CN113078478A - 一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，基于紧缩场馈源偏焦控制和阵列馈电，偏焦实现的静区波束经阵列馈电补偿，而提升离轴的平面波静区场的质量，用以移动通讯基站、终端、雷达目标或雷达天线在远场多波束电磁环境下实物仿真和精确模拟测试。通过对馈源偏焦控制，可改变反射面反射电磁波束的方向，使得平面波静区离轴；通过可对馈电单元单独幅相加权的阵列馈电技术，可补偿由离轴射线波程畸变引起的幅度和相位波动，在静区综合出高质量的平面波场，改善离轴紧缩场***的静区性能。本发明的装置能够实现在当反射面紧缩场***的馈源不在焦或静区不在轴时，***仍可离轴综合出高质量的平面波静区。

Description

一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置
技术领域
本发明涉及紧缩场和阵列馈电技术，特别涉及一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置。通过馈源偏焦控制反射面反射电磁波束的方向，使得平面波静区离轴；通过馈源幅相加权的阵列馈电补偿由离轴射线波程畸变引起的幅度和相位波动，从而提升离轴的平面波静区场的质量。其主要应用于高频天线(如毫米波天线)测试，为在远场电磁环境下工作的设备仿真测试提供平面波电磁环境。
背景技术
为了测试、调试和检验天线设备的指标性能，需要对其远场方向图进行精确的测量。然而，电大尺寸天线的远场往往距离较长，尤其在高频波段(如毫米波波段)可达到几千米，甚至几十千米，这使得直接远场测量在工程上难以实现。紧缩场技术可在紧缩的空间直接测试天线的远场方向图，满足了电大尺寸天线辐射特性测试对可控试验距离和远场电磁环境的要求。反射面紧缩场是目前技术很成熟、应用最广泛的一类紧缩场，其采用精密抛物面(加工精度一般为1/100个波长)将馈源发出的球面波准直校正为高质量的准平面波。在反射面紧缩场***的设计中，一般存在两个问题：1、由于某种特殊原因，馈源不可放置于反射面焦点位置或平面波静区几何中心无法置于***轴上；2、由于离轴射线波程畸变，平面波静区场存在较大的幅度和相位不平度。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，采用紧缩场偏焦控制技术和阵列馈电装置，实现平面波束方向控制和平面波场补偿，进而可使馈源偏焦或静区离轴和综合出高质量的平面波静区场，具有馈源和静区位置灵活和静区场质量高的优势，解决紧缩场馈源偏焦、静区离轴以及平面波静区场存在较大的幅度和相位不平度的问题，为天线测量提供更有利的测试条件。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，该装置包括紧缩场反射面、馈源、馈源偏焦控制***，还设置有等效的电磁环境静区，其中，
所述的紧缩场反射面为一抛物面，中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘经过锯齿或卷曲处理，用于将激励源发出的电磁波反射后紧缩地在指定区域形成所需的平面波波前；
所述的馈源，是一馈电单元幅相单独可控的馈源阵列，通过给馈源阵列各单元独立赋预定的幅度和相位权值，在静区综合出高质量的平面波前；
所述的馈源偏焦控制***，是通过机械电子设备调整馈源的位置，使得馈源偏焦，进而实现电磁波束辐射方向的调整，控制静区位置；
所述的等效电磁环境静区，是由在焦或偏焦的馈源阵照射反射面后二次辐射形成的平面波电磁场区域，其包括在轴和离轴的所有情况，用于天线测量、雷达隐身测试。
进一步的，馈电方式为馈源阵列馈电，通过给馈源阵列各天线单元独立赋合适的幅度和相位权值，可在紧缩场静区内综合出高质量的平面波前所述合适的幅度和相位权值是指能够补偿因馈源偏焦而引起的波程差的权值。
进一步的，利用紧缩场偏焦控制***调控馈源阵列位置，包括在焦和偏焦，改变紧缩场主波束的辐射方向，进而在一定范围内控制平面波静区场的位置。
进一步的，等效的电磁环境静区位置由馈源位置间接可控，包括在轴和离轴，即静区几何中心位于或偏离过紧缩场反射面等效口径几何中心的口径法线上的口径法线上所有情况。
进一步的，所述的等效的电磁环境静区能应用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
进一步的，所述平面波前综合所依赖的馈源阵列的实现，包括相控阵天线、反射阵天线、透射阵天线。
进一步的，所述平面波前综合所依赖的紧缩场反射面，包括单反射面、双柱面、格里高利式或卡塞格伦式、多反射面。
本发明的技术原理如下：
本发明的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，包括紧缩场反射面、馈源、馈源偏焦控制***和等效的电磁环境静区。通过馈源偏焦控制***使得馈源位置一定范围内灵活可调，馈源横向偏焦和纵向偏焦均可引起波束发生线性偏转，进而紧缩场综合出的平面波束辐射方向可控，紧缩场等效的电磁环境静区位置可控。
馈源阵列(在焦或偏焦)照射反射面，通过给馈源阵列各天线单元独立赋合适的幅度和相位权值，可在紧缩场静区(在轴或离轴)内综合出高质量的平面波前，高质量标准为：静区幅度峰峰值小于0.5dB，相位峰峰值小于3.6度，如图1所示。
为了控制反射面边缘绕射的影响，提升静区等幅等相的平面波场性能，反射面边缘通常锯齿状或卷曲处理。为了避免馈源遮挡，紧缩场***通常采用偏馈结构，单反射面为旋转抛物面的一部分，并且采用虚顶点技术。
其中，平面波前综合所依赖的馈源阵列的实现，不局限于相控阵天线，包括反射阵、透射阵等。
其中，平面波前综合所依赖的紧缩场工作原理，不局限于反射面***的方案类型，包括单反射面、双柱面、格里高利式或卡塞格伦式、多反射面等。
其中，紧缩场装置的反射面口面设计，不局限于反射面某特定的边缘形式，包括锯齿或卷曲处理。
其中，模拟实现的平面波前的工作频段，不局限于特定要求。最高频率依据根据反射器型面精度、静区场相位残差容许来确定，经天线单元幅相独立可加权的馈源阵列激励后的平面波相位峰峰值至少可控制在10度以内。最低频率需至少满足反射器口径电尺寸大于10～17倍波长。
其中，平面波前综合所依赖的馈源阵调控***，不局限于特定实现方式，包括手动控制或电动控制实现。
其中，紧缩场综合出的平面波波束辐射方向可以在一定范围内进行调整，调整范围依赖于静区误差容许。
其中，综合平面波前的紧缩天线测试场的布置不限于室内或室外，为了将背景电磁环境处于可控试验条件下，建议模拟器设置于微波暗室内。
紧缩场平面波波束辐射方向角度偏移量与馈源偏焦量关系如下式所示：
Figure BDA0003049090580000031
Figure BDA0003049090580000032
其中：Δθ为紧缩场平面波波束辐射方向角度偏移量，H为反射面等效口径面几何中心或***轴的高度，F为反射面焦距，Δx为馈源横向偏焦量，其远离反射面虚顶点为正，靠近反射面虚顶点为负，Δy为馈源纵向偏焦量，其远离***轴为正，靠近***轴为负，θ2为馈源在焦时入射波束与反射波束间的夹角，θ1为馈源在焦时入射波束或反射波束与反射面中点法线的夹角。
需要指出的是，式(1)约束关系为几何光学意义上的近轴近似表达。当在边缘绕射严重的低频段(如口径小于30倍波长)和偏焦量较大(如)时，并不满足光学射线理论和近轴近似的成立条件，需采用更为精密的方法来精确计算和评估，如物理光学或矩量法等计算电磁学算法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)该阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置可以通过馈源偏焦控制***实现馈源在一定范围内的灵活位移，便于紧缩场***焦点附近设施布置的综合考量。
(2)该阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置可以通过调整馈源的偏焦量来控制平面波波束的指向，进而控制紧缩场等效电磁环境静区的位置，便于天线测量或雷达电磁散射测试以及在轴静区附近的设备布置。
(3)该阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置可以通过给馈源(在焦或偏焦)阵列各天线单元独立赋合适的幅度和相位权值降低平面波静区场的幅度和相位不平度，在紧缩场静区(在轴或离轴)内补偿出更高质量(高质量指标：静区幅度峰峰值小于0.5dB，相位峰峰值小于3.6度)的平面波前。所述合适的幅相权值可通过几何光程补偿法、反推法等方式进行幅度和相位加权得到，其可以补偿因波程差导致的幅度和相位不平度。
(4)该阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置可工作于更为可控的自然环境或电磁环境内，有利于改善电磁模拟调试的试验条件，降低试验成本，提高试验效率。优于受自然气候影响较大的外场。
(5)该阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置可工作于较宽的无线电频段内，能用于常用的微波和毫米波波段。如2m级的紧缩场反射面，1m级的静区能覆盖S(2～4GHz)、C(4～8GHz)、X(8～12GHz)、Ku(12～18GHz)、K(28～27GHz)、Ka(27～40GHz)、U(40～60GHz)、V(60～80GHz)波段和W(75～110GHz)波段。
附图说明
图1是本发明的***工作原理示意图，其中，1为紧缩场反射面，2为馈源阵列，3为静区偏移范围，4为在轴等效电磁环境静区，5为离轴等效电磁环境静区，6为平面波静区场，7为馈源阵列几何中心，8为紧缩场反射面焦点，9为紧缩场反射面的虚顶点，10为紧缩场反射面中点，11为紧缩场***轴，12为电磁波波束，13为紧缩场反射面中点的法线。
图2是应用本发明提出的阵列补偿馈电的离轴静区紧缩场装置在等效电磁环境静区某一截面的平面波相位分布图。
图3是单馈源(波纹喇叭)馈电的多静区紧缩场装置在与图2同一截面的平面波相位分布图，其中，除激励源与图2中仿真***不一样外，***其余参数如紧缩场反射面尺寸、工作频率等均相同。
图4是截取图2、图3截面上的纵截线的波前波程与期望的波前波程对比图，以及这两截线的波程分别与期望波程的波程作差比波长值的对比图。
图5是截取图2、图3截面上的横截线的波前波程与期望的波前波程对比图，以及这两截线的波程分别与期望波程的波程差比波长值的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，1为紧缩场反射面，当馈源阵列2工作于反射面焦点时，平面波静区4在轴，平面波波束12与***轴平行指向在轴静区4。当馈源阵列2偏焦照射反射面1时，平面波静区5离轴，平面波波束12发生Δθ度的角度偏移，角度偏移量Δθ由式(1)确定，平面波静区由在轴静区4偏移到离轴静区5。在轴静区4或离轴静区5的平面波场6由馈源阵列2辐射和紧缩场反射面1反射形成，通过对馈源阵列2的各天线单元进行幅相加权补偿，合适的幅相权值可通过几何光程补偿法、反推法等方式进行幅度和相位加权，可降低平面波场6的幅度和相位不平度，进而在静区4或5综合出高质量的平面波前。
紧缩场反射面是将经边缘处理设计的反射面采用机械加工的方法制造。反射面包括工作面和安装背架，前者用于变换馈源发出的波前到所期望的波前，后者起机械支撑和定位作用。此外，反射面的型面精度和与馈源控制定位需使用调整和定位机构来保证。
***偏馈设计目的是避免馈源***对反射面的遮挡，而偏馈必将引起馈源至口面底端和顶端波程的路径衰减不一致，可通过调整馈源照射角来用方向特性补偿空间路径不平衡。所以，馈源偏焦控制***需具有绕馈点(在焦或偏焦)调整照射角的功能。***偏焦馈电目的是调整平面波波束指向。所以，紧缩场的馈源支架还需具有轴向和横向平移功能。
反射面实体的功能是将馈源发射波校正为所期望的近场波前，反射面边缘处理是用以形成口径幅度锥削来抑制边缘绕射对静区的影响。
本发明优选实例：
如图1所示的阵列馈电的离轴静区紧缩场装置反射面与场分布示意，***坐标原点位于紧缩场反射面虚顶点9处，坐标系设置如图1所示。工作频率1.2GHz，紧缩场反射面尺寸：20m×16m，焦距21m，反射面为截取抛物面顶点为(0，0，0)的无限大抛物面的一部分，模拟等效电磁环境的静区距离反射面顶点62.7m。偏焦馈源阵尺寸：各激励源间隔近似半个波长，其在法线为竖直轴的平面上的投影为以(3.69m,0m,21.32m)几何中心点的1m×1m的平面馈源阵，等效实现斜入射平面波前，仿真结果如图2所示。
同样***参数布局的情况下，单馈源馈电的多静区紧缩场装置在该截面上的相位分布仿真结果如图3所示。如图4、图5所示，分别截取图2和图3中的纵截线和横截线与期望的平面波前进行对比，阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置的波程分布(相位分布)与期望值更吻合，误差更小，且阵列补偿馈电的多静区紧缩场装置所实现的平面波前的相位峰峰值小于3.6度，能满足平面波前静区电磁环境应用需求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：该装置包括紧缩场反射面、馈源、馈源偏焦控制***，还设置有等效的电磁环境静区，其中，
所述的紧缩场反射面为一抛物面，中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘经过锯齿或卷曲处理，用于将激励源发出的电磁波反射后紧缩地在指定区域形成所需的平面波波前；
所述的馈源，是一馈电单元幅相单独可控的馈源阵列，通过给馈源阵列各单元独立赋预定的幅度和相位权值，在静区综合出高质量的平面波前；
所述的馈源偏焦控制***，是通过机械电子设备调整馈源的位置，使得馈源偏焦，进而实现电磁波束辐射方向的调整，控制静区位置；
所述的等效电磁环境静区，是由在焦或偏焦的馈源阵照射反射面后二次辐射形成的平面波电磁场区域，其包括在轴和离轴的所有情况，用于天线测量、雷达隐身测试。
2.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：馈电方式为馈源阵列馈电，通过给馈源阵列各天线单元独立赋合适的幅度和相位权值，可在紧缩场静区内综合出高质量的平面波前所述合适的幅度和相位权值是指能够补偿因馈源偏焦而引起的波程差的权值。
3.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：利用紧缩场偏焦控制***调控馈源阵列位置，包括在焦和偏焦，改变紧缩场主波束的辐射方向，进而在一定范围内控制平面波静区场的位置。
4.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：等效的电磁环境静区位置由馈源位置间接可控，包括在轴和离轴，即静区几何中心位于或偏离过紧缩场反射面等效口径几何中心的口径法线上的口径法线上所有情况。
5.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：所述的等效的电磁环境静区能应用于无线电***的发射链路测试、接收链路测试和收发链路测试。
6.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：
所述平面波前综合所依赖的馈源阵列的实现，包括相控阵天线、反射阵天线、透射阵天线。
7.如权利要求1所述的一种阵列馈电的离轴静区紧缩场装置，其特征在于：
所述平面波前综合所依赖的紧缩场反射面，包括单反射面、双柱面、格里高利式或卡塞格伦式、多反射面。
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