一種用作拋物面饋源的分形介質諧振天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信天線設備技術領域，更具體地說是涉及一種適合用作拋物反射面 天線饋源的分形介質諧振天線（DRA)。
【背景技術】
[0002] 拋物面天線是天線家族中發明最早、應用最廣的天線類型之一。拋物反射面將位 于焦點的饋源所發射的電磁波朝正前方反射并保持同相，從而形成高方向性波束，或者將 平行波束會聚于焦點。高方向性它最顯著的特點，因此常被應用于高增益場合，如射電天文 望遠鏡、衛星地面接收站、火控雷達、微波中繼傳輸等。移動通信基站間也常采用拋物面天 線來實現大容量空中微波鏈路通信，其所用的拋物面天線一般采用焦徑比F/D較小的反射 面。與大焦徑比相比，其效率較低、交叉極化電平較高，但能獲得足夠低的旁瓣和后瓣電平， 從而有效地減小臨近基站間的電磁干擾，使得空中微波傳輸系統能夠密集部署。
[0003] 然而，焦徑比小的反射面口徑張角a較大，需要寬波束的饋源天線才能有效地照 射整個反射面，從而提高口徑利用效率。因此，常被用作大焦徑比反射面饋源的喇叭天線， 如角錐喇叭、波紋喇叭、加脊喇叭等，由于波束寬度較窄、照射角較小，在這里變得不再是合 適的饋源方案。再者，喇叭天線加工比較困難，成本相對較高，尤其是頻率較高時，如E-波 段（71GHz-86GHz)。因此，寬波束、低成本的新型饋源是小焦徑比拋物面天線研制的關鍵。 尤其需要指出的是，寬波束不僅指饋源方向圖的幅度分布在照射角范圍內較平坦，其相位 分布也必須在整個波束范圍內保持均勻性。另外，旁邊和后瓣電平也盡可能低，使得邊緣功 率泄漏最小。
[0004] 目前，寬波束饋源一般采用介質諧振天線（DRA)，其基本結構由三部分構成：饋電 圓波導管內的阻抗匹配段、饋電圓波導管外的賦形圓錐介質輻射體，以及介質輻射體末端 的賦形反射面。為了設計和加工方便，介質輻射體周邊和末端邊緣常采用連續直折線賦形。 這種折線在保證阻抗匹配、波束寬度、相位一致和可加工性等技術要求的前提下，其段數和 形狀可由設計者任意選擇。這給設計帶來很大自由，同時也給優化帶來很大困難，由于折線 的選擇沒有任何理論依據，完全憑工程師的經驗來判斷。由此可見，常規的折線賦形不能保 證介質輻射頭的設計性能為最優。
[0005] 分形（fractal)是一種外形高度復雜、構造方式卻極有規律的一種幾何體。它具 有幾何自相似性（self-similarity)和空間填充性（space-filling)，已被大量地用于小 型化、多諧頻天線的設計。除此之外，它的精細幾何結構能有效地改變高頻電流分布，從而 顯著地改變天線輻射特性。這一特點目前在電磁學領域內尚未得到充分認識和應用。介質 諧振天線（DRAs)是一種常使用低損耗、高介電常數er(如er= 10-20)的介質材料設計 成的諧振天線。因其小尺寸、低損耗、高效率、寬波束、帶寬、極化、外形均可靈活設計等優點 近年來引起了人們的重視。為此，如何將介質諧振天線實現分形化設計，保留以上優點的同 時獲得更好的輻射特性，如更高增益、更低旁瓣和后瓣電平、更平坦幅度、相位分布和更高 效率，是本發明的設計重點。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的旨在為用于高增益點對點微波通信，特別是為移動基站微波鏈路通 信所常用的小焦徑比拋物反射面天線提供一種高性能、寬波束、低旁瓣和后瓣、小尺寸、低 成本的饋源解決方案。
[0007] 本發明是采用如下技術解決方案來實現上述目的：一種用作拋物面饋源的分形介 質諧振天線，其特征在于，它包括饋電圓波導管和介質輻射體，介質輻射體的前段部分是直 徑為d、高為h的圓柱體，后段部分是底面直徑為D、高為H的圓錐體；前段部分經切削工藝 加工成若干節不同直徑的小段，每一小段介質塊再分別打孔或切槽，然后將整個前段部分 插入饋電圓波導管內以實現阻抗匹配；后段圓錐體部分則分別對其側面和底面進行幾何賦 形，具體做法是將側線和母線的直線段分別用一條類科赫分形曲線（Koch-likeCurve)和 雙曲線替代，經回轉處理后側面由光滑的圓錐面變成了凹凸的分形曲面，底面則由平面變 成朝后凸起的雙曲面，其表面敷涂金屬涂層以起到卡塞格倫次反射面的作用；這里選用損 耗和介電常數er= 2. 5-5. 5的介質材料，以便其介質輻射體前段部分直徑能與饋電圓波 導管內徑相一致；另外，由于介電常數較小，介質塊尺寸稍大，這也有利于加工和裝配；
[0008] 所述饋電圓波導管外圓錐介質體部分的側面和底面分別進行分形面和雙曲面賦 形，是指將側線和母線分別設計成類科赫分形曲線和雙曲線，然后將整條輪廓線水平旋轉 一周即得到所需回轉體，底面雙曲線與多段直折線近似，以多平面代替光滑雙曲面，從而降 低加工工藝的要求。
[0009] 作為上述方案的進一步說明，所述饋電圓波導管內徑的選擇，首先要保證其在工 作頻段內傳播的主模為TEll模，其次考慮傳輸的功率容量限制，介質輻射體插入饋電圓 波導管末端，被饋電圓波導管內傳播的主模TEll模所激勵，饋電圓波導管另一端則通過 圓-矩波導過渡段與標準矩形波導連接，再由同軸線對矩形波導進行饋電。
[0010] 所述介質輻射體設置有介質輻射頭，為了實現介質輻射頭與饋電圓波導管的良好 阻抗匹配，插入饋電圓波導管內的介質輻射體部分設計成直徑和長度各不相同的多節圓柱 體，并結合在其上鉆孔、切槽等輔助手段進一步改善帶內匹配特性。
[0011] 所述饋電圓波導管內不同直徑和長度的介質柱體，它們的直徑雖可根據阻抗匹配 要求任意選擇，但考慮到塞入波導管后的機械堅固性和可靠性，則至少有一節介質段的直 徑與饋電圓波導管內徑相一致，以防止介質體前端塞入饋電圓波導管后出現松動或脫落現 象。
[0012] 所述饋電圓波導管內的介質輻射體的小段節上打孔或切槽，是指在這些分段構造 的介質柱體表面鉆圓形孔或切出環形槽，鉆孔或切槽的直徑/寬度、深度、位置及數目，主 要由阻抗匹配和帶寬要求根據實驗數據來確定；需要指出的是，鉆孔或切槽的主要目的是 為阻抗匹配提供一種有效的輔助手段。
[0013] 所述介質輻射體的輻射頭選用材料一般為損耗和介電常數er較低、容易加工、 價格低廉的材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺/聚酰亞胺、氰酸酯；而饋電圓 波導管、圓-矩波導過渡段和矩形波導則選用導電性較強、熱膨脹系數較小、成本較低的金 屬材料，常見有包括純銅、合金銅、純鋁和壓鑄鋁。
[0014] 本發明采用上述技術解決方案所能達到的有益效果是：
[0015] 本發明是一種適合用作焦徑比F/D較小的拋物反射面饋源的分形介質諧振天線， 采用分形化設計，能在保留小尺寸、低損耗、高效率、寬波束、帶寬、極化、外形均可靈活設計 等優點的同時獲得更好的輻射特性，如更高增益、更低旁瓣和后瓣電平、更平坦幅度、相位 分布和更高效率，是適合焦徑比F/D較小的拋物反射面饋源的優選天線類型，尤其是適合 移動通信基站間用于空中微波點對點傳輸用的拋物面天線。
【附圖說明】
[0016] 圖1為分形介質諧振天線半輪廓線。
[0017] 圖2為分形介質諧振天線剖面圖。
[0018] 圖3為中間段鉆孔前的分形介質諧振天線三維圖。
[0019] 圖4為中間段鉆孔后的分形介質諧振天線三維圖。
[0020] 圖5為分形介質諧振天線與圓波導管裝配后的剖面圖。
[0021] 圖6為分形介質諧振天線S參數（實線-1S111，虛線-1S211)。
[0022] 圖7為分形介質諧振天線駐波比VSWR。
[0023] 圖8為分形介質諧振天線f1= 17. 7GHz的實增益方向圖。
[0024] 圖9為分形介質諧振天線f2= 18. 7GHz的實增益方向圖。
[0025] 圖10為分形介質諧振天線f3= 19. 7GHz的實增益方向圖。
[0026] 圖11為分形介質諧振天線電場Phi分量rEPhi的相位特性。
[0027] 圖12為分形介質諧振天線電場Theta分量rETheta的相位特性。
[0028] 圖13為分形介質諧振天線效率n與頻率f關系曲線。
[0029] 附圖標記說明：1、饋電圓波導管；2、管內圓柱介質匹配段；2-1、管內第一圓柱匹 配段；2-2、管內第二圓柱匹配段；2-3、管內第三圓柱匹配段；2-4、管內第一圓柱匹配段；3、 管外圓錐介質輻射體；4、雙曲反射面；5、下部折線；6、中部折線；7、上部曲線；8、圓孔；9、 槽；10、圓孔。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1-圖5所示，本發明是一種用作焦徑比F/D較小的拋物面饋源的分形介質諧 振天線，在結構上包括：饋電圓波導管1、管內圓柱介質匹配段2、管外圓錐介質輻射體3、圓 錐底部雙曲反射面4,圓錐底部雙曲反射面4位于管外圓錐介質輻射體3的底面。
[0031] 介質輻射體的前段部分是直徑為d、高為h的圓柱體，后段部分是底面直徑為D、高 為H的圓錐體；前段部分經切削工藝加工成若干節不同直徑的小段，每一小段介質塊再分 別打孔或切槽，然后將整個前段部分插入饋電圓波導管內以實現阻抗匹配；后段圓錐體部 分則分別對其側面和底面進行幾何賦形，具體做法是將側線和母線的直線段分別用一條類 科赫分形曲線（Koch-likeCurve)和雙曲線替代，經回轉處理后側面由光滑的圓錐面變成 了凹凸的分形曲面，