高利用率大口径反射镜紧缩场天线测量系统的研究与设计

发布时间：2020-09-01 09:15

　　毫米波太赫兹天线在气象、天文和安检等领域有着广泛的应用前景。但是,在毫米波太赫兹波段,大口径天线系统的测量,面临着很大的挑战。紧缩场系统能在较小的空间内产生准平面波,是解决气象、海洋、环境、深空探测器的天线测量的一种合理、有效的方法。本文提出了一种提高单反射镜和三反射镜紧缩场口径利用率的方法,设计了高利用率反射镜式紧缩场系统结构,并且通过仿真和实验验证了所提方法的正确性和有效性。本文主要研究工作如下:1、本文首先从本质上研究了抛物面口径场分布,提出了一种赋形馈源方向图逆向补偿抛物面口径场分布的理论,并基于此理论设计了可实现的同轴腔喇叭馈源和光壁喇叭馈源,有效补偿了抛物面口径场分布,同时设置赋形方向图截断区域比较反射面衍射效应并优化单反紧缩场反射面偏置结构,实现了单反紧缩场70%口径内,静区幅值抖动小于2 dB,验证了所提理论、系统架构、设计方法的正确性和有效性,为大口径单反紧缩场的实施打下了基础。2、由于一般实际搭建的大口径偏置反射面的偏置角都在30°以上,而设计实现的赋形方向图的波束宽度范围只在±20°区间。本文针对这种情况,根据已搭建在伦敦大学玛丽女王学院的3 m 口径单反射镜紧缩场,提出一种基于高偏置辐射平顶方向图来近似高照射角度区间内赋形方向图特性的理论。基于此理论实现了一款平顶方向图特性的同轴腔喇叭,搭建了馈电系统,沿偏置角55°方向馈电3m反射面,并进行静区实测。100 GHz时,在静区口径2 m即66%口径利用率内静区的幅值抖动小于2 dB。这表明高利用率大口径单反抛物面紧缩场可以通过此高偏置角平顶同轴腔喇叭照射方式实现。为了展宽单反紧缩场带宽,基于高偏置照射理论,使用宽带平顶方向图特性光壁喇叭沿50°偏置角馈电,85 GHz～105 GHz时静区2 m范围内,即66%反射面口径利用率,满足幅值抖动小于2.5 dB。3、本文提出了一种基于抛物面主镜的偏置三反射镜系统的初始几何布局条件,以得到高交叉极化隔离度的三反射镜紧缩场系统,无需在赋形过程中进行交叉极化控制。采用提出的初始几何布局条件,设计了主镜口径分别为3 m和5 m的三反射镜紧缩场系统,在静区范围内,基本上主极化幅度抖动小于ldB,相位抖动小于10°,交叉极化隔离度大于40 dB,从而为大口径高交叉极化隔离度三反射镜紧缩场系统的实施打下了基础。同时又在空域时域角域对大口径反射面拼接方式做了研究,并分析单面板移动对静区性能的影响,为实际搭建工作提供指导。4、由于馈源对三反射镜紧缩场的漏射影响,本文对低旁瓣馈源进行了研究,利用tanh型轮廓改变激励的HE12模式在口径处的幅值,同时保证最小程度地激励HE13和更高阶模式可以实现低旁瓣。由此设计并实现了一款tanh/linear型双轮廓的低旁瓣光壁喇叭,旁瓣实测等级小于-37 dB。同时又仿真设计出了一款tanh/linear型双轮廓波纹喇叭,实现超低旁瓣仿真等级-50 dB,交叉极化仿真等级-64 dB。用于三反射镜紧缩场系统中,减弱馈源直漏,提高静区性能,且旁瓣越低,紧缩场静区幅值抖动越小。为大口径三反射镜紧缩场提供高性能馈源。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V443.4;TN820
【部分图文】：

紧缩场,透镜,静区,口径

同时口径较小。逡逑Ｉ逡逑图１－２尼斯大学设计的透镜加载馈源结构［３１］逡逑全息紧缩场方面，当频率超过１００邋ＧＨｚ时，传统的反射面形式紧缩场变得日益困难。逡逑主要的问题是苛刻的反射面精度要求和昂贵的加工成本。这些问题可以被一种新型全息逡逑形式反射面解决，相应的一个平面全息结构作为准直器将馈源喇叭发出的球面波转换为逡逑平面波。全息紧缩场成本低，易加工，表面精度要求也较反射面低很多。全息紧缩场甚逡逑至可能在亚毫米波频段实现高质量和低成本测试场。１９９７年，Ｔａａｖｉ邋Ｈｉｒｖｏｎｅｎ等人利用逡逑一个口径５５０ｍｍ的全息片搭建了全息紧缩场，１１０ＧＨｚ测试结果得出，静区在口径２００逡逑ｍｍ内幅值抖动小于２ｄＢ，相位抖动小于１５°［３９］。２００１年，Ｊ．Ａｌａ－Ｌａｕｒｉｎａｈｏ等人利用２．４逡逑ｍ＞＜２．０ｍ的全息片搭建了全息紧缩场，１１９ＧＨｚ测试结果得出，静区在口径１．１邋ｍｍ内大逡逑部分幅值抖动小于１．５邋ｄＢ

紧缩场,全息,反射面,尼斯

３００逦Ｉ逡逑图１－１赋形的透镜结构和锯齿形边缘［Ｍ】逡逑２０１０年，Ｍ．Ｍｕｌｔａｒｉ等人研制了一个新型透镜紧缩场，７７ＧＨｚ时，静区口径１７０＿逡逑（６８％透镜口径）内，幅值抖动ｌｄＢ，相位抖动８°［３１］。但目前其工作频段还相对较低，逡逑同时口径较小。逡逑Ｉ逡逑图１－２尼斯大学设计的透镜加载馈源结构［３１］逡逑全息紧缩场方面，当频率超过１００邋ＧＨｚ时，传统的反射面形式紧缩场变得日益困难。逡逑主要的问题是苛刻的反射面精度要求和昂贵的加工成本。这些问题可以被一种新型全息逡逑形式反射面解决，相应的一个平面全息结构作为准直器将馈源喇叭发出的球面波转换为逡逑平面波。全息紧缩场成本低，易加工，表面精度要求也较反射面低很多。全息紧缩场甚逡逑至可能在亚毫米波频段实现高质量和低成本测试场。１９９７年，Ｔａａｖｉ邋Ｈｉｒｖｏｎｅｎ等人利用逡逑一个口径５５０ｍｍ的全息片搭建了全息紧缩场，１１０ＧＨｚ测试结果得出，静区在口径２００逡逑ｍｍ内幅值抖动小于２ｄＢ

紧缩场,全息,测试口径,赫尔辛基

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