專利名稱：平板狀寬頻帶反射面微波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種反射面微波天線，特別是由多個(gè)不同的拋物形反射面而組成的微波天線，它包括饋源、饋源支桿、天線支架和多個(gè)以同心且呈徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面。
目前在微波領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的天線是旋轉(zhuǎn)拋物反射面天線，這種天線雖然具有增益高、主瓣窄、副瓣低、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但因其加工精度要求高，制作工藝復(fù)雜、多使用金屬材料以及形狀方面的原因，使天線的體積和重量較大、造價(jià)很高、給運(yùn)輸、安裝帶來很多不便，且常因安裝誤差和自重所產(chǎn)生的應(yīng)力而易使天線變形，增益降低。為此，國內(nèi)外天線行業(yè)一直都在努力研究一種平板狀天線來替代它，如介質(zhì)透鏡天線、菲涅爾波帶片天線、多振子陣列式平板天線，但都因?yàn)閾p耗大、增益低、頻帶窄等原因而不能實(shí)用。近年來有人提出的微帶天線也因?yàn)橹靼陮?、重量大、成本昂貴以及只能用于接收等原因而不能得到推廣使用。
中國專利86 2 11074 U公開了一種多焦距拋物面平板形衛(wèi)星地面站天線，從該申請文件的說明書和權(quán)利要求書中可以看到，該天線是采用不同直徑的圓環(huán)狀拋物面反射帶以同心圓方式沿徑向排列，各圓環(huán)同處于一個(gè)平面上，其焦距之差為工作波長的整數(shù)倍。這雖然是對天線平板化的一個(gè)新設(shè)想，具有一定的進(jìn)步意義，但仍然存在以下三個(gè)實(shí)質(zhì)性缺點(diǎn)(一)當(dāng)各環(huán)狀拋物面反射帶的焦距差為工作波長的整數(shù)倍時(shí)，這就決定該天線只能在設(shè)定電磁波工作波長上具有會聚和同相位疊加的作用，當(dāng)工作波長變化時(shí)，因天線的尺寸不能變化，致使波程差發(fā)生變化而不能再實(shí)現(xiàn)同相位疊加，而相反產(chǎn)生色散現(xiàn)象，這就決定該天線只能是窄帶的，不能滿足接收C波段信號所需帶寬500MHz的要求;(二)從理論上講，當(dāng)各環(huán)狀拋物面反對帶的內(nèi)外緣各處于同一平面上，其焦距之差為某一工作波長的整數(shù)倍時(shí)，各反射帶之間將留有較大的空檔，使天線增益大大減少。換句話說，在保證天線增益的前提下，當(dāng)所有反射帶內(nèi)外緣各處于同一平面上時(shí)，又不可能使照射到這些反射帶上的電磁波都匯聚到焦點(diǎn)上;(三)其理論厚度δ＝λ，因而使反射體厚度較大，天線體積、重量增加。
本發(fā)明的目的，在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種成本低、厚度薄、頻帶寬、增益高的平板狀微波天線。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來達(dá)到一種平板狀寬頻帶反射面微波天線，包括饋源及其支桿，天線支架和以多個(gè)同心徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面M0、M1、M2……Mm組成的反射體，本發(fā)明的關(guān)鍵在于，上述環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面的外緣處于同一平面上，其相鄰兩反射面的光程差△ρm依次等于天線所要求工作頻帶范圍內(nèi)的波長λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并遵循對數(shù)周期規(guī)律△ρm＝λmoxτm-1。
普通的旋轉(zhuǎn)拋物反射面，當(dāng)電磁波在饋源會聚后，由于所有電磁波的光程差始終等于零，所以能夠使任何頻率的電磁波都在饋源處產(chǎn)生同相位疊加。當(dāng)反射面成為多個(gè)以同心徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面M0、M1、M2……Mm時(shí)，各反射面之間就會產(chǎn)生一個(gè)光程差△ρ，如何能夠使電磁波經(jīng)過這些反射面會聚到共同焦點(diǎn)，即饋源后繼續(xù)疊加，一種辦法是使各反射面的光程差正好等于某一波長的整數(shù)倍，但這只能保證該波長的電磁波在饋源處產(chǎn)生同相位的疊加，而當(dāng)電磁波波長發(fā)生變化時(shí)，由于天線的尺寸不能改變，因而各反射面的光程差也不變，這樣也就不能保證各路電磁波在饋源處都產(chǎn)生同相位疊加，反而可能產(chǎn)生色散，所以這種天線只能在一個(gè)很窄的頻帶范圍內(nèi)才有用。假如我們能夠使各反射面在一定的工作頻段范圍λmox～λmin內(nèi)所反射的電磁波會聚到饋源能基本同相且平均相位差很小，這就既保證了天線的工作頻帶寬度，又保證了天線的增益。
根據(jù)計(jì)算以及對數(shù)周期天線的規(guī)律可以證明，當(dāng)取各反射面的光程差△ρm依次等于天線所要求工作頻帶范圍內(nèi)的波長λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并符合對數(shù)周期規(guī)律△ρm＝λmoxτm-1時(shí)，則可滿足上述要求。
為了能夠使天線平板化，取各反射面的上緣在一個(gè)平面上，據(jù)此可得到

圖1所示的平板狀天線反射面。
由圖1可知tm+BC＝△ρm＝λm即tm+tm/cosθm＝△ρmtm＝△ρm/(1+secθm)t1＝△ρ1/(1+secθ1)＝λmox/(1+secθ1)由上式可知，當(dāng)θ1→0時(shí)，secθ1→1，t1→λmox/2。tm的極大值λmox/2就是M0的中心深度AO，即AO＝λmox/2，這就是天線的理論厚度δ＝λmox/2。利用同樣的過程也可以證明CN 86 2 11074天線的理論厚度δ＝λ。顯然λmox/2比λ要小得多，也就是說本發(fā)明天線比CN 86 2 11074天線薄得多。
若天線的工作頻率為fmin～fmox，對應(yīng)的波長為λmox～λmin;天線的口徑為D;饋源照射角θM為α1～α2，為強(qiáng)調(diào)天線增益，一般選一個(gè)接近下限α1的數(shù)值αb，即θM＝αb。
則天線厚度δ＝AO＝λmox/2F0-δ＝D/2/tgθM中心反射面焦距F0＝D/2tgαb+λmox/2相鄰反射面光程差△ρm＝λmoxτm-1天線各反射面焦距Fm=F0+Σm=1NΔρm/2]]>天線反射面極坐標(biāo)方程為ρm=2Fm/(1+cosθ)=2(F0+Σm=1NΔρm/2)/(1+cosθ)=2(F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθ)]]>在各反射面外緣處，有ρm＝(F0-δ)/cosθm根據(jù)反射面極坐標(biāo)方程可得ρm=(2F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθ)]]>上兩式聯(lián)立得θm=sec-1[(2F0+Σm=1NΔρm)/(F0-δ)-1]]]>當(dāng)θ＝θM時(shí)，有ρm=(2F0+Σm=1NΔρm)/(1+cosθM)]]>由天線的幾何尺寸還可求得ρM′＝(F0-δ)/cosθM，要求出天線反射面的極坐標(biāo)方程，就必須確定△ρm，而計(jì)算△ρm，就必須確定N值與τ值。
由于△ρm＝λmoxτm-1，當(dāng)m＝N時(shí)有λmin＝λmoxτN-1令B＝λmox/λmin＝λmox/λmoxτN-1＝τ1-NlgB＝(N-1)lg(1/τ)∴N＝1+lgB/lg(1/τ)顯然，τ是一個(gè)小于1的正數(shù)，當(dāng)B一定時(shí)，其取值越大，△ρm遞減的速率越慢，N值就取得越大，即天線的環(huán)數(shù)增加;τ取值越小，△ρm遞減的速率加快，N值就變小，即天線的環(huán)數(shù)減少。
一般來說，先設(shè)定τ，由τ和B值算出N，然后再由天線的口徑尺寸，算出N個(gè)環(huán)能否填滿口徑，經(jīng)反復(fù)核算，直到兩者基本吻合為止。一般是計(jì)算比較ρM與ρM′值的大小，當(dāng)ρM≈ρM′時(shí)，就認(rèn)為所選τ、N值是合適的，用最后確定的N與τ值，算出△ρm、△Fm、tm、θm以及天線的反射面曲線坐標(biāo)值，再結(jié)合天線的厚度δ和中心反射面的焦距F0，即可作出天線的反射面。
一般來說，λmox、λmin值的選取是完全按照天線帶寬的上、下限確定，但有時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，對照帶寬和增益的要求，做微小的調(diào)整。
這些依照對數(shù)周期規(guī)律沿同心徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面，當(dāng)外緣均位于一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，內(nèi)緣雖然沒有完全處于一個(gè)平面內(nèi)，而是其深度tm隨徑向增大而變淺，但所有各反射面均處于一個(gè)平行板之內(nèi)，該平板的厚度δ等于中心反射面M0的深度，δ＝λmox/2，其值一般很小。
將所有各反射面置于一個(gè)厚度為δ的平板狀基材之上，使其表面的起伏與反射面相同，面與面之間為不反射電磁波的過渡面，則可得到一個(gè)理論厚度為δ的平板狀天線反射體。如將各反射面完全置于一個(gè)厚度為δ的平板狀基材的內(nèi)部，則可得到一個(gè)完整的平行板狀天線反射體，這樣不但運(yùn)輸、折疊方便，而且還可保護(hù)反射面不被風(fēng)、雨以及灰塵等侵蝕而變形、變質(zhì)、老化。反射面及過渡面以下的下層基材可以由質(zhì)量輕，形變小，價(jià)廉，且強(qiáng)度較大的材質(zhì)做成，如塑料、木材、硬質(zhì)發(fā)泡材料等壓制而成，反射面及過渡面以上的基材可由對電磁波透明、即折射率趨近于1且質(zhì)量較輕的材質(zhì)制成，如聚氨脂硬質(zhì)發(fā)泡材料、玻璃鋼等。也可將沒有上層基材的反射面連同下層基材一起用一個(gè)對電磁波透明的硬質(zhì)材料，如玻璃鋼外殼保護(hù)起來。
反射體可以通過將金屬薄層、如鋁箔貼在壓制成形的基材表面而制得，也可通過在基材表面噴涂刷鍍金屬薄層而制得。
這種平板狀天線可以做成兩塊，三塊或數(shù)塊，其間用鉸鏈或其它機(jī)構(gòu)連接，以利于折疊與運(yùn)輸，天線的支架可以用普通的固定支架，也可用普通的帶調(diào)整方位與仰角的支架，也可用可以折疊的天線支架。
本發(fā)明的附面說明如下圖1是本發(fā)明的反射面原理示意圖;
圖2是采用本發(fā)明制作的一個(gè)C波段衛(wèi)星接收天線外觀圖;
圖3是該C波段衛(wèi)星接收天線反射體的結(jié)構(gòu)圖。
由圖1可知，該發(fā)明具有m個(gè)以同心徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面1，反射面的中間為一個(gè)深度為δ的旋轉(zhuǎn)拋物反射面2，該反射面2即為中心反射面M0，其焦距為F0，反射面之間為不反射電磁波的過渡面3，相鄰兩反射面之間的光程差△ρm＝λmoxτm-1。
圖2、圖3是采用本發(fā)明而制作的一個(gè)C波段衛(wèi)星天線。天線的工作頻率f為3.7～4.2GHZ，對應(yīng)波長λ為8.108～7.143cm，λmox＝8.108cm，λmin＝7.143cm;天線的口徑D＝3米;饋源照射角θM為50～60°，為強(qiáng)調(diào)天線的增益，取一個(gè)下限值θM＝52.3°。采用以上數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明可以計(jì)算出
天線厚度δ＝λ
2＝8.108/2≈4.1cm中心反射面焦距F0＝D/2/tgθM+δ＝150/52.3°+4.1≈120cm帶寬B＝1.135經(jīng)反復(fù)核算可得當(dāng)τ＝0.9843、n＝9時(shí)，9個(gè)環(huán)基本填滿3米口徑。實(shí)際比3米略大一點(diǎn)，這時(shí)有兩種處理方法，一種是滿口徑要求，將第九塊反射面減去多余部分;另一種是將天線口徑D略擴(kuò)大一點(diǎn)，按第九塊反射面的實(shí)際大小做。
光程差△ρ1～△ρ9分別為8.108cm、7.981cm、7.855cm、7.732cm、7.611cm、7.491cm、7.374cm、7.258cm、7.144cm。
焦距差△F1～△F9分別為4.054cm、3.990cm、3.928cm、3.866cm、3.805cm、3.746cm、3.687cm、3.629cm、3.572cm。
θ1～θ9分別為28.759°、34.234°、38.476°、41.925°、44.817°、47.292°、49.443°、51.335°、53.016°。
t1～t9分別3.788cm、3.612cm、3.449cm、3.299cm、3.159cm、3.028cm、2.906cm、2.791cm、2.683cm。
根據(jù)以上所求數(shù)據(jù)、反射面極坐標(biāo)方程或換算成的直角坐標(biāo)方程所求的反射面的坐標(biāo)值，即可作出該C波段天線的反射面。
參見圖2可知，該天線由支架4、反射體5、饋源6和饋源支桿7組成，反射體5由三塊構(gòu)成，外邊的兩塊反射體通過鉸鏈與中間的反射體相連，必要時(shí)可以折疊，中間一塊反射體安裝在一個(gè)支架4上，支架4可以折疊，并可以通過下部的一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13轉(zhuǎn)動，饋源6正對反射體中心并處于反射體焦點(diǎn)，由一根插入反射體中心的饋源支桿7固定在反射體上。
參見圖3，該天線的反射體具有一個(gè)聚氨脂硬質(zhì)發(fā)泡材料壓制而成的下層基材8，在下層基材8的表面貼有用鋁箔做成的一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)拋物反射面M0和9個(gè)環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面9，相鄰兩反射之間為不反射電磁波的過渡面10，在反射面9與過渡面10上覆蓋有用聚氨脂硬質(zhì)發(fā)泡材料制成的上層基材11，在上、下層基材的外側(cè)包有一個(gè)用玻璃鋼做成的保護(hù)殼12，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的平行板狀天線反射體。由于玻璃鋼與硬質(zhì)發(fā)泡材料對電磁波都是透明材料，損耗很小，故不影響金屬鋁箔對電磁波的會聚作用。上層基材與玻璃鋼的作用是保護(hù)反射面不被外界風(fēng)化、侵蝕，不會變形并有利于折疊與運(yùn)輸。
結(jié)合以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、使各反射面的光程差△ρm以對數(shù)周期規(guī)律而變化，不但可保證天線的增益約為單口徑旋轉(zhuǎn)拋物反射面天線的75～85%，而且還可保證天線的工作頻帶寬度。
2、使各反射面的上緣處于同一平面，可使該天線的理論厚度δ僅為λmox/2，因此具有更高的(增益/厚度)比，更小的體積、更輕的重量。有利于折疊、運(yùn)輸、以及安裝、調(diào)試。
3、由于該天線的體積、重量很小，制作工藝比較簡單，且可采用廉價(jià)的非金屬材料，因而使成本大為減低，僅為同口徑旋轉(zhuǎn)拋物反射面的1/3～1/5。
4、采用本發(fā)明所制作的天線，不僅可作為收信天線，同時(shí)也可作為發(fā)信天線以及雷達(dá)、通信、射電天文天線。為制造機(jī)動性能高的雷達(dá)，通信設(shè)備提供了可能。
權(quán)利要求
1.一種平板狀寬頻帶反射面微波天線，包括饋源、饋源支桿、天線支架和以多個(gè)同心徑向離散分布的環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面M0、M1、M2……Mm組成的反射體，其特征在于上述環(huán)狀切割旋轉(zhuǎn)拋物反射面的外緣均處于同一平面上，其相鄰兩反射面的光程差Δρm依次等于天線所要求工作頻帶范圍內(nèi)的波長λmox、λ2、λ3……λm-1、λmin，并遵循對數(shù)周期規(guī)律Δρm=λmoxτm-1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板狀寬頻帶反射面微波天線，其特征在于所述相鄰兩反射面的光程差△ρm依次等于C波段天線所要求工作頻帶范圍內(nèi)的波長8.108cm、λ2、λ3……λm-1、7.143cm。并遵循對數(shù)周期規(guī)律△ρm＝8.108τm-1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板狀寬頻帶反射面微波天線，其特征在于所述反射體是一個(gè)包括上層基材、下層基材和基材外側(cè)保護(hù)殼的完整的平行板狀反射體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平板狀寬頻帶反射面微波天線，其特征在于所述上層基材是由聚氨脂硬質(zhì)發(fā)泡材料制成，所述保護(hù)殼是由玻璃鋼制成。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種平板狀微波天線，它包括饋源、饋源支桿、天線支架和以多個(gè)同心徑向離散分布的環(huán)狀旋轉(zhuǎn)拋物反射面M
文檔編號H01Q15/16GK1050470SQ9010332
公開日1991年4月3日 申請日期1990年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月29日
發(fā)明者陳德澤, 黃順生, 周亞清 申請人:中國人民解放軍空軍電訊工程學(xué)院