阅读说明：本技术 一种ska超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源及其应用 (SKA ultra-wideband refrigeration miniaturized four-ridge horn feed source and application thereof ) 是由 马月 庞峰 吴迪 冯寅初 王君 金乘进 彭勃 刘东亮 禹升华 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源,包括圆锥喇叭、四脊圆波导、直波导、喇叭外壁、脊片、第一同轴探针、第二同轴探针、短路反射腔；四脊圆波导的一端与圆锥喇叭连接,另一端与短路背腔连接；脊片为四个,呈曲线凹陷形状,分别嵌入在圆锥喇叭和四脊圆波导内部；第一同轴探针和第二同轴探针分别从一个脊片插入,穿过四脊圆波导中心后到达相对位置的脊片；第一同轴探针和第二同轴探针采用多个匹配块级联分割成五个匹配段,通过调节各段的长度和宽度降低回波损耗；喇叭外壁加载在圆锥喇叭和四脊圆波导的外侧；短路反射腔位于直波导内,包括L型匹配块和切割倒圆锥台；该馈源工作频段为2.4-24GHz,并研制出该馈源配套的制冷杜瓦。(An SKA ultra-wideband refrigeration miniaturized four-ridge horn feed source comprises a conical horn, four-ridge circular waveguides, a straight waveguide, a horn outer wall, ridge pieces, a first coaxial probe, a second coaxial probe and a short-circuit reflection cavity; one end of the four-ridge circular waveguide is connected with the conical horn, and the other end of the four-ridge circular waveguide is connected with the short circuit back cavity; the four ridge pieces are in a curve concave shape and are respectively embedded in the conical horn and the four ridge circular waveguides; the first coaxial probe and the second coaxial probe are respectively inserted from a ridge piece, penetrate through the centers of the four ridge circular waveguides and then reach the ridge piece at the opposite position; the first coaxial probe and the second coaxial probe are divided into five matching sections in a cascade mode by adopting a plurality of matching blocks, and the return loss is reduced by adjusting the length and the width of each section; the outer wall of the horn is loaded on the outer sides of the conical horn and the four-ridge circular waveguide; the short circuit reflection cavity is positioned in the straight waveguide and comprises an L-shaped matching block and a cutting inverted cone frustum; the working frequency band of the feed source is 2.4-24GHz, and a refrigeration Dewar matched with the feed source is developed.)

一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源及其应用

技术领域

本发明属于射电天文接收机技术领域，特别涉及一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源。本发明还涉及一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源制冷杜瓦的天文应用。

背景技术

平方公里阵(SKA)天线要求宽频带工作，目前多倍频程的反射面天线馈源主要形式有四脊喇叭馈源、Sinuous馈源和Eleven馈源，四脊喇叭馈源利用加脊波导截止波长较低的特性实现宽频带工作，主要特点是脊波导馈电，***损耗较小，机械结构简单，引入噪声小，紧凑型好，易制冷。

但目前的四脊喇叭馈源在应用中也存一些不足，如：Sinuous馈源，馈电结构复杂，且具有双向辐射特性，馈源的效率相对低；Eleven馈源相位中心恒定，方向图随频率变化不大，辐射机理是振子加反射板，馈电方式实现比较困难，***损耗较大；工作在2.4-24GHz馈源杜瓦一体化研制国内外尚未完善，而且针对SKA大批量、超宽带的需求，目前执行的先进仪器项目宽带单波束馈源开展的是BandA低频段1.6-5.2GHz，BandB高频段4.6-24GHz两个馈源的研制工作，一个馈源不能实现宽频段覆盖，实际应用中需要经常更换馈源。

在先专利申请CN201620282081.3记载了一种四脊喇叭宽带馈源天线，该馈源天线设计满足SKA射电天文望远镜的SKA1阶段中的反射面阵列天线Band 3(1.65-3.05GHz)的低频段需求，实现了在全频段内反射损耗小于10dB，端口隔离度在整个频段内小于20dB，在E、H、45度三个面-10dB波束宽度变化小的天线性能。为正在开展的应用在SKA射电天文望远镜SKA1-MidArrayBand 3提供了可能性的馈源选择。但该天线不能满足在SKA2阶段的先进仪器项目制冷10倍频(2.4-24GHz)以上(同时包括低频、高频)宽带馈源的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源，包括圆锥喇叭、四脊圆波导、直波导、喇叭外壁、脊片、第一同轴探针、第二同轴探针、短路反射腔；

所述四脊圆波导的一端与圆锥喇叭连接，另一端与短路背腔连接；

所述脊片为四个，呈曲线凹陷形状，分别嵌入在圆锥喇叭和四脊圆波导内部；

所述第一同轴探针和所述第二同轴探针分别从一个脊片***，穿过四脊圆波导中心后到达相对位置的脊片；第一同轴探针和第二同轴探针采用多个匹配块级联分割成五个匹配段，通过调节各段的长度和宽度降低回波损耗；

所述喇叭外壁加载在圆锥喇叭和四脊圆波导的外侧；

所述短路反射腔位于直波导内，包括L型匹配块和切割倒圆锥台，所述短路反射腔为圆柱体；

该馈源工作频段为2.4-24GHz。

其中，馈源外形整体尺寸为Φ170mm×187mm。

其中，所述圆锥喇叭口径170mm，喇叭段长度142mm。

其中，所述第一同轴探针和所述第二同轴探针采用多个匹配块级联的方式，同轴探针的内导体包括五个匹配段，所述五个匹配段依次长3.38mm、0.3mm、1.05mm、0.6mm、14.23mm，其中，第二、四匹配块内径为1mm，其余匹配块内径为0.8mm。

其中，四脊圆波导口径49mm，长度39mm。

其中，所述短路反射腔口径31mm、高17mm，切割倒圆锥台上底边口径31mm、下底边口径8mm、高11.3mm，L型匹配块总长48mm，厚度3mm。

本发明还涉及一种制冷杜瓦，包括真空窗、杜瓦腔体、辐射罩、馈源及其支撑结构，所述辐射罩呈两端开口的筒状，设于杜瓦腔体内，所述馈源位于辐射罩内，馈源由四根支撑结构支撑，真空窗设于杜瓦腔体顶部，所述馈源采用上述的SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源。

本发明技术方案具有以下技术效果：

本发明的SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源，四脊内部的曲线凹陷设计，通过曲线扩张，改善口面场分布规律，改善方向图，使得相位中心更集中；第一同轴探针和第二同轴探针采用多个匹配块级联的方式，内导体分割成五个匹配段分别长3.38mm、0.3mm、1.05mm、0.6mm、14.23mm，消除了某个点的驻波不连续和实现四脊喇叭50欧阻抗匹配，进而实现宽带特性；通过在反射腔加梯形短路板，实现天线良好的匹配，获得较好的驻波特性。

本发明的SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源，实现SKA超宽带10倍频程以上工作频段的喇叭馈源，工作在2.4-24GHz带宽、驻波低于-10dB、隔离度小于-25dB，方向图等化性较好，实测结果与仿真结果基本吻合，且馈源制冷后达物理温度50K以下，噪声温度小于1K，口径大小仅有170mm，减小了真空窗大小，降低了热损耗，减少了SKA接收机的重量；此小型化、紧凑性好、纵向尺寸较小的低噪声制冷接收机提高了望远镜灵敏度、从而开拓了探测更暗弱射电源的重要途径。可有效提高脉冲星快速搜寻和精确探测的能力；提高观测设备在频率选择上的灵活性；减少了接收机使用数目；降低工程建设和将来运行维护难度；可应用于分布广和数量多的SKA反射面天线。

本发明研制的SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源工作在2.4-24GHz，覆盖了整个高频段的需求同时兼顾了部分低频段需求，几乎实现了一个馈源替代两个馈源的可能性，也可替代目前设计SKA1阶段中多个相对窄带接收机，提高接收信号的效率和容量，减少接收机数目，降低工程建设和将来运行维护难度。

附图说明

图1为本发明超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源结构示意图；

图2为短路反射腔剖视图；

图3为四脊片俯视图；

图4为脊片侧视图；

图5位同轴探针内导体结构图；

图6为四脊圆波导段仰视图；

图7为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源仿真与测试反射损耗对比图；

图8为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源仿真与测试隔离度对比图；

图9为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源在4GHz E、H、D面主极化方向图；

图10为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源在14GHz E、H、D面主极化方向图；

图11为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源在24GHz E、H、D面主极化方向图；

图12为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源在D面交叉极化方向图；

图13为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源增益仿真与测试对比结果图；

图14为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源制冷杜瓦结构示意图；

图15为本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源***损耗计算分析。

其中，1-圆锥喇叭，2-四脊圆波导，3-直波导，4-喇叭外壁，5-脊片，6-第一同轴探针，7-第二同轴探针，8-短路反射腔，9-L型匹配块，10-切割倒圆锥台，11-杜瓦腔体，12-辐射罩，13-馈源，14-真空窗，15-支撑结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明做进一步详述。

参见图1，本发明的一种SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源，该馈源工作频段为2.4-24GHz，包括圆锥喇叭1、四脊圆波导2、直波导3、喇叭外壁4、脊片5、第一同轴探针6、第二同轴探针7、短路反射腔8。

所述四脊圆波导2的一端与圆锥喇叭1连接，另一端与短路背腔8连接。圆锥喇叭1的喇叭口径以及喇叭段长度决定着双极化喇叭天线的辐射特性，喇叭段主要有喇叭外壁4和四个正交脊片5，所述喇叭外壁4加载在圆锥喇叭1和四脊圆波导2的外侧。

脊片结构作为引导，使得加脊波导内的电磁能量都聚集在脊片5中间区域向喇叭口面传输。加脊波导馈电端口特性阻抗为50Ω，喇叭口面特性阻抗(即自由空间的特性阻抗)为377Ω，脊片结构通常采用指数渐变形式来使阻抗在变换过程中平滑渡过。四个脊片内部的曲线凹陷设计，通过曲线扩张，改善口面场分布规律，改善方向图，使得相位中心更集中。

从馈电点到圆锥喇叭小口面处是四脊圆波导2，其主要用于降低传输信号的主模截止频率。所述脊片5为四个，呈曲线凹陷形状，分别嵌入在圆锥喇叭1和四脊圆波导2内部；

第一同轴探针6和第二同轴探针7内径0.8mm，外径1.85mm，间距1.1mm。使用特性阻抗为50Ω的同轴接头对四脊圆波导进行馈电，同时需要保证其外导体跟四脊圆波导2接触良好，并在相邻两个互相垂直的脊片5中打通能够使探针穿过的空气腔，然后将每个同轴探针***一个脊片5，穿过四脊圆波导2中心后一直到相对位置的脊片上终止，在四脊圆波导2内部形成单极性的辐射器，这样有利于同轴接头与四脊圆波导2之间的阻抗匹配。馈源由两个相互正交且错开放置的第一同轴探针6和第二同轴探针7进行馈电，在四脊圆波导2内激励出互相垂直的正交极化波。第一同轴探针6和第二同轴探针7采用多个匹配块级联分割成五个匹配段，通过调节各段的长度和宽度降低回波损耗。同轴探针的内导体包括五个匹配段，所述五个匹配段依次长3.38mm、0.3mm、1.05mm、0.6mm、14.23mm，其中，第二、四匹配块内径为1mm，其余匹配块内径为0.8mm。对脊片5边缘进行45度倒角处理，这样可以在保证脊片厚度的情况下能够得到较小的脊片间距，从而实现四个脊片5的正交装配。

参见图2，所述短路反射腔8位于直波导3内，包括L型匹配块9和切割倒圆锥台10，所述短路反射腔8为圆柱体。对于直波导段，主要用于滤除掉高次模，从而增加天线工作的单模带宽，通过在锥形反射腔内加L型匹配块，实现阶梯型匹配腔改善天线匹配，从而获得较好的驻波特性。为了加工实物时安装方便以及接触良好，将反射腔的截面积设计成微小于四脊圆波导2的截面积，从而可以将整个反射腔直接镶嵌到脊波导段，还可通过嵌入的深浅来进行阻抗匹配的调节。

该馈源外形整体尺寸可以根据频率需要进行适当调整，在本实施例中为Φ170mm×187mm，所述圆锥喇叭1口径170mm，喇叭段长度142mm，四脊圆波导2口径49mm，长度39mm，所述短路反射腔8口径31mm、高17mm，切割倒圆锥台10上底边口径31mm、下底边口径8mm、高11.3mm，L型匹配块9总长48mm、厚度3mm，底台部分长6.97mm、高10mm，实现馈源工作频段为2.4-24GHz。所述的馈源主体由金属构成，金属选自铝、硅、铁、铜、锰、镁、铬、锌的金属合金(铝合金8050)

喇叭天线是由波导终端逐渐张开而形成的一种口径天线，频带宽、增益高、方向性好，因此常被用来作为独立的天线或馈源使用。但喇叭天线主模传输的频率范围受波导尺寸的限制，为了展宽频带，需要采用加脊的方式，在喇叭的波导部分及喇叭张开部分加入脊形结构，用脊波导来降低主模的截止频率，从而在高次模出现之前展宽单模工作的频带。

喇叭天线与波导辐射器相比，由于口面逐渐变大，改善了自由空间的匹配，改善方向性，提高了增益。但喇叭天线是由开口波导逐渐张开形成，无论是矩形波导还是圆形波导，其主模传输的频率范围都受到波导尺寸的限制。对于宽边尺寸为a的矩形波导主模式TE10单模传输，其工作波长必须满足：a<λ<2a；圆形波导(半径为R)的单模TE11传输的条件是2.62R<λ<3.41R。由此可见，上限频率和下限频率f(u)/f(l)<2。为了能实现宽频带工作，本发明采用加脊的方法，脊在脊波导段间距相等，在喇叭段以渐进指数形式张开，以实现截止波长长、等效阻抗低、工作频带宽的特点。

参见图3、4的，脊片5厚度为3mm、脊间距1.35mm，脊片5底部前端宽度为0.52mm，切角角度为45°。

在驻波方面，喇叭天线的驻波性能与喇叭输入段、传输段及喇叭口这三部分的反射有关。为了得到好的匹配，可以在喇叭输入段或者喇叭口加上调匹配元件，用试验的方法得到良好的驻波性能。第一同轴探针6和第二同轴探针7采用多个匹配块级联的方式，内导体分割成五个圆柱体匹配段，例如可以依次为长3.38mm直径0.8mm、长0.3mm直径1mm、长1.05mm直径0.8mm、长0.6mm直径1mm、长14.23mm直径1mm(同轴探针内导体结构图见图5)，五个匹配段逐级相连。四脊喇叭天线的脊线主要是使阻抗从馈电点的50，变换到喇叭口自由空间阻抗377，并且保证在整个喇叭内的阻抗平滑的变换，因此保证有较好的阻抗匹配特性。

波导常被用作传输电磁波能量的器件，在波导中加入脊结构，可以降低主模传输的截止频率，展宽喇叭低频段的工作区。由于加脊波导边缘电容的作用，主模的截止频率比不加脊的波导要低，而次主模的截止频率却比不加脊的波导高，使得脊波导的工作带宽变宽。脊波导段脊片的前端面设计为梯形，这样做是为了在保证脊片厚度的前提下，减小四个脊片之间的间距，达到改善匹配的目的。四脊圆波导段仰视图如图6所示。

对本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源进行测试，S参数仿真测试结果(参见图7)反射损耗达到-10dB以下，在全频段内实现了更好的隔离度(参见图8)，可小于-25dB的测试结果，E、H、D面主极化远场方向图测试的结果在低、中、高频等化性较好(参见图9-11)，全频段D-面交叉极化在-25dB以下(参见图12)，增益在11-21dB之间(参见图13)，口径大小仅有170mm，可减小真空窗大小，进而降低热损耗。

对本发明SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源进行了制冷杜瓦研制及测试，参见图14，制冷杜瓦主要结构包括：真空窗14，杜瓦腔体11，辐射罩12(降低辐射热)，馈源13及其支撑结构15。支撑结构15例如可以采用G10(一种玻璃纤维与树脂碾压复合材料，“G”代表玻璃纤维，“10”指玻璃纤维在其中含10％)制成。辐射罩12呈两端开口的筒状，设于杜瓦腔体11内，馈源13由辐射罩12的腔体包围，在辐射罩12内部包括4根G10支撑结构15支撑馈源13，在杜瓦腔体11顶部设真空窗14。馈源13采用本发明的SKA超宽带制冷小型化四脊喇叭馈源。

实验环境搭建：

杜瓦主体(提供真空密封环境)；

温度监测仪和温度传感器(用来测试温度)

复合真空计、真空泵、真空管道(用来测试杜瓦内部真空度)

压缩机和冷头及氦气管路(用来制冷)

设备型号：

冷头KDE210SA

风冷氦气压缩机M600

复合真空计ZDF-III-LED

八通道M9308美国SI多通道检测仪

测试结果显示，经过24小时制冷后，馈源温度降至<50K，保持到45K左右，最终真空度4.1E-5帕，馈源级到达物理温度Tphy＝45K。

由图15所示在CST电磁仿真软件中计算的***损耗在[email protected]。

四脊喇叭馈源噪声贡献计算：

[10^(0.004)-1]*45＝0.42K～[10^(0.008)-1]*45＝0.83K@大多数频段内

[10^(0.03)-1]*45＝3.2K～[10^(0.04)-1]*45＝[email protected]、5GHz、24GHz。

因此，四脊喇叭馈源引入噪声温度实现了在大多数频段内小于1K。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本系统进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本系统的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本系统技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。