基于反向四脊结构的低散射宽带双极化探头天线的制作方法

本申请涉及一种微波暗室（microwaveanechoicchamber）测量领域中的探头天线（probeantenna），特别是涉及一种用于天线平面近场测量的探头天线。

背景技术：

天线测量技术分为远场（farfield）测量、近场（nearfield）测量和紧缩场（compactantennatestrange）测量。其中，近场测量是用一个特性已知的探头，测出待测天线在近场上的辐射数据，再通过近远场变换获得待测天线的远场辐射特性。因其占地空间小、测试精度高、成本低而受到广泛关注。

开口波导天线（waveguideantenna）因其辐射方向图主瓣宽且结构规则、易于加工，常用作探头天线。天线平面近场测量常用的矩形开口波导天线，其具有辐射方向图主瓣宽且结构简单、交叉极化辨识度高的优点；不足之处则是带宽过窄导致测量宽带天线时频繁更换探头，单极化特性不利于测量双极化天线，带内增益起伏过高影响测量精度。圆形开口波导天线横截面为圆形，支持双极化输出。

探头相对方向图、探头极化比率、探头与待测天线的多次反射、探头位置误差等因素与最终的天线测量质量密切相关。测量双极化天线时，相比单极化探头，双极化的探头可以避免旋转操作，消除了为满足不同极化要求移动或改变天线位置所带来的误差。影响双极化探头的主要因素包括工作带宽、交叉极化辨识度、端口隔离度、辐射方向图的半空间全向性等。

2017年10月在2017antennameasurementtechniquesassociationsymposium(amta)会议上由a.giacomini等人发表的《highperformancedualpolarizednear-fieldprobeatv-bandprovidesincreasedperformancesformillimeterwavesphericalnear-fieldmeasurements》文章中，公开一种用于近场测量的高性能双极化探头天线，探头采用多层波纹孔径的开口圆波导形式，通过正交模耦合器实现双极化输出，可以工作于50至75ghz。其带宽与标准圆波导相同，带内驻波比小于2，交叉极化辨识度和端口隔离度都大于40db。作为双极化探头，其具有较高的交叉极化辨识度和端口隔离度，但是其口径尺寸与标准圆波导相近，带宽过窄，带内驻波比最大值偏高，容易在测量中引入更多误差。因此在带宽、带内匹配及口径尺寸等方面还存在提高空间。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是克服上述现有技术中的不足，提供一种基于反向四脊结构的低散射宽带双极化探头天线，旨在提升带宽，保证高隔离度和高交叉极化辨识度的同时，提升天线的带内增益稳定性和更低的散射。

为解决上述技术问题，本申请提出的基于反向四脊结构的低散射宽带双极化探头天线包括圆开口波导、轴向波纹、反向四脊结构、底部支撑块和馈电同轴线。所述圆开口波导整体呈圆柱状，其第一端封闭，第二端具有开口；圆开口波导的侧壁靠近第一端的位置呈中心对称地开设有四个通孔。所述轴向波纹整体呈圆筒状，其第一端具有圆形的第一开口，其第二端具有圆形的第二开口，且第一开口的直径小于第二开口的直径；轴向波纹第一端的第一开口与圆开口波导的外壁相连。所述反向四脊结构包括四个脊板，相对的两个脊板在一个平面上；相邻脊板之间为垂直关系，整个反向四脊结构呈十字结构；每个脊板的外侧包括曲线变化段和阻抗调节段；曲线变化段的外脊线为三阶贝塞尔函数；阻抗调节段的外脊线为直线。所述底部支撑块由四个梯形块组成十字结构，反向四脊结构通过底部支撑块与圆开口波导第一端相接。所述馈电同轴线有四根，两根为一组，同组馈电同轴线的输入相位相差180°；馈电同轴线通过圆开口波导侧壁上的通孔与反向四脊结构进行电学连接。

上述探头天线在圆开口波导天线的基础上集成了反向四脊结构、轴向波纹和差分馈电，提升了圆开口波导天线的带宽，同时具有高交叉极化辨识度和高端口隔离度、带内平缓的增益变化，其渐变的反向四脊结构外脊线和小口径尺寸实现了更低的散射效应。其中，反向四脊结构可以降低波导的主模截止频率，因此相同尺寸下的脊波导的工作带宽更长。反向四脊结构的阻抗调节段与曲线变化段的组合可以实现更好的匹配效果。脊波导天线的等效阻抗更低，更易与阻抗较低的同轴线匹配连接。阻抗变换段即直脊段是为了实现同轴线与曲线变化段更好的过渡，曲线变化段采用三阶贝塞尔函数，脊曲线由两点分割成三段可调节的曲线，其优势相比传统渐变曲线可针对性地调整单一段曲线弧度，重点在距波导口最近的顶端弧线越平滑，口面处的反射越小，其阻抗匹配效果越好。应用差分馈电，四个脊板对应四个馈电点，一对馈电同轴线上的电流等幅反相，它们的辐射泄露和耦合相互抵消，抑制了高次模的产生，从而提高了交叉极化辨识度和端口隔离度。轴向波纹结构增大了低频的有效辐射口面，提高了低频的辐射增益。天线的电尺寸指探头天线的辐射口面处的最大外直径与最低频率对应截止波长的比值，上述探头天线为小口径尺寸即指小的口径电尺寸。对于探头天线来说，口径尺寸越小，工作时与待测天线之间辐射的相互耦合越小。同时渐变的脊结构外脊线相对光滑，能减少口面处对入射波的反射，实现低散射。

进一步地，轴向波纹与圆开口波导的连接位置到圆开口波导第一端的距离大于该连接位置到圆开口波导第二端的距离；该连接位置到轴向波纹第二端的距离小于该连接位置到圆开口波导第二端的距离。前者表明轴向波纹装配到圆开口波导之后，距离圆开口波导的第一端较远，而距离圆开口波导的第二端较近。后者表明轴向波纹装配到圆开口波导之后，轴向波纹的第二端不会凸出在圆开口波导的第二端之外，这是为了控制轴向波纹带来的低频增益提高效果，将增益提高在所需指标处。

进一步地，每个脊板的厚度由外到内递减。每个脊板的最外侧厚度最大，最内侧厚度最小。这能够提高天线的带内匹配效果。

进一步地，曲线变化段的外脊线在yoz面的函数表达式如下。

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其中，参数t的取值范围是0<t<1；曲线变化段的外脊线起点为a点，坐标为（z1，y1）；外脊线终点为d点，坐标为（z4，y4）；在外脊线上任取两点b和c，b点坐标为（z2，y2），c点坐标为（z3，y3），通过调节b点和c点的位置参数来调节外脊线曲线的弧度。这表明曲线变化段的外脊线可在一定范围内调节，有利于提供更为宽广的应用前景。

进一步地，通过调整曲线变化段的外脊线弧度和阻抗调节段的长度来优化阻抗匹配。通过调节b点和c点的位置参数来调节外脊线曲线的弧度，距波导口面最近的cd段的弧线越平滑，口面处的反射越小，匹配效果也更好，改变脊板与开口波导外壁的间距，以及阻抗调节段的长度，从而调节脊波导的特性阻抗使其更接近50欧姆的同轴输入阻抗。

进一步地，每个梯形块的最外侧厚度大于最内侧厚度。这是为保证梯形块与所连接脊板的宽度及渐变幅度保持一致，避免因不规则的结构引起腔体内的反射产生不良影响。

进一步地，其特征是，反向四脊结构的中心与底部支撑块的中心对齐，底部支撑块的每个梯形块的厚度与其所连接的反向四脊结构的脊板厚度保持一致。这是为保证结构对称、宽度一致，避免因不规则的结构产生不良影响。

进一步地，底部支撑块与圆开口波导的外壁和第一端的底板形成背腔。背腔结构可以减少后向辐射对前向辐射的干扰，有利于改善高频驻波比。

进一步地，各馈电同轴线的一端屏蔽层与圆开口波导的侧面外壁相接，内芯穿过圆开口波导外壁上的通孔分别与一个脊板的阻抗调节段相连。同轴线的屏蔽层接圆开口波导外壁等于接地，内芯接入脊板的阻抗调节段进行馈电。

进一步地，所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆。50欧姆为常见同轴线的特性阻抗，也就是输入端口阻抗。本申请也可以选用不同特性阻抗的同轴线，可以通过调节天线的结构使天线的特性阻抗和输入端口进行阻抗匹配。

本申请取得的技术效果体现在如下几个方面。

第一，在圆开口波导内固定反向四脊结构，反向四脊结构采用从输入端（阻抗调节段）到输出端（曲线变化段）渐变的外脊曲线，通过调整阻抗调节段的尺寸和外脊曲线的参数改变脊开口波导天线的特性阻抗，实现对开口波导天线与馈电同轴线输入端口阻抗的阻抗匹配。

第二，反向四脊结构的厚度也采取渐变处理，可以改变脊波导的特性阻抗，用于提升带内匹配特性。

第三，反向四脊结构的输入端使用差分馈电，四个馈电点分布在四个脊板的末端，相对的一组同轴线的电流等幅反相，它们的辐射泄露和耦合相互抵消，抑制了高次模的产生；在一对馈电点工作时，与该馈电点方向正交的那对脊对天线性能的影响很小，所以天线同时具有高交叉极化辨识度和高端口隔离度。

第四，一层轴向波纹相当于增加了圆开口波导低频的有效辐射口面，可以提升低频增益，实现频段内增益平缓变化。

第五，圆开口波导的开口处的反向四脊结构截面很小，外脊线相对平滑，波导口径尺寸较小，这些都可以减小探头天线对接收到的入射波的多次反射，本身具有更低的散射效应。

仿真实验表明，本申请提供的探头天线在6ghz至12ghz的带内驻波比小于1.6，增益在7-9dbi之间，口径尺寸小于0.6倍的最低频率对应截止波长。

附图说明

图1是本申请提供的基于反向四脊结构的低散射宽带双极化探头天线的整体结构示意图。

图2a是图1中的圆开口波导的单独结构示意图。

图2b是图1中的轴向波纹的单独结构示意图。

图2c是图1中的反向四脊结构的单独结构示意图。

图2d是图1中的底部支撑块的单独结构示意图。

图3是图1中a-a径向剖面的结构示意图。

图4是图1中b-b轴向剖面的结构示意图。

图5是图1中的反向四脊结构的yoz平面视图。

图6是图1所示探头天线的驻波比参数曲线仿真结果示意图。

图7是图1所示探头天线的x极化激励时增益随频率变化的曲线仿真结果示意图。

图8是图1所示探头天线的x极化激励时的交叉极化辨识度随频率变化曲线的仿真结果示意图。

图9是图1所示探头天线的输入端口隔离度随频率变化曲线的仿真结果示意图。

图中附图标记说明：1为圆开口波导；11为圆开口波导的第一端；12为圆开口波导的第二端；13为通孔；2为轴向波纹；21为轴向波纹的第一端；22为轴向波纹的第二端；3为反向四脊结构；31为脊板一；32为脊板二；33为脊板三；34为脊板四；310为曲线变化段；320为阻抗调节段；4为底部支撑块；5为馈电同轴线。

具体实施方式

请参阅图1至图5，本申请提供的基于反向四脊结构的低散射宽带双极化探头天线包括圆开口波导1、轴向波纹2、反向四脊结构3、底部支撑块4和馈电同轴线5。

所述圆开口波导1整体呈圆形波导结构，其第一端11的底面封闭，其第二端12没有底面而具有开口。圆开口波导1的侧壁靠近第一端11的位置呈中心对称地开设有四个通孔13，四根馈电同轴线5分别通过这四个通孔13与反向四脊结构3的四个脊板进行电学连接。优选地，圆开口波导1的腔体长度为100mm，腔体横截面的直径为11mm，侧壁厚度为1mm，通孔13为圆形，通孔13的中心与第一端11的底部的距离为8mm，圆形通孔13的直径为1.4mm。

所述轴向波纹2整体呈圆筒状，其第一端21具有圆形的第一开口，其第二端22具有圆形的第二开口，且第一开口的直径小于第二开口的直径。装配后，轴向波纹2套在圆开口波导1的外侧，且靠近圆开口波导1的第二端12而远离圆开口波导1的第一端11。轴向波纹2的第一端21的第一开口与圆开口波导1的外壁相连。该连接位置到轴向波纹2的第二端22的距离（即轴向波纹2的长度）小于该连接位置到圆开口波导1的第二端12的距离，因此轴向波纹2的第二端22不会凸出在圆开口波导1的第二端12之外，如图4所示。优选地，轴向波纹2的整体长度为15mm，第二开口的直径以及轴向波纹2中的腔体横截面直径均为14mm，侧壁厚度为0.5mm，装配后轴向波纹2的第二端22与圆开口波导1的第二端12的距离为3mm。

所述反向四脊结构3包括四个脊板31、32、33和34。脊板一31和脊板三33在一个平面上，例如在yoz平面上。脊板二32和脊板四34在另一个平面上，例如在xoy平面上。四个脊板直角边连接形成十字渐变结构，相邻脊板之间互为垂直关系。请参阅图5，这是在yoz平面上的两个脊板。每个脊板的外侧包括曲线变化段310和阻抗调节段320，前者的外脊线轮廓为曲线，后者的外脊线轮廓为直线。优选地，每个脊板的底部长度为5mm，最外侧的厚度w1为4mm，最内侧的厚度w2为2.5mm，每个脊板的厚度由外到内递减，如图3所示。曲线变化段310的外脊线使用三阶贝塞尔函数拟合，其在yoz面的函数表达式如下。

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其中，参数t的取值范围是0<t<1。曲线变化段310的外脊线起点为a点，坐标为（z1，y1）；外脊线终点为d点，坐标为（z4，y4）。在外脊线上任取两点b和c，b点坐标为（z2，y2），c点坐标为（z3，y3），可以通过调节b点和c点的位置参数来调节外脊线曲线的弧度。优选地，（z1，y1）为（5mm，6mm），（z2，y2）为（2.7mm，82mm），（z3，y3）为（1mm，92mm），（z4，y4）为（0mm，115mm）。

优选地，阻抗调节段320的长度为7mm，通过调整曲线变化段310的外脊线曲线弧度和阻抗调节段320的长度，可以优化阻抗匹配。

所述底部支撑块4是由四个梯形块组成的十字型结构，每个梯形块的最外侧厚度大于最内侧厚度，图3中在反向四脊结构3的范围内用虚线表示出了四个梯形块的外壁范围，因此底部支撑块4完全落在反向四脊结构3的底部覆盖范围之内。反向四脊结构3的阻抗调节段320的底面通过底部支撑块4与圆开口波导1的第一端11的底板相接。并且反向四脊结构3的中心与底部支撑块4的中心对齐，底部支撑块4的每个梯形块的厚度及渐变与其所连接的反向四脊结构3的脊板厚度及渐变保持一致。装配后，反向四脊结构3的顶部凸出在圆开口波导1的第二端12之外，凸出的距离会影响改变波导的特性阻抗，改变匹配效果。优选地，底部支撑块4沿波导轴线的长度为6mm，每个梯形块的底部长度为4mm。底部支撑块4与圆开口波导1的外壁和第一端11的底板形成背腔，对高频驻波比有改善作用。

所述馈电同轴线5有四根，特性阻抗为50欧姆，两根为一组，同组馈电同轴线5的输入相位相差180°。各馈电同轴线5的一端屏蔽层与圆开口波导1的侧面外壁相接，内芯穿过圆开口波导1外壁上的通孔13分别与一个脊板的阻抗调节段320相连。

通过三维电磁场仿真软件hfss对本申请提供的探头天线进行仿真实验，得到的仿真结果如图6至图9所示。

请参阅图6，这是双极化的驻波比参数曲线。本申请的探头天线的工作频段为6ghz至12ghz，带内驻波比小于1.6，与现有的用于近场测量的高性能双极化探头天线相比具有更宽的频带宽度。

请参阅图7，这是x极化的增益随频率变化的曲线。本申请在6ghz至12ghz频段内的增益最小值为7dbi，增益最大值为8.9dbi，频带内增益随频率变化幅度更加平滑。

请参阅图8，这是x极化的交叉极化辨识度随频率变化的曲线。本申请在6ghz至12ghz频段内的交叉极化辨识度大于40db，与现有的用于近场测量的高性能双极化探头天线40db最小交叉极化辨识度相同。

请参阅图9，这是输入端口隔离度随频率变化的曲线进行。本申请在6ghz至12ghz频段内的输入端口隔离度大于44db，优于现有的用于近场测量的高性能双极化探头天线40db最小隔离度指标。

以上仿真结果说明，本申请在提高工作带宽的同时在6ghz至12ghz的工作频带内表现出了良好的带内匹配、平缓的增益起伏、高交叉极化辨识度以及高隔离度特性。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。