專利名稱：八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其涉及八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線。
背景技術(shù)：
毫米波成像分為主動(dòng)成像和被動(dòng)成像兩種。主動(dòng)成像就是我們常說(shuō)的毫米波雷達(dá) 成像，而被動(dòng)成像是指依靠毫米波的大氣傳播窗口，接收(地面或空中)物體及背景的熱輻 射能量來(lái)探測(cè)物體的特性并產(chǎn)生高分辨率圖像，這種圖像能夠產(chǎn)生反映出景物各部分溫差 和輻射能力的差異，以用來(lái)觀察和分析景物的特性。相對(duì)于主動(dòng)成像，被動(dòng)成像具有三個(gè)方面的的優(yōu)點(diǎn)其一，被動(dòng)式圖像是通過(guò)檢測(cè) 物體輻射的能量得到的，在毫米波段與可見(jiàn)光段的原理是一樣的，因而被動(dòng)毫米波圖像與 可見(jiàn)光圖像很相近，有利于物體辨認(rèn)，而主動(dòng)系統(tǒng)如雷達(dá)，其成像要受閃爍效應(yīng)等影響難以 直接顯現(xiàn)物體的自然形狀；其二，被動(dòng)式成像不發(fā)射電磁波，因而沒(méi)有電磁污染，比主動(dòng)式 更適于隱匿工作。此外，理論分析還表明，各種涂層隱身材料對(duì)雷達(dá)的隱身性能越好，就越 容易被被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)；其三，就探測(cè)金屬目標(biāo)而言，金屬目標(biāo)的發(fā)射率很低，它僅僅是 反射天空的輻射，而天空溫度在一定時(shí)空范圍內(nèi)基本不變，因而金屬目標(biāo)的毫米波特征很 穩(wěn)定，晝夜變化及車輛行止等對(duì)被動(dòng)毫米波系統(tǒng)的成像品質(zhì)影響都不大。上世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著毫米波集成電路(MMIC)的日趨成熟、高速VISI器件以 及信號(hào)處理新方法的不斷涌現(xiàn)，被動(dòng)毫米波成像技術(shù)正令人矚目地由過(guò)去的機(jī)械掃描成像 朝高性能的多波束成像方向發(fā)展。毫米波多波束成像技術(shù)目前主要有三種實(shí)現(xiàn)途徑單孔二維機(jī)械掃描成像、合成 孔徑成像和焦平面陣列成像。其中，焦平面成像體制已成為被動(dòng)毫米波成像的主要體制。8mm焦平面成像系統(tǒng)當(dāng)天線主反射面的口徑給定之后，其天線的波束寬度也就確 定了。相鄰天線波束中心方向之間的夾角也就是天線的3dB波束寬度。對(duì)于大焦徑比天 線來(lái)說(shuō)，初級(jí)饋源中相鄰兩個(gè)陣列天線對(duì)于主反射中心的夾角近似等于天線的3dB波束寬 度。以口徑500mm、焦距Im的主反射面天線來(lái)說(shuō)，其天線的3dB波束寬度大約為 1. 2°，對(duì)應(yīng)的初級(jí)饋源中相鄰兩個(gè)陣列天線的間距為21mm。根據(jù)天線設(shè)計(jì)原則，初級(jí)饋源的IOdB波束寬度應(yīng)對(duì)應(yīng)主反射面的邊緣，為此如果 采用矩圓過(guò)度圓錐喇叭天線作為初級(jí)饋源，則要求初級(jí)饋源天線口徑不小于25mm。顯然，相鄰中心距離21mm內(nèi)是無(wú)法放置口徑25mm的兩個(gè)天線的，所以，常用的矩 圓過(guò)度圓錐喇叭天線是不能滿足8mm焦平面成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求的，必須設(shè)計(jì)一種天線， 此天線在較小口徑下能夠獲得高增益(即窄的波束寬度、低副瓣和低輸入駐波比)。傳統(tǒng)的介質(zhì)棒加載喇叭天線采用圓波導(dǎo)作為激勵(lì)，由圓錐喇叭及介質(zhì)棒兩部分組 成，但當(dāng)接收機(jī)是以矩形波導(dǎo)輸出到天線時(shí)，天線的激勵(lì)就需要進(jìn)行矩圓過(guò)渡的波形變換。 圓波導(dǎo)激勵(lì)的介質(zhì)加載喇叭天線的研究比較成熟，介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線的研究在國(guó) 內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道。
這種天線的設(shè)計(jì)并不是矩圓過(guò)渡加介質(zhì)加載圓錐喇叭天線的簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)，而是需要 通過(guò)分析介質(zhì)棒參數(shù)對(duì)駐波比和方向圖的影響因素來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明給出了設(shè)計(jì)方法， 并通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證優(yōu)化方法的正確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其特征在于該天線由矩形 波導(dǎo)、矩圓過(guò)渡喇叭及介質(zhì)棒三部分組成，所述矩圓過(guò)渡喇叭中的矩圓過(guò)渡段為平滑過(guò)渡， 所述介質(zhì)棒由漸變圓錐段和均勻圓柱段兩部分組成，所述介質(zhì)棒與所述矩圓過(guò)渡喇叭共 軸，所述圓柱段伸入矩圓過(guò)渡喇叭口面內(nèi)部的位置采用數(shù)值分析方法確定。本發(fā)明中矩形波導(dǎo)的尺寸取為7. 2毫米X3. 4毫米。本發(fā)明中采用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS的有限元法對(duì)所述天線的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)，其中所述矩圓過(guò)渡段總高H為25. 2毫米，所述漸變圓錐段長(zhǎng)度Ll為8毫米，所述圓 柱段伸入矩圓過(guò)渡喇叭天線口面內(nèi)部的長(zhǎng)度LO為64. 9毫米，所述矩圓過(guò)渡喇叭與所述矩 形波導(dǎo)相連的一端為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的另一端變換到圓波導(dǎo)，所述圓波導(dǎo)直徑Φ0為 9. 5毫米。本發(fā)明中介質(zhì)棒材料為聚四氟乙烯，且相對(duì)介電常數(shù)er為2，且介質(zhì)棒的直徑 Φ1為4毫米。本發(fā)明中工作頻率為33 37GHz，駐波比小于1.25，主瓣寬度壓縮比大于等于2。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖1為介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例中天線輸入駐波比曲線；圖3為實(shí)施例中未加載介質(zhì)前的天線輻射方向圖；圖4為實(shí)施例中介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線輻射方向圖。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)矩圓過(guò)渡波導(dǎo)中空氣填充段到介質(zhì)填充段的阻抗逐漸變換，介質(zhì)棒伸入 矩圓過(guò)渡喇叭中的部分采用漸變結(jié)構(gòu)。由于矩圓過(guò)渡段不同位置對(duì)應(yīng)的波阻抗均在變化， 難用解析方法求解，本專利采用數(shù)值分析方法來(lái)優(yōu)化介質(zhì)棒伸入矩圓過(guò)渡喇叭的位置LO 及漸變段的長(zhǎng)度Li。依據(jù)傳輸線的基本理論及天線輻射理論，雖然圖1中各參數(shù)都要影響天線輻射特 性和輸入駐波比，但是參數(shù)LO和Ll是影響天線輸入駐波比的主要因素，介質(zhì)棒直徑Φ 1和 伸出喇叭口面外的介質(zhì)棒長(zhǎng)度L2-L0是影響天線輻射方向圖的主要因素。本專利采用HFSS的有限元法(FEM)對(duì)圖1天線的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。得到優(yōu) 化后天線的設(shè)計(jì)參數(shù)為Φ0 = 9. 5毫米，Φ1 = 4毫米，H = 25. 2毫米，LO = 64. 9毫米， Ll =毫米。圖3中示出了按優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)加工出的天線的駐波特性測(cè)量結(jié)果，該測(cè)試在北京 理工大學(xué)電波暗室進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果表明，在33 37吉赫茲頻段內(nèi)，天線的駐波比均小于
41. 25，測(cè)量結(jié)果表面該天線阻抗匹配特性良好。圖4中示出了測(cè)試頻率為35吉赫茲時(shí)，未加載介質(zhì)棒的矩圓過(guò)渡喇叭天線E面和 H面方向圖。該測(cè)試在北京理工大學(xué)電波暗室進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果表明，天線E面和H面3dB波 束寬度為50. 1度圖5中示出了測(cè)試頻率為35吉赫茲時(shí)，加載介質(zhì)棒的矩圓過(guò)渡喇叭天線E面和H 面方向圖。該測(cè)試在北京理工大學(xué)電波暗室進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果表面，天線E面和H面3dB波 束寬度為19度。圖4與圖5的測(cè)試結(jié)果比較說(shuō)明，該矩圓過(guò)渡喇叭內(nèi)加載介質(zhì)棒后，天線的波束寬
度明顯變窄。8mm介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線在較小口徑下可以實(shí)現(xiàn)窄波束寬度主瓣寬度 壓縮比> 2，介質(zhì)加載后天線方向性增益較未加載提高6dB。且輸入駐波比良好在33 37GHz寬頻帶內(nèi)天線的駐波比小于1. 25。多波束天線是被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的核心部件，8mm介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線 的研制成功為大口徑主反射面天線的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，從而為高空間分辨率、遠(yuǎn)距離 探測(cè)的被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)解決了技術(shù)瓶頸。應(yīng)用本專利的8mm介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，可以制成航空航天平臺(tái)對(duì)地偵察 用毫米波輻射像機(jī)，用于地球表面遙感、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)和重點(diǎn)軍事、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的 探測(cè)與定位；可以制成飛機(jī)盲降系統(tǒng)、港口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車船電子眼系統(tǒng)，提高惡劣天氣條件 (特別是霧天)的導(dǎo)航能力；可以制成毫米波輻射成像系統(tǒng)，用于對(duì)人體內(nèi)腫瘤或人體衣物 內(nèi)攜帶物品的快速無(wú)傷害探測(cè)，提高公安技偵能力和醫(yī)療臨床的早期診斷能力。
權(quán)利要求
1.一種八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其特征在于該天線由矩形波導(dǎo)、矩圓過(guò) 渡喇叭及介質(zhì)棒三部分組成，所述矩圓過(guò)渡喇叭中的矩圓過(guò)渡段為平滑過(guò)渡，所述介質(zhì)棒 由漸變圓錐段和均勻圓柱段兩部分組成，所述介質(zhì)棒與所述矩圓過(guò)渡喇叭共軸，所述圓柱 段伸入矩圓過(guò)渡喇叭口面內(nèi)部的位置采用數(shù)值分析方法確定。
2.如權(quán)利要求1所述的八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其中矩形波導(dǎo)的尺寸取 為7. 2毫米X 3. 4毫米。
3.如權(quán)利要求2所述的八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其中采用高頻電磁場(chǎng)仿 真軟件HFSS的有限元法對(duì)所述天線的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中所述矩圓過(guò)渡段總高H為 25. 2毫米，所述漸變圓錐段長(zhǎng)度Ll為8毫米，所述圓柱段伸入矩圓過(guò)渡喇叭天線口面內(nèi)部 的長(zhǎng)度LO為64. 9毫米，所述矩圓過(guò)渡喇叭與所述矩形波導(dǎo)相連的一端為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，矩形波 導(dǎo)的另一端變換到圓波導(dǎo)，所述圓波導(dǎo)直徑Φ0為9. 5毫米。
4.如權(quán)利要求3所述的八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其中介質(zhì)棒材料為聚四 氟乙烯，且相對(duì)介電常數(shù)ε r為2，且介質(zhì)棒的直徑Φ1為4毫米。
5.如權(quán)利要求4所述的八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，其工作頻率為33 37GHz，駐波比小于1. 25，主瓣寬度壓縮比大于等于2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種八毫米波介質(zhì)加載矩圓過(guò)渡喇叭天線，該天線由矩形波導(dǎo)、矩圓過(guò)渡喇叭及介質(zhì)棒三部分組成，其中矩圓過(guò)渡喇叭中的矩圓過(guò)渡段為平滑過(guò)渡，介質(zhì)棒由漸變圓錐段和均勻圓柱段兩部分組成，且其與矩圓過(guò)渡喇叭共軸，介質(zhì)棒的圓柱段伸入矩圓過(guò)渡喇叭口面內(nèi)部的位置采用數(shù)值分析方法；介質(zhì)棒材料為聚四氟乙烯，且相對(duì)介電常數(shù)εr為2；本發(fā)明采用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS的有限元法對(duì)所述天線的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該天線在較小口徑下可以實(shí)現(xiàn)窄波束寬度，且輸入駐波比良好。
文檔編號(hào)H01Q13/02GK102110889SQ20091024311
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者房麗麗, 王學(xué)田 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)