一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，包括主反射面、副反射面和饋源，述饋源發(fā)射出的波束經(jīng)副反射面反射到主反射面后再射出；主反射面的曲面形狀為旋轉(zhuǎn)拋物面，主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成熟，提高了天線近場(chǎng)區(qū)軸線功率密度，在同樣輸入功率情況下，軸線最大功率密度得到大幅提高；達(dá)到有效功率閾值的距離范圍增大；提高了天線效率、增大了天線近場(chǎng)增益。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及毫米波天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種毫米波雙反射面賦形天線，其輻 射波束可聚焦在近場(chǎng)區(qū)域。 一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線

【背景技術(shù)】
[0002] 雙反射面天線，由主反射面、副反射面和饋源三部分組成，包括卡塞格倫、葛利高 利以及環(huán)焦天線。其相對(duì)于其它天線，具有低副瓣、低交叉極化、高增益的特點(diǎn)，在20世紀(jì) 60年代起就在導(dǎo)彈靶場(chǎng)的精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)上得到廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)的AN/FPQ-6雷達(dá)、 屈德克斯雷達(dá)，法國(guó)的幾 A-1。同時(shí)相對(duì)于厘米波段，工作在毫米波頻段的饋線系統(tǒng)損耗很 大，為縮短饋源的饋線，一般大功率毫米波系統(tǒng)采用饋源在天線后面的雙反射面天線作為 福射系統(tǒng)。
[0003] 大口徑天線在近場(chǎng)區(qū)（菲涅爾區(qū)）存在較強(qiáng)的衍射相干，沿軸線的波束分布存在許 多菲涅爾峰，如圖1所示。近年來(lái)，在毫米波近程通訊、毫米波人體成像、毫米波無(wú)線輸能和 ITER計(jì)劃中的毫米波等離子體加熱等應(yīng)用領(lǐng)域，越來(lái)越多的毫米波天線應(yīng)用都集中在天線 的菲涅爾區(qū)，特別是最后一個(gè)菲涅爾峰所在區(qū)域；同時(shí)都希望在相同的功率源情況下，獲得 更大的軸線功率密度。但是目前國(guó)外已研制的大功率毫米波天線均采用焦點(diǎn)為無(wú)窮遠(yuǎn)的非 聚焦輻射方式，使得其口面輻射場(chǎng)在近場(chǎng)區(qū)軸線功率密度最大值（即最后一個(gè)菲涅爾峰）偏 低、達(dá)到有效功率閾值的距離范圍偏小。因此人們希望有一種毫米波天線，可提高其近場(chǎng)軸 線上功率密度，增大近場(chǎng)作用距離范圍。目前國(guó)內(nèi)外均未有類似的提高近場(chǎng)軸線功率密度 的口徑天線。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了提高天線輻射近場(chǎng)軸線功率密度，增大近場(chǎng)作用距離范圍， 提供一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線。通過(guò)對(duì)該雙反射面天線的主、副反射面 的曲面進(jìn)行賦形，使饋源饋入的波束在天線主面口面上產(chǎn)生能聚焦的場(chǎng)幅度分布和相位分 布。其口面場(chǎng)輻射的波束在近場(chǎng)聚焦到設(shè)計(jì)區(qū)域處，提高了近場(chǎng)區(qū)軸線功率密度，解決了目 前毫米波近場(chǎng)某些應(yīng)用中軸線功率密度最大值偏低、達(dá)到有效功率閾值的距離范圍偏小的 不足。
[0005] -種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，包括主反射面、副反射面和饋源，所述 饋源發(fā)射出的波束經(jīng)副反射面反射到主反射面后再射出；所述主反射面的曲面形狀為旋轉(zhuǎn) 拋物面，主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處；所述副反射面 曲面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，且副反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圓心位于所述饋源出射軸線上；所述饋源設(shè) 置在副反射面的實(shí)焦點(diǎn)上；所述主反射面的焦點(diǎn)與天線副面雙曲面的另一實(shí)焦點(diǎn)重合。
[0006] 進(jìn)一步的，所述主反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)或?yàn)闄E圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0007] 進(jìn)一步的，所述主反射面和副反射面均為導(dǎo)電面。
[0008] 進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電面為全導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)；或?yàn)榉墙饘俨牧?，其非金屬材料表面?覆、電鍍金屬層或?qū)щ娖帷?br> [0009] -種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，包括主反射面、副反射面和饋源，所述 饋源發(fā)射出的波束經(jīng)副反射面反射到主反射面后再射出；所述主反射面的曲面形狀為旋轉(zhuǎn) 拋物面，主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處；所述副反射面 曲面為橢球面，且副反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圓心位于所述饋源出射軸線上；所述饋源設(shè)置在 副反射面的實(shí)焦點(diǎn)上；所述主反射面的焦點(diǎn)與天線副面橢球的另一焦點(diǎn)重合。
[0010] 本發(fā)明中，整個(gè)天線系統(tǒng)分為兩種類型，一個(gè)為卡塞格倫天線，另一個(gè)為葛利高利 天線。副反射面曲面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，饋源放在雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)上，則整個(gè)天線系統(tǒng)為卡塞格 倫天線，主反射面的拋物面的焦點(diǎn)與天線副反射面雙曲面的另一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)重合；副反射面 曲面為橢球面，天線饋源設(shè)置在橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)上，則天線系統(tǒng)為葛利高利天線，主反射 面的拋物面的焦點(diǎn)與天線反射副面橢球面的另一焦點(diǎn)重合。輻射波束軸線與天線面法線平 行時(shí)，主反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)；輻射波束軸線與天線面法線有一定夾角時(shí)，主反射面為橢圓 對(duì)稱結(jié)構(gòu)。主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處。
[0011] 本發(fā)明中對(duì)主反射面和副反射面的曲面形狀均進(jìn)行了精密賦形，其中副反射面的 賦形形狀控制主面口面場(chǎng)的幅度分布，主反射面的賦形形狀控制主面口面場(chǎng)的相位分布。 主反射面和副反射面為導(dǎo)電的金屬面，可以采用鋁、銅等全金屬或者是非金屬材料然后表 面涂覆、電鍍金屬層或?qū)щ娖帷?br> [0012] 本發(fā)明的近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線工作在毫米波波段，其工作原理 是：輸入的毫米波信號(hào)通過(guò)饋源的輻射進(jìn)入雙反射面天線系統(tǒng)；由饋源輻射的毫米分布在 經(jīng)過(guò)副反射面反射后照射到主反射面上，副反射面的賦形結(jié)構(gòu)對(duì)饋源輸入的毫米波束幅度 分布進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)(天線工程手冊(cè)，林昌祿主編，P610);由副反射面反射形成的毫米波分 布經(jīng)過(guò)主反射面反射后形成圖1中的主天線口面分布，主反射面的賦形結(jié)構(gòu)對(duì)輸入的毫米 波束有不同的光程長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度差造成了照射到主反射面的同相位波束經(jīng)過(guò)主反射面反射 后在天線口面上形成內(nèi)凹的相位分布（即波束軸線為0°，相位角度隨離中心距離而增加）； 天線口面幅度和相位分布在天線近場(chǎng)區(qū)形成聚焦束斑，在聚焦束斑區(qū)域內(nèi)軸線功率密度得 到提高，達(dá)到有效功率閾值的距離范圍增大。
[0013] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成熟，提高了天線近場(chǎng)區(qū)軸線功率密度，在同樣輸入功率情況下， 軸線最大功率密度得到大幅提高；達(dá)到有效功率閾值的距離范圍增大；提高了天線效率、 增大了天線近場(chǎng)增益。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：
[0016] 圖1是現(xiàn)有天線系統(tǒng)近場(chǎng)軸線分布圖；
[0017] 圖2是本發(fā)發(fā)明近場(chǎng)波束聚焦毫米波天線系統(tǒng)組成示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明近場(chǎng)波束聚焦毫米波雙反射面天線圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明近場(chǎng)波束剖面電場(chǎng)分布圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明近場(chǎng)波束軸線功率密度分布圖。
[0021] 圖中：1是饋源,2是副反射面，3是主反射面，4是主反射面口面場(chǎng)，5是輻射波束。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 本說(shuō)明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0023] 如圖2所示，本發(fā)明所述的雙反射面天線的系統(tǒng)示意圖，該近場(chǎng)波束聚焦毫米波 天線系統(tǒng)由三個(gè)主要部件組成：饋源、副反射面和主反射面，饋源經(jīng)過(guò)副反射面反射后到主 反射面在反射出去，主反射面口面場(chǎng)分布與饋源出射方向垂直，且面場(chǎng)的輻射波束的軸線 與饋源軸線可成任意夾角。
[0024] 本設(shè)施例中，設(shè)計(jì)一套口徑為342. 4mm的近場(chǎng)波束聚焦毫米波天線，為卡塞格倫 天線。圖3為天線系統(tǒng)的縱向剖面圖（y=0)，如圖3所示：聚焦波束出射方向與水平方向呈 70°夾角；饋源輸入高斯波束，等效相位中心在（〇,〇, 0)，功率1W;天線主面口面場(chǎng)幅度分 布為拋物型分布，天線為橢圓狀旋轉(zhuǎn)拋物面，長(zhǎng)軸：〇. 3624m，短軸：0. 3424m ;副面為旋轉(zhuǎn)雙 曲面，圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，直徑為0. 063m ;天線系統(tǒng)為鋁材。
[0025] 圖4為得到的近場(chǎng)波束剖面電場(chǎng)場(chǎng)分布(單位V/m)，波束在近場(chǎng)區(qū)域聚焦良好。圖 5為對(duì)應(yīng)的軸線功率密度分布（W/cm 2)，其中星線對(duì)應(yīng)的是焦點(diǎn)為2. 66m的聚焦場(chǎng)軸線功率 密度分布，其中平滑線對(duì)應(yīng)的是焦點(diǎn)為3000000m的非聚焦場(chǎng)軸線功率密度分布。如圖5所 示，非聚焦時(shí)功率密度最大值為：〇.〇〇37W/cm 2,；聚焦后最大值為0. 1113W/cm2 ;當(dāng)以0.04 W/cm2為作用閾值時(shí)，聚焦天線的有效作用范圍為2. 08nT3. 88m，而非聚焦天線無(wú)有效作用 范圍。
[0026] 本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【權(quán)利要求】
1. 一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，包括主反射面、副反射面和饋源，所述饋 源發(fā)射出的波束經(jīng)副反射面反射到主反射面后再射出；其特征為所述主反射面的曲面形狀 為旋轉(zhuǎn)拋物面，主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處；所述副 反射面曲面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，且副反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圓心位于所述饋源出射軸線上；所述 饋源設(shè)置在副反射面的實(shí)焦點(diǎn)上；所述主反射面的焦點(diǎn)與天線副面雙曲面的另一實(shí)焦點(diǎn)重 合；所述饋源軸線與主反射面輻射波束軸線成任意度夾角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述主 反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)或?yàn)闄E圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述主 反射面和副反射面均為導(dǎo)電面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述導(dǎo) 電面為全導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)；或?yàn)榉墙饘俨牧?，其非金屬材料表面涂覆、電鍍金屬層或?qū)щ娖帷?br> 5. -種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，包括主反射面、副反射面和饋源，所述饋 源發(fā)射出的波束經(jīng)副反射面反射到主反射面后再射出；其特征為所述主反射面的曲面形狀 為旋轉(zhuǎn)拋物面，主反射面的中心點(diǎn)位于副面出射中心軸線和輻射波束軸線交點(diǎn)處；所述副 反射面曲面為橢球面，且副反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圓心位于所述饋源出射軸線上；所述饋源 設(shè)置在副反射面的實(shí)焦點(diǎn)上；所述主反射面的焦點(diǎn)與天線副反射面橢球的另一焦點(diǎn)重合； 所述饋源軸線與主反射面輻射波束軸線成任意度夾角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述主 反射面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)或?yàn)闄E圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述主 反射面和副反射面均為導(dǎo)電面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種近場(chǎng)波束聚焦的毫米波雙反射面天線，其特征為所述導(dǎo) 電面為全導(dǎo)電金屬結(jié)構(gòu)；或?yàn)榉墙饘俨牧希浞墙饘俨牧媳砻嫱扛?、電鍍金屬層或?qū)щ娖帷?br> 【文檔編號(hào)】H01Q15/16GK203895610SQ201420308645
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】薛長(zhǎng)江, 余川, 孟凡寶, 屈勁, 徐剛, 施美友, 陳世韜 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所