限頻率對(duì)應(yīng)的波 長λ max之間的關(guān)系滿足公式（2)，與工作頻帶的上限頻率對(duì)應(yīng)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(jù)權(quán)利要求5所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：方向 圖調(diào)整部分的截面為半圓弧結(jié)構(gòu)，其末端與上極板平行部分和第一屏蔽結(jié)構(gòu)相切。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：所述 天線主體結(jié)構(gòu)天線采用硬鋁材料，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(jù)權(quán)$要求5所述的高功率微波輻射場測量系統(tǒng)的接收天線，其特征在于：所述 同軸饋電結(jié)構(gòu)采用50-27型硬同軸饋電結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01Q1/52GK104218322SQ201410404603
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】劉敏, 崔新紅, 晏峰, 熊正鋒, 劉小龍 申請(qǐng)人:中國人民解放軍63655部隊(duì)