CN113782981A - 一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，包括设于暗室内的馈源阵列单元、馈电网络单元、分布式龙伯透镜阵列单元、矢量网络分析仪及阵列天线支架，所述馈源阵列单元固定安装于阵列天线支架，所述分布式龙伯透镜阵列单元包括X个龙伯透镜，所述X个龙伯透镜与X个天线单元一一对应，所述馈电网络单元采用幅相模拟器。本发明利用龙伯透镜来产生平面波，相比传统的远场测试节约了空间，适合于宽频带的测试，有利于扩展生成平面波的面积，组建阵列灵活性高。龙伯透镜使用发泡工艺制作，重量更轻，且多个龙伯透镜可分别操作，更加灵活便捷。采用幅相模拟器，方便快捷的实现了馈电调节，有利于产生更稳定的辐射源，进行平面波变换。

Description

一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器
技术领域
本发明涉及微波暗室测量技术领域，尤其涉及一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器。
背景技术
在天线***测试过程中，为了满足辐射到接收天线上的电磁能量具有一致性，到达接收天线处的电磁波最好具备平面波特性，即满足远场条件。一般天线满足远场条件的距离为6～10λ，意味着对于低频天线的测试，需要非常大的测试空间。为了用尽可能小的距离满足测试远场条件，需要依靠紧缩场技术加以实现，其具有全天候、保密性好、背景电平低和工作频带宽等优势，但是现有的紧缩场技术存在尺寸较大，形成的平面波面积较小，工作带宽窄，精度要求高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，以便至少部分解决上述技术问题，该目的是通过以下技术方案实现。
本发明提供了一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，包括设于暗室内的馈源阵列单元、馈电网络单元、分布式龙伯透镜阵列单元、矢量网络分析仪及阵列天线支架，所述馈源阵列单元固定安装于阵列天线支架，所述所述馈源阵列单元包括X个天线单元，所述分布式龙伯透镜阵列单元包括X个龙伯透镜，所述X个龙伯透镜与X个天线单元一一对应，所述矢量网络分析仪将射频信号输入至所述馈电网络单元，所述馈电网络输出X路电磁波信号分别传输至馈源阵列单元的各个天线单元，所述各个天线单元依据电磁波信号产生球面电磁波并将球面电磁波发射到对应的龙伯透镜，利用所述龙伯透镜将所述球面电磁波汇聚为平面波，其中X为大于零的整数。
优选的，所述馈电网络单元采用幅相模拟器，所述幅相模拟器包括一个功率分配器、X个衰减器、X个移相器及X个输出端口，所述射频信号通过所述功率分配器分成X路电磁波信号，每一路电磁波信号均依次通过一个衰减器及一个移相器，输出到相应的天线单元。
优选的，所述幅相模拟器各输出端口输出的电磁波信号幅度、相位一致。
优选的，所述馈源阵列单元为波纹喇叭馈源阵列，所述波纹喇叭馈源阵列包括X个波纹喇叭，其中X为大于零的整数。
优选的，所述波纹喇叭的内壁面开设有垂直于内壁的纵向槽或斜槽。
优选的，还包括功率放大器，所述功率放大器的输入端与所述矢量网络分析仪连接，所述功率放大器的输出端与馈电网络单元连接。
优选的，所述龙伯透镜采用发泡工艺制得。
优选的，所述龙伯透镜的层数为5-15层。
优选的，所述龙伯透镜为圆球体或椭圆球体。
优选的，所述馈源阵列单元为4×8的天线阵列，X＝32；或所述馈源阵列单元为4×4的天线阵列，X＝16；或所述馈源阵列单元为4×6的天线阵列，X＝24；或所述馈源阵列单元为6×6的天线阵列，X＝36。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，利用幅相模拟器，方便快捷的实现了对馈源天线的馈电调节，有利于产生更稳定的辐射源，从而进行平面波变换。
本发明利用龙伯透镜来产生平面波，相比于传统的远场测试节约了空间，使得测试可以在室内进行，同时龙伯透镜的工作带宽较宽，适合于宽频带的测试。采用龙伯透镜阵列有利于扩展生成平面波的面积，理论上通过计算生成平面波的面积可以无限大，测试过程中可根据需求组建阵列，灵活性高。龙伯透镜使用发泡工艺制作，重量更轻，且多个龙伯透镜可分别操作，更加灵活便捷。
本发明使用波纹喇叭阵列作为馈源阵列，相比与传统的标准喇叭，产生的球面电磁波具有相位中心稳定度高、辐射方向图轴对称、低交叉极化比等优点，产生的平面波也更加稳定。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为现有技术中一种紧缩场天线测量***的结构示意图；
图2为本发明实施例中应用于紧缩场天线测量中的结构示意图；
图3为本发明实施例中波纹喇叭天线单元及龙伯透镜单元之间电磁波传导结构示意图；
图4为本发明实施例中基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器的整体结构示意图；
图5为一个矩形平面馈源阵列矢量示意图。
附图标记说明：暗室1，馈源阵列单元2，龙伯透镜阵列单元3，馈电网络单元4，阵列天线支架5，待测件6，待测件转台7，龙伯透镜8，波纹喇叭9，平面波10。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，用于解决现有技术中单馈源组成的紧缩场测试***形成的平面波面积较小、反射面的精度要求高、制造难度大及制造成本高；反射面紧缩场的工作带宽窄等的技术问题。
本发明提供的技术方案总体思路如下：
一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，包括设于暗室内的馈源阵列单元、馈电网络单元、分布式龙伯透镜阵列单元、矢量网络分析仪及阵列天线支架，所述馈源阵列单元固定安装于阵列天线支架，所述所述馈源阵列单元包括X个天线单元，所述分布式龙伯透镜阵列单元包括X个龙伯透镜，所述X个龙伯透镜与X个天线单元一一对应，所述矢量网络分析仪将射频信号输入至所述馈电网络单元，所述馈电网络输出X路电磁波信号分别传输至馈源阵列单元的各个天线单元，所述各个天线单元依据电磁波信号产生球面电磁波并将球面电磁波发射到对应的龙伯透镜，利用所述龙伯透镜将所述球面电磁波汇聚为平面波。利用龙伯透镜来产生平面波，相比于传统的远场测试节约了空间，使得测试可以在室内进行，同时龙伯透镜的工作带宽较宽，适合于宽频带的测试。采用龙伯透镜阵列有利于扩展生成平面波的面积，理论上通过计算生成平面波的面积可以无限大，测试过程中可根据需求组建阵列，灵活性高。
所述馈电网络单元采用幅相模拟器，所述幅相模拟器包括一个功率分配器、X个衰减器、X个移相器及X个输出端口，所述射频信号通过所述功率分配器分成X路电磁波信号，每一路电磁波信号均依次通过一个衰减器及一个移相器，输出到相应的天线单元，其中X为大于零的整数。利用幅相模拟器，方便快捷的实现了对馈源天线的馈电调节，有利于产生更稳定的辐射源，从而进行平面波变换。
所述馈源阵列单元为波纹喇叭馈源阵列，产生的球面电磁波具有相位中心稳定度高、辐射方向图轴对称、低交叉极化比等优点，产生的平面波也更加稳定。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为现有技术中一种紧缩场天线测量***的结构示意图，紧缩场天线测量***包括微波暗室11、设置于所述微波暗室11内的馈源13、天线测试转台17及平面波生成单元15，其中所述平面波生成单元15由超材料制成，所述馈源13产生的电磁波经所述平面生成单元15折射后，在天线测试转台17上提供一个性能优良的准平面波测试区以用于测试待测设备19。所述平面波生成单元15是由多片超材料层叠加而成。该专利中由单馈源组成的紧缩场测试***形成的平面波面积较小；用超材料制成的平面波生成单元需设计多层超材料表面的几何形状或填充结构，流程较为复杂。
图2为本发明实施例中应用于紧缩场天线测量中的结构示意图。本发明实施例提供了一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，请参考图3，包括设于暗室1内的馈源阵列单元2、馈电网络单元4、分布式龙伯透镜阵列单元3、矢量网络分析仪及阵列天线支架5，所述馈源阵列单元2固定安装于阵列天线支架5，所述馈源阵列单元2包括X个天线单元，所述分布式龙伯透镜阵列单元3包括X个龙伯透镜8，所述X个龙伯透镜8与X个天线单元一一对应，且每个龙伯透镜8均设置在对应的天线单元的轴向前端，所述矢量网络分析仪将射频信号输入至所述馈电网络单元4，所述馈电网络单元4输出X路电磁波信号分别传输至馈源阵列单元2的各个天线单元。天线单元的各个天线单元依据电磁波信号产生球面电磁波并将球面电磁波发射到对应的龙伯透镜，利用所述龙伯透镜将所述球面电磁波汇聚为平面波10，上述平面波用于远场的测试，上述技术方案相比于传统的远场测试节约了空间，使得测试可以在室内进行，同时龙伯透镜的工作带宽较宽，适合于宽频带的测试。采用分布式龙伯透镜阵列有利于扩展生成平面波的面积，理论上通过计算生成平面波的面积可以无限大，测试过程中可根据需求组建阵列，灵活性高。
进一步的，所述馈源阵列单元2为波纹喇叭馈源阵列，所述波纹喇叭馈源阵列包括X个波纹喇叭，其中X为大于零的整数。参考附图3，波纹喇叭9的为中心轴对称的类锥状形状，每个波纹喇叭9与一个龙伯透镜8相对应，二者中心轴贯穿一致。所述波纹喇叭9的内壁面开设有垂直于内壁的纵向槽或斜槽，使得电磁和磁场具有相同的边界条件，获得了轴对称的幅度及相位方向图，同时还具有高增益、低副瓣、交叉极化低、相位中心稳定度高等优点。由于透镜作平面波形成器的特殊要求，波纹喇叭相位中心稳定度高的优势使得它非常适合作为该***的馈源。
龙伯透镜8是具有多层结构的电磁波折射器件，由波纹喇叭9辐射的球面电磁波信号通过龙伯透镜8后可以汇聚成平面波的形状。龙伯透镜天线是由多层介电常数不同的材料制成的洋葱状结构，其介电常数变化曲线是离散的，层数越多越接近理想曲线，然而层数过多会增加层间的空气，影响透镜的性能，增大制造难度和成本，通常球体的层数都控制在10层左右。根据实际需求，本申请实施例中的龙伯透镜8可采用5-15层结构。所述龙伯透镜8采用发泡工艺制成，由多层介电常数不同的球壳和一个球核组成，通常采用聚苯乙烯或聚四氯乙烯。也可采用熔融沉积型3D打印工艺制成，具有操作简单，安全环保，成本低廉的优势，通常采用BaTiO3/PLA复合材料。
图4为本发明实施例中基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器的整体结构示意图。由图4可知，本申请所述平面波生成器采用幅相模拟器作为馈电网络单元4，所述幅相模拟器包括一个功率分配器、X个衰减器、X个移相器及X个输出端口，所述射频信号通过所述功率分配器分成X路电磁波信号，每一路电磁波信号均依次通过一个衰减器及一个移相器，输出到相应的天线单元，其中X为大于零的整数。幅相模拟器通过矢量网络分析仪输入信号，在输出端分为X路电磁波信号分别给馈源馈电，通过自带的软件来控制X路输出端口的相位及幅度。利用幅相模拟器，方便快捷的实现了对馈源天线的馈电调节，有利于产生更稳定的辐射源，从而进行平面波变换。
X路电磁波信号通过分布式龙伯透镜阵列单元后汇聚成平面波的形状，通过使用分布式的龙伯透镜阵列，把每个小透镜形成的平面波累加，大大增加了产生的平面波的面积。待测物接收平面波后，经过低噪声放大器输入到矢量网络分析仪进行数据分析。
由于幅相模拟器有***损耗，可在幅相模拟器输入端口前增加一个的功率放大器。优选32路幅相模拟器，则该幅相模拟器有大约30dB的***损耗，功率放大器的增益为25dB左右。在测试过程中，首先需要校准幅相模拟器，使得各端口的输出幅度、相位一致。
图5为一个矩形平面馈源阵列的矢量示意图，天线单元位于xoy平面内，行、列的单元个数分别为M、N，单元总数为M×N；行、列间距分别为dx、dy；每个单元在阵列中的序号为(m，n)(m＝l，2，…，M；n＝l，2，…，N)，单元上的激励电流为Imn；坐标原点位于单元(1，1)处。则阵因子为：
Figure BDA0003209793540000081
若所有平行于x轴的列具有相同的电流分布Ixm，所有行也具有相同的电流分布Iyn，则电流是可分离的(即Imn＝IxmIyn)则式(1)分离为：
Figure BDA0003209793540000082
优选的，所述馈源阵列单元可为4×8的天线阵列，或所述馈源阵列单元为4×4的天线阵列，或所述馈源阵列单元为4×6的天线阵列，或所述馈源阵列单元为6×6的天线阵列。天线阵元的间距与具体的频率及喇叭尺寸有关，通过计算可以给出。
具体的，通过上述平面波生成器进行远场测试，可以采用以下步骤实现：
S1：将待测件6放置在待测件转台7上；
S2：矢量网络分析仪将射频信号输入至所述馈电网络单元4；
S3：所述馈电网络单元4输出X路电磁波信号10分别传输至馈源阵列单元2的各个天线单元；
S4：天线单元依据电磁波信号10产生球面电磁波并将球面电磁波发射到龙伯透镜:；
S5：利用龙伯透镜的折射来产生平面电磁波；
S6：利用平面电磁波对待测件6进行远场测试。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，利用幅相模拟器，方便快捷的实现了对馈源天线的馈电调节，有利于产生更稳定的辐射源，从而进行平面波变换。
本发明利用龙伯透镜来产生平面波，相比于传统的远场测试节约了空间，使得测试可以在室内进行，同时龙伯透镜的工作带宽较宽，适合于宽频带的测试。采用龙伯透镜阵列有利于扩展生成平面波的面积，理论上通过计算生成平面波的面积可以无限大，测试过程中可根据需求组建阵列，灵活性高。龙伯透镜使用发泡工艺制作，重量更轻，且多个龙伯透镜可分别操作，更加灵活便捷。
本发明使用波纹喇叭阵列作为馈源阵列，相比与传统的标准喇叭，产生的球面电磁波具有相位中心稳定度高、辐射方向图轴对称、低交叉极化比等优点，产生的平面波也更加稳定。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，包括设于暗室内的馈源阵列单元、馈电网络单元、分布式龙伯透镜阵列单元、矢量网络分析仪及阵列天线支架，所述馈源阵列单元固定安装于阵列天线支架，所述所述馈源阵列单元包括X个天线单元，所述分布式龙伯透镜阵列单元包括X个龙伯透镜，所述X个龙伯透镜与X个天线单元一一对应，所述矢量网络分析仪将射频信号输入至所述馈电网络单元，所述馈电网络输出X路电磁波信号分别传输至馈源阵列单元的各个天线单元，所述各个天线单元依据电磁波信号产生球面电磁波并将所述球面电磁波发射到对应的龙伯透镜，利用所述龙伯透镜将所述球面电磁波汇聚为平面波，其中X为大于零的整数。
2.如权利要求1所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述馈电网络单元采用幅相模拟器，所述幅相模拟器包括一个功率分配器、X个衰减器、X个移相器及X个输出端口，所述射频信号通过所述功率分配器分成X路电磁波信号，每一路电磁波信号均依次通过一个衰减器及一个移相器，输出到相应的天线单元。
3.如权利要求2所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述幅相模拟器各输出端口输出的电磁波信号幅度、相位一致。
4.如权利要求3所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述馈源阵列单元为波纹喇叭馈源阵列，所述波纹喇叭馈源阵列包括X个波纹喇叭，其中X为大于零的整数。
5.如权利要求4所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述波纹喇叭的内壁面开设有垂直于内壁的纵向槽或斜槽。
6.如权利要求1-5之一所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，还包括功率放大器，所述功率放大器的输入端与所述矢量网络分析仪连接，所述功率放大器的输出端与馈电网络单元连接。
7.如权利要求6所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述龙伯透镜采用发泡工艺制得。
8.如权利要求7所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述龙伯透镜的层数为2-9层。
9.如权利要求8所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述龙伯透镜为圆球体或椭圆球体。
10.如权利要求9所述的基于龙伯透镜的紧缩场分布式平面波生成器，其特征在于，所述馈源阵列单元为4×8的天线阵列，X＝32；或所述馈源阵列单元为4×4的天线阵列，X＝16；或所述馈源阵列单元为4×6的天线阵列，X＝24；或所述馈源阵列单元为6×6的天线阵列，X＝36。
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