射電日像儀寬頻帶雙圓極化饋源1)技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于無線電、射電天文技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種反射面上安裝的寬頻帶饋源。2)技術(shù)背景新一代厘米-分米波射電日像儀低頻段是由40面天饋系統(tǒng)，40套模擬接收機以及40路數(shù)字接收機組成。其中天饋系統(tǒng)中的饋源是日像儀前端接收系統(tǒng)的一個重要組成部分，同時也是整個系統(tǒng)設(shè)計的難點之一。由觀測目標(biāo)的物理性質(zhì)決定，日像儀需要在高時間、高空間、高頻率分辨率對太陽進行連續(xù)觀測，并在寬頻帶內(nèi)具有綜合成像能力。饋源方向圖應(yīng)滿足對反射面的照射要求，通常兼顧天線增益和副瓣電平，要求反射面邊緣照射電平約為-10dB，即饋源方向圖-10dB處波束寬度應(yīng)接近于反射面張角。通常所應(yīng)用的超寬帶天線有對數(shù)周期天線、平面螺旋天線、圓錐螺旋天線、Sinuous天線等。對于對數(shù)周期天線，當(dāng)工作頻帶很寬時，這種天線存在的問題和缺陷有：天線的尺寸很大，如果將其加在反射面上，導(dǎo)致天饋系統(tǒng)的效率降低，且相位中心易隨頻率的變化而移動；平面螺旋天線和圓錐螺旋天線由于其結(jié)構(gòu)特點，只能實現(xiàn)單旋向接收，不能同時接收雙圓極化波，因此均不適合做日像儀所需要的饋源。因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種寬頻帶饋源，能夠確保饋源結(jié)構(gòu)，提高電性能穩(wěn)定性。此發(fā)明所設(shè)計的饋源在寬頻帶(0.4GHz～2GHz的低頻段)接收雙圓極化RCP(右旋圓極化)和LCP(左旋圓極化)信號，具體特性，就是在觀測頻帶內(nèi)，饋源的方向圖、阻抗、相位中心等參數(shù)基本不隨頻率變化。由于如果采用直接雙圓極化輸出信號的饋源無法滿足低頻部分5個倍頻程的頻率范圍要求。項目中的所用的寬頻帶雙圓極化饋源將采用寬頻帶線極化饋源加3dB電橋移相器的辦法實現(xiàn)。3)

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決的技術(shù)問題：根據(jù)射電天文技術(shù)，設(shè)計考慮饋源在整個寬頻帶內(nèi)，相位中心不隨頻率改變而改變，電壓駐波比小于1.5。在工程上雙圓極化天線可以由性能優(yōu)良的雙線極化天線結(jié)合隔離度超好的3dB電橋形成網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造。本發(fā)明具體是這樣實現(xiàn)的：在新一代厘米-分米波射電日像儀中，一期的工作頻段在0.4-2GHz，饋源組成包括：對稱振子、金屬地板、饋電所需的同軸電纜、饋電處的絕緣介質(zhì)、電阻、支撐對稱振子的楔形模塊、金屬薄片。根據(jù)上述方案，各個對稱振子長度是其接收電磁信號波長的二分之一。根據(jù)上述方案，楔形模塊作為對稱振子與金屬地板的連接部件，是由低介電常數(shù)板制作而成，形狀從側(cè)面看是一直角梯形，底面與地板做到無縫接觸，根據(jù)對稱振子與地板的夾角加工楔形模塊，以提高對稱振子的穩(wěn)定度和機械強度。根據(jù)上述方案，在饋電處需要添加絕緣介質(zhì)，確保饋電座內(nèi)外的同軸度。根據(jù)上述方案，在最底端高頻對稱振子相連處，同軸電纜的內(nèi)芯和外皮分別與高頻對稱振子的兩端相連。根據(jù)上述方案，同軸電纜饋電時，應(yīng)調(diào)節(jié)同軸電纜饋電的位置，并添加電阻，使饋源與電阻的阻抗約為50歐，以與同軸電纜的特性阻抗匹配。根據(jù)上述方案，在調(diào)試過程當(dāng)中，部分頻率段的對稱振子需貼小的金屬薄片，以獲得較好的饋源電性能。為了使饋源具有等化的E面和H面波瓣寬度，通過對饋電部分添加阻抗的優(yōu)化方法解決駐波值較大的問題。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點如下：a)在寬頻帶下，饋源的尺寸減小，極大的提高了拋物面天線的照射效率。b)具有等化的E面和H面波束寬度。c)輸入阻抗、方向圖、相位中心顯示良好的非頻變性，這種饋源的應(yīng)用，對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供可參考數(shù)據(jù)。d)饋源的寬頻帶設(shè)計，為之后在射電天文界應(yīng)用的天饋技術(shù)開辟一種新的研究方向。e)易加工，造價低。新饋源所選用的材料均為常用，可靠性高，無特殊工藝加工要求，容易加工。4)附圖說明本發(fā)明涉及一種太陽射電日像儀饋源，它是一種可在寬頻帶(0.4-2GHz)范圍內(nèi)，與4.5米拋物面天線一起接收太陽電磁信號。所有振子以對數(shù)周期形式排列，具有低交叉極化、穩(wěn)定的相位中心等特點。圖1是半波對稱振子天線結(jié)構(gòu)示意圖，此振子作為饋源基本組成單元。如圖1所示，此振子輻射方向圖在振子的軸線方向上輻射為零，在水平面上輻射最大。圖2為饋源的接收單一線極化電磁波振子的結(jié)構(gòu)示意圖，由20對如圖1所示的對稱振子組成，可以在寬頻帶范圍內(nèi)形成線極化輻射。在高頻端饋電，使得每一對振子上的電流幅度、相位、方向一致。由圖2可知，每一對對稱振子例如b1和b1’在空間距離相隔約為半個波長，在高頻端b20與b20’的空間距離相隔約為半個波長。圖3為兩組如圖2所示的振子放置在金屬地板上的饋源結(jié)構(gòu)俯視圖，所述饋源接收垂直和水平極化分量。本發(fā)明包括：金屬地板1，饋源的1/4部分是由對稱振子a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、a9、a10、a11、a12、a13、a14、a15、a16、a17、a18、a10、a20組成，材質(zhì)為銅，由線切割工藝完成。其余三塊與這一塊制作方法一樣。各個振子的長度、間隔都是以對數(shù)周期形式排列。制作實物時，由于要求圖2所示的對稱振子對b1和b1’，b2和b2’，b3和b3’，b4和b4’，b5和b5’，b6和b6’，b7和b7’，b8和b8’，b9和b9’，b10和b10’，b11和b11’，b12和b12’，b13和b13’，b14和b14’，b15和b15’，b16和b16’，b17和b17’，b18和b18’，b19和b19’，b20和b20’間距相隔約為各自頻率段的半個波長，在實際制作中，對稱振子對需要用楔形模塊將其支撐，以與金屬地板形成張角。在高頻端b20和b20’連接處，采用同軸線對兩組如圖2所示的進行分別饋電。由于同軸電纜特性阻抗為50歐，與實際制作饋源特性阻抗不匹配，需在饋電部分添加漸變線或電阻的方法以實現(xiàn)阻抗匹配。分別在饋電部分距饋電線2、3和4、5之間的中間位置各加470歐姆。為了能夠接收雙圓極化信號，需在饋電部分后端添加3dB電橋。同軸電纜連接3dB電橋，兩根同軸電纜的外皮分別與2、4相連，3、5分別與同軸線的內(nèi)芯相連，兩根同軸線的另外一端接3dB電橋。具體方法為：當(dāng)將此饋源的低頻頻率和高頻頻率確定后，對稱振子最短長度和最長長度基本確定。通過仿真軟件，優(yōu)化各振子長度和高度，得出實際制作尺寸的最佳優(yōu)化值。在電性能測試過程中，天線輸入阻抗的調(diào)配可通過調(diào)節(jié)對稱振子的數(shù)量、對稱振子的寬度、在饋電處添加匹配電阻或漸變線等方法實現(xiàn)。當(dāng)將實物制成后，可通過調(diào)節(jié)振子多少反復(fù)測量，調(diào)試期間使得輸入的電壓駐波比＜1.5，直到達到最佳輸入阻抗匹配。5)具體實施方式a)通過項目所要求的指標(biāo)特性，對饋源的振子長度以及寬度進行設(shè)計，仿真，優(yōu)化，得出最優(yōu)值。b)最典型的平面對數(shù)周期天線是印刷對數(shù)周期偶極子天線，由N根印刷振子周期性的平行排列在集合線上構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線各振子的尺寸和位置與振子的序號有關(guān)，按照結(jié)構(gòu)比例因子τ設(shè)計排列，滿足式中，n表示振子的序號，n＝1，2，3...N-1；sn為第n根與第n+1根振子間的距離，n＝1，2，3...N-1；ln為第n根振子的長度。饋源就是由圖2所示的兩組振子單元制作而成的，低剖面寬帶雙極化天線的陣列天線單元采用大張角設(shè)計，縮短了單個對數(shù)周期天線的縱向尺寸，最大限度地減小了饋源對反射面天線口徑的遮擋。低剖面寬帶雙極化天線的設(shè)計保留標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)周期天線的非頻變特性，即當(dāng)頻率f連續(xù)變化時，天線的電特性隨著頻率的對數(shù)作周期性變化。為了獲得對稱的方向圖，以實現(xiàn)對反射面的均勻照射，對于每一個工作頻率f，相同極化天線單元的有效工作區(qū)間距為0.5λ，以實現(xiàn)對稱的E、H波瓣寬度。同時，對于每一個工作頻率f，天線單元的有效工作區(qū)與天線地板的間距為0.16λ，確保天線的相位中心位于天線地板的中心。當(dāng)頻率f連續(xù)變化時，相同極化天線單元的有效工作區(qū)的間距、有效工作區(qū)與天線地板的間距的電長度保持不變，因此低剖面寬帶雙極化天線可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)對稱的E、H波瓣寬度、穩(wěn)定的相位中心、優(yōu)良的交叉極化特性等，這是反射面天線饋源的主要技術(shù)指標(biāo)要求。c)太陽輻射電磁波是線極化電磁波，通過在后端添加3dB電橋形成圓極化信號。雙圓極化形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的兩個輸入端口A、B分別與雙線極化天線的兩個輸出端口連接，假定兩個輸入端口A、B處可得到兩路幅度相等的極化正交的線極化信號可分別設(shè)為根據(jù)圓極化形成的基本理論，形成圓極化的兩路信號必須滿足極化正交且相位相差90°。因此，通過圓極化形成網(wǎng)絡(luò)分別在兩個信號通道中實現(xiàn)90°的相移，再分別相加，得到所需的圓極化。