專利名稱：一種四脊型寬帶饋源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射電天文中的微波器件，具體地涉及一種四脊型寬帶饋源。
背景技術(shù)：
射電波段是傳統(tǒng)光學(xué)波段之外打開的第一個(gè)窺測(cè)宇宙的窗口。在10項(xiàng)天文學(xué)研究的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，射電天文學(xué)成就了 6項(xiàng)星際分子譜線、脈沖星、脈沖雙星、3K微波背景輻射、微波背景各向異性成像、綜合孔徑成像技術(shù)等。射電天文學(xué)發(fā)現(xiàn)了中性氫(HI)21厘米譜線、星際非熱輻射、射電星系、相對(duì)論性噴流、引力透鏡、黑洞證據(jù)、原星系、巨分子云、星際脈澤、原恒星、太陽系外行星系統(tǒng)、以及太陽和金星上的射電風(fēng)暴等。射電天文觀測(cè)目前用于研究各種天體的前沿問題，特別是暗物質(zhì)分布、黑洞物理、宇宙暗能量性質(zhì)、引力波和引力暴(Gravitational wave bursts)探測(cè)等最前沿問題。射電望遠(yuǎn)鏡是射電天文研究的基本工具。射電望遠(yuǎn)鏡基本是由一面巨大的反射面天線、多套不同波段的饋源和接收機(jī)系統(tǒng)以及相對(duì)應(yīng)的數(shù)字后端系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的饋源帶寬較窄，是射電望遠(yuǎn)鏡帶寬難以提高的制約因素。傳統(tǒng)的饋源器件，在IGHz以下的較低頻段通常采用偶極振子類型的饋源，其帶寬的提升主要受到振子天線較窄的損耗特性及方向圖特性的制約；在IGHz以上，通常采用金屬主體的喇叭天線結(jié)構(gòu)，其帶寬的提升主要是受到方向圖在高頻的惡化及帶寬有限的正交模式極化器的制約。近年來，射電天文對(duì)超寬帶的觀測(cè)設(shè)備提出了迫切的需求，寬頻帶被認(rèn)為是下一代射電天文觀測(cè)設(shè)備應(yīng)具備的重要指標(biāo)。更寬的觀測(cè)帶寬是提高望遠(yuǎn)鏡靈敏度的重要途徑，寬帶的觀測(cè)儀器還因其整合了多個(gè)波段的觀測(cè)設(shè)備而大大提高了設(shè)備的利用率。寬帶的射電觀測(cè)能夠極大地推動(dòng)天文學(xué)的前沿創(chuàng)新，對(duì)射電天文研究本身具有十分獨(dú)特的意乂 I、對(duì)射電源進(jìn)行寬頻帶的觀測(cè)，從而可以直接測(cè)量其頻譜；2、對(duì)多條譜線同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，從而有助于確定射電輻射區(qū)的物理性質(zhì)；3、提高對(duì)弱源特別是脈沖星的探測(cè)能力；4、提高對(duì)短脈沖源特別是暫現(xiàn)源(瞬變?cè)?的研究能力。寬帶饋源是所有寬帶射電天文觀測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵及瓶頸所在，饋源設(shè)備作為連接大天線與接收機(jī)的關(guān)鍵器件，要盡可能均勻地收集來自反射面聚焦的電磁波并低損耗地將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，需要滿足多方面的技術(shù)指標(biāo)，因此寬帶饋源的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前的射電望遠(yuǎn)鏡中廣泛裝備的波紋型喇叭饋源性能優(yōu)良，但只能達(dá)到2.2 I的相對(duì)帶寬。為了進(jìn)一步拓展帶寬至5 : I甚至10 : I以上的水平，近年來國(guó)際上已經(jīng)開始了眾多的嘗試。美國(guó)的ATA陣列望遠(yuǎn)鏡裝備了一種結(jié)構(gòu)類似于對(duì)數(shù)周期天線的寬帶饋源，能夠在23 I的超寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)好于-14dB的反射損耗，同時(shí)其照明束寬也相對(duì)恒定，然而由于ATA饋源的相位中心存在著明顯的波動(dòng)，需要設(shè)計(jì)額外的機(jī)械裝置改變其饋電點(diǎn)的位置，這樣也破壞了同時(shí)性的寬帶觀測(cè)能力。隨后發(fā)展出的Eleven[R. Olsson, P. -S. Kildal,and S. Weinreb,“The Eleven Antenna a Compact Low-profile Decade Bandwidth DualPolarized Feed for Reflector Antennas，，，IEEE Trans. On Antennas Propagation.,vol. 54，no. 2，pp. 368-375，2005.]等類型寬帶饋源，對(duì)ATA饋源的相位中心進(jìn)行了改善，然而駐波比性能偏差，同時(shí)該類型的饋源需要設(shè)計(jì)額外的寬帶巴倫，會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)損耗和設(shè)計(jì)、加工難度，無法滿足射電天文觀測(cè)對(duì)高性能器件的需求。
寬帶饋源的另外一個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑是采用四脊型喇叭，傳統(tǒng)的四脊喇叭損耗大難以滿足射電天文場(chǎng)合對(duì)器件高靈敏度的要求，方向圖隨頻率波動(dòng)大會(huì)嚴(yán)重降低饋源在寬頻帶上的照明效率、相位中心不夠平穩(wěn)、交叉極化偏大。更重要的，傳統(tǒng)的四脊饋源的照明波束居中，大約在30° 60°之間，只比較適合用作偏饋結(jié)構(gòu)的反射面天線中，而在大量存在的主焦和卡焦反射面天線中難以推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種四脊型寬帶饋源，使其能夠更好地用作射電天文中的寬帶饋源。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的四脊型寬帶饋源，包括有饋源外壁和底座，其中饋源外壁的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)；饋源外壁的輻射面加載有口面適配器；饋源外壁內(nèi)的底部安裝有高次模式抑制環(huán)；四個(gè)脊片，等角度地安裝在饋源外壁的內(nèi)部，各脊片的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)；各脊片的一端其邊緣為棱邊結(jié)構(gòu)，其中相鄰的兩個(gè)脊片的棱邊結(jié)構(gòu)的一端設(shè)有貫通于脊片寬度的通孔，一連接件穿過通孔與相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)脊片連接；四脊片的棱邊結(jié)構(gòu)一端安裝在高次模式抑制環(huán)內(nèi)，四脊片之間有一工作間距；各脊片的高度由棱邊結(jié)構(gòu)一端至脊片前部逐漸變高，該高度與饋源軸向尺寸呈線性遞增關(guān)系;底座朝向饋源外壁方向開設(shè)有反射腔。所述的四脊型寬帶饋源，其中，饋源外壁的包絡(luò)曲線為賦形設(shè)計(jì)，其特征在于隨著饋源口的逐漸打開，其口面的打開速率呈現(xiàn)逐漸加快的趨勢(shì)。它可以是指數(shù)型函數(shù)、橢圓型函數(shù)、雙曲余切函數(shù)或其它等類型的函數(shù)；其中A)饋源外壁的包絡(luò)曲線為指數(shù)型函數(shù)時(shí)的公式，例如y{x) =Ial+ b、eh:.、+ C1 (x / J1)"式 I式I 中X是饋源的軸向取值，y是饋源外壁與軸向直線的垂直距離；B^b1是饋源末端的口徑尺寸，通常取為0. 47 λ J λ ^為工作頻帶內(nèi)的最大波長(zhǎng)值)；Id1是兩個(gè)相對(duì)脊片的間距，相對(duì)脊片間距通常取為略小于Imm ；C1和η是饋源外壁包絡(luò)進(jìn)行微調(diào)的函數(shù)，在方向圖恒定性與帶寬性能之間進(jìn)行選擇，取值在(-5，+5)之間；I1是饋源外壁的長(zhǎng)度，132是饋源外壁的包絡(luò)曲率，該兩項(xiàng)參數(shù)決定了饋源的邊緣照明角的數(shù)值。對(duì)于不同照明角的饋源，其^七值由一確定的輻射口面(即饋源喇叭最大的張口處)的直徑D1來進(jìn)行制約，故大照明角的饋源需要設(shè)計(jì)成較短的饋源長(zhǎng)度I1和較為陡峭的包絡(luò)曲率1^2，小照明角的饋源則需要采用較長(zhǎng)的饋源長(zhǎng)度I1和較為舒緩的包絡(luò)曲率b2，D1值可由下面的公式來估算
權(quán)利要求
1.一種四脊型寬帶饋源，包括有饋源外壁和底座，其特征在于 饋源外壁的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)； 饋源外壁的輻射面加載有口面適配器； 饋源外壁內(nèi)的底部安裝有高次模式抑制環(huán)； 四個(gè)脊片，等角度地安裝在饋源外壁的內(nèi)部，各脊片的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)； 各脊片的一端其邊緣為棱邊結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)相鄰的脊片的棱邊結(jié)構(gòu)一端設(shè)有貫通于脊片寬度的通孔，一連接件穿過通孔與相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)脊片連接； 四脊片的棱邊結(jié)構(gòu)一端安裝在高次模式抑制環(huán)內(nèi)，四脊片之間有一工作間距；各脊片的高度由棱邊結(jié)構(gòu)一端至脊片前部逐漸變高，該高度與饋源軸向尺寸呈遞增關(guān)系； 底座朝向饋源外壁方向開設(shè)有反射腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，饋源外壁的包絡(luò)曲線為賦形設(shè)計(jì)，其特征在于隨著饋源口的逐漸打開，其口面的打開速率呈現(xiàn)逐漸加快的趨勢(shì)；該包絡(luò)曲線可以為指數(shù)型函數(shù)、橢圓型函數(shù)、雙曲余切函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的四脊型寬帶饋源，其中 A)饋源外壁的包絡(luò)曲線為指數(shù)型函數(shù)時(shí)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，口面適配器的橢圓軸比為2 I、長(zhǎng)軸為1/4波長(zhǎng)且橢圓函數(shù)為135°角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，高次模式抑制環(huán)的內(nèi)半徑是饋源外壁半徑的80%，高次模式抑制環(huán)的高度是是饋源整體長(zhǎng)度的3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，脊片的包絡(luò)曲線為指數(shù)線型函數(shù)、橢圓型函數(shù)或雙曲余切函數(shù)；其中 A)脊片的包絡(luò)曲線為指數(shù)線型函數(shù)的公式
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，脊片的漸變高度為線性函數(shù)、冪函數(shù)、橢圓型函數(shù)或雙曲余切函數(shù)；其中 A)脊片的漸變高度為線型函數(shù)的公式
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，四脊片棱邊結(jié)構(gòu)的角度為30。-60。。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，底座上的反射腔為圓錐狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四脊型寬帶饋源，其中，連接件為一圓柱形探針，其長(zhǎng)度為兩相對(duì)脊片的間距；在圓柱形探針的一端為過渡段，圓柱形探針的另一端與相對(duì)的脊片焊接牢固；過渡段的另一端與標(biāo)準(zhǔn)的SMA探針相匹配；連接件中圓柱形探針的直徑是過渡段直徑的1-2倍。
全文摘要
一種四脊型寬帶饋源，包括有饋源外壁和底座，其中饋源外壁的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)；饋源外壁的輻射面加載有口面適配器；饋源外壁內(nèi)的底部安裝有高次模式抑制環(huán)；四個(gè)脊片，等角度地安裝在饋源外壁的內(nèi)部，各脊片的包絡(luò)為一賦形的曲線函數(shù)；各脊片的一端其邊緣為棱邊結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)相鄰的脊片的棱邊結(jié)構(gòu)的一端設(shè)有貫通于脊片寬度的通孔，一連接件穿過通孔與相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)脊片連接；四脊片的棱邊結(jié)構(gòu)一端安裝在高次模式抑制環(huán)內(nèi)，四脊片之間有一工作間距；各脊片的高度由棱邊結(jié)構(gòu)一端至脊片前部逐漸變高，該高度與饋源軸向尺寸呈遞增關(guān)系；底座朝向饋源外壁方向開設(shè)有反射腔。本發(fā)明提供的四脊型寬帶饋源能夠更好地用作射電天文中的寬帶饋源。
文檔編號(hào)H01Q13/02GK102683864SQ201210148649
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者于京龍, 龐峰, 李建斌, 董賓, 韓金林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)