CN101752672A - 共享馈源的天线及制造产生多波束共享馈源的天线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种共享馈源的天线及制造产生多波束共享馈源的天线的方法，其包括等间距(P)间隔开的多个相同的单独馈源，其特征在于：在围绕中心单独馈源(7，5)的相同子网(1-7，4-10)中的单个馈源(1-10)被关联起来，每个子网(1-7，4-10)要综合波束，通过电磁耦合将每个子网的单独馈源相位耦合到一起，以及两个连续的子网(1-7，4-10)包括至少一个共同的单独馈源(4，5，6，7)，并且偏移了与大于或等于1的预定数量的间距(P)相对应的距离。本发明特别应用于卫星远程通信的领域。

Description

共享馈源的天线及制造产生多波束共享馈源的天线的方法
技术领域
本发明涉及一种具有共享馈源(shared feed)的天线，以及一种制造具有用于产生多波束的共享馈源的天线的方法。本发明特别应用于卫星远程通信领域。
背景技术
在卫星远程通信领域，操作者的需求正朝着越来越小的终端转移，A4或A5尺寸的终端，或者PDA(个人数字助理)类型的终端或者电话，以满足漫游的用户。
很多应用还涉及在现有系统中应用互联网或者更高比特速率的应用的趋势。
为了达成这些任务，天线构造日益复杂，其包括大量的与很多放大器相关联的馈源，以确保产生大约数以百计或千计的日益狭窄的波束，并提供全大陆或者全世界的覆盖范围。用形成卫星上机载的网络BFN的数字波束，或者通过形成GBBF设备的基于地面波束的来形成所述波束。
对于窄带应用和低于10GHz的低频波段，例如L或S波段，对于通常直径为9到15m或者甚至20m的给定的大尺寸的可展开的反射器(reflector)，难以增加天线的数量。在此情况下，已知利用将一个或两个有源天线放置在形成反射器的波束的前面，反射器是通过机载的模拟或者数字方式，或者通过地面设备制造。
对于宽带应用或者大于10GHz的高频波段，数字化技术受限于机载波段处理能力、形成网络BFN的波束的复杂性和技术可行性、以及最重要的在有效载荷水平上的过度能量消耗。通常，有效载荷无源地配置有对应于特定波束的馈源的结构。由于内部波束(inter-beam)隔离(isolation)约束(constraint)以及增益性能原因，这意味着根据同一个点(spot)到另一个点的频率重用场景(scenario)而在卫星上增加多个天线。此场景称为三或四色码(colour code)，并且通常迫使每个频率子带或者色彩要使用天线。
已知利用放置在抛物面反射器的焦点上的单独馈源的网络，以及通过重用从一个点到另一个点的馈源，这在专利EP0340429和EP0333166中有特别描述，来综合波束。这些构造能够利用具有低F/D比率的压缩天线(compact antenna)，F为焦距而D为反射器的直径，并且这些结构可能使得波束紧凑，但会在未聚焦操作的情况下给出强的像差(aberration)。
还已知能够产生辐射结构，其包括一组通过电磁辐射耦合到一起的单独馈源，并且使得有可能辐射同相的波，这在专利EP0899814和EP0617480中有特别描述。这些结构由单独馈源激励，所述单独馈源由源自卫星的有效载荷信道的无线电频率类型的激励信号供电。
发明内容
本发明的目的是解决已知的波束形成系统的问题，并且提出一种具有馈源共享的天线，使得能够简单地产生大量的窄波束，而不用利用复杂波束形成电路，所述波束确保定位点而没有覆盖空区(coveragehole)，所述点表示有效C/I比率。比率C/I为所期望的信号C和干扰信号I之间的比率。
为此，本发明的主题是一种具有用于产生多波束的馈源的天线，其包括等间距间隔开的多个相同的单独馈源，其特征在于：
-在围绕中心单独馈源的相同子网中的单独馈源被关联起来，每个子网要综合波束，通过电磁耦合将每个子网的单独馈源相位耦合到一起，以及
-两个连续的子网包括至少一个共同的单独馈源，并且偏移了与大于或等于1的预定数量的间距相对应的距离。
有利地，每个子网包括单个激励馈源。
根据本发明的一个实施例，所述激励馈源是每个子网的中心单独馈源。
根据本发明的一个实施例，单独馈源是镀层在介质(dielectric)基板的第一面上的金属片，介质基板包括平行于第一面并且安装在形成接地平面的金属平面上的第二相对面，激励馈源安装在介质的第二面上，与每个子网的中心单独馈源成直线。激励馈源可以包括蚀刻在接地平面中的激励槽，其与每个子网的中心单独馈源成直线。
根据本发明的另一个实施例，单独馈源是介质天线。
本发明还涉及一种制造天线的方法，所述天线具有用于产生多波束的根据所述的共享馈源，所述天线包括等间距间隔开的多个相同的单独馈源，其特征在于，包括下列步骤：
-选择抛物面反射器的直径D，
-选择单独馈源的类型，
-定尺寸并且产生围绕中心馈源的多个单独馈源的子网，所述子网要综合具有预定角孔径的波束，用电磁耦合将所述子网的馈源相位耦合到一起，
-选择两个连续的子网之间的多个偏移间距，间距的数量大于或等于1，使得两个连续的子网包括至少一个共有的单独馈源，
-确定所述抛物面反射器的焦距F，
-计算与前述步骤中的选择相对应的波束的角孔径，并且将天线的理论性能与期望的性能相比较。
有利地，如果理论性能不相与期望的性能相对应，那么将反射器的尺寸修改为与比率F/D相比更大的值，增加子网的尺寸，因此其方向性按比例地增加为反射器的焦距，并且重新计算具有这些新尺寸的天线的新的理论性能。
附图说明
通过参照附图通过仅图示而非受限的实例给出的说明书，本发明的特点和优点将变得更加明显，其中：
-图1：根据本发明的，用大约50个点的结构获得的覆盖范围的例子的图；
-图2a、2b、2c：根据本发明的，六边形网格馈源配置的三个例子的图；
-图3a和3b：根据本发明的，矩形网格馈源结构的两个例子的图；
-图4：根据本发明的，用包括分布为六边形网格的七个馈源的子网所获得的理论辐射图形的例子；
-图5：根据本发明的，以具有43个波束的聚焦网络配置的欧洲的覆盖范围的例子，其中43个波束是与43个点相对应的43个波束；
-图6：根据本发明的，包括多个片型单独馈源的子网的激励的第一个例子；
-图7a和7b：根据本发明的两个示意图，分别是包括多个介质天线类型的单独馈源的子网的例子的立体图和正视图；
-图8a和8b：根据本发明的两个示意图，分别是包括多个介质天线的子网的聚焦网络的例子的截面图和俯视图；
-图9：包括放置在抛物面反射器的焦平面上的多个馈源网络的天线的例子。
具体实施方式
根据本发明的天线结构必须允许将信息传输到非常小尺寸的终端。目标终端的尺寸指示出天线参数必须具有的值，例如增益和噪声温度的比率G/T，称为品质因数，以及等效均元性辐射功率(equivalentisotropic radiated power)EIRP。对于给定的地理覆盖范围和给定的频率，G/T参数直接取决于待产生的波束的数量。因此，固定的频段和G/T值具有相应数量的波束以及所需的波束尺寸，以产生给定的覆盖范围。图1示出了用43个点30的配置获得的覆盖范围的例子，点30与等于0.5°的波束角θ相对应。为了产生最佳覆盖范围，所有的点必须相接，或者甚至是交错，并且天线的增益必须被最优化到以与三角形或六边形网格情况下三个点之间的交集相对应的每个网格的空心处(hollow)。
点所需的尺寸需要将用于聚焦能量的抛物面反射器90的直径的尺寸减至最小。然后维持以限定放置在反射器的聚焦区域F中以及以多点的配置来照射此反射器的馈源或者单独馈源的网络。图9示出了一个天线的例子，其包括放置在抛物面反射器的聚焦平面中的多馈源网络91。
馈源必须综合由抛物面反射器在其聚焦平面附近感应的聚焦点。然而，常规的大批馈源，像在馈源与波束相对应的天线中所使用的，不允许将点定位为相接(touch)。对于相接的点，馈源的尺寸必须减小以使波束紧凑，但是会损害天线的整体效率，因为在此情况下，馈源以接近最大值或者相对于最大值小-3dB的水平照射反射器的边缘。那么所获得的效率是正常状态的大约25％或30％，这是不能接受的。
为了不在卫星上增加天线的数量，本发明利用一种新的馈源的配置，使得能够重用从一个点到另一个点的单独馈源，因而能够使得波束紧凑。图2a、2b、2c表示根据本发明的六边形网格馈源配置的三个例子的俯视图。
这些图示出了多个片型单独馈源。单独馈源全部相同，间隔开等间距P，并且一起分组到有七个单独馈源的两个子网中，其中一些单独馈源被两个子网所共享。在图2a中，第一子网包括馈源1-7，第二子网包括馈源4-10，四个单独馈源4-7由两个子网共享，其他的单独馈源1-3和8-10是独立的。在图2b中，单个馈源11被共享；在图2c中，两个馈源12、13被共享。在这些例子中，每个子网包括被形成六边形网格的六个外围单独馈源包围的中心单独馈源。通过与所选择的间距P的数量相对应的平移来使得两个子网相互偏移，例如偏移可以选择等于如图2a中所示的间距或者如图2b和2c中所示的两个间距。每个子网要被综合对应于地面上的点的波束。因此，例如在图2a的情况中，由三个独立的单独馈源和四个共享的单独馈源来产生每个点，同一个子网的所有单独馈源被同相而且同振幅的供电。重用从一个子网到另一个子网的共享单独馈源能够使得波束紧凑，并且获得相接的点。在图2a所示的例子中，综合的波束将是最紧凑的，因为有四个共享的单独馈源位于用于产生点的那七个之外。
用于综合波束的单独馈源的配置和数量不限于图2a、2b、2c中所示的例子。还可以选择正方形网格或矩形网格，如图3a和3b中的例子所示，其中单独馈源的数量不是七个，并且共享馈源的数量也不是1、2或4。因此，在图3a中，每个子网包括九个单独馈源，其中六个单独馈源14-19被共享，而在图3b中，每个子网包括九个单独馈源，其中三个单独馈源20-22被共享。
当选择了子网的几何形状时，两个连续的子网之间的偏移距离使得能够确定将被这两个子网辐射的两个点的中心间的相对位置，并且从而以已知方式减少待使用的抛物面反射器90的焦距F。在选择波束角θ等于0.5°的情况中，为了点相接，将两个点的中心间的距离对应于0.5°的角距离是重要的。这些条件使得能够以已知方式，可能在多次重复之后，实现为反射器90产生F/D比率的特定值。
作为非受限的例子，用大约50个波束在欧洲采样，所述波束具有等于0.5°的波束角θ，选择具有七个片型的单独馈源的六边形网格，两个连续的片的中心被等于0.85λ的间距间隔开，λ为操作波长，所述片具有等于9dBi的方向性(相对于全向天线为9dB)，两个连续的子网之间的偏移等于两个间距并且频率等于6GHz，反射器需要具有9260mm的焦距，或者等于1.42的F/D比率。在此情况中，隔开两个相邻片的中心的间距等于42.7mm，两个子网之间的偏移等于85.4mm并且对应于从第一波束以0.5°指向第二波束。用其几何尺寸参数与上述例子相对应并且在图4中所示的子网获得的理论上的辐射图形示出，子网以相对于最大值等于-7dB的振幅在大约38°的角度内照亮反射器。因此以此方式产生的子网相对于反射器适应良好。因而在此例子中限定的各种尺寸参数使得能够用具有对应于43个点的43个波束的聚焦网络配置，如图5中所示，来产生覆盖欧洲的覆盖范围。因为通过包括一组分布为六边形网格的七个单独馈源的子网以及偏移了两个单独馈源的两个相邻的子网来产生每个波束，需要被综合43个波束的单独馈源的数量等于209个单独馈源。为了比较目的，如果在两个相邻的波束之间没有任何共享的馈源，那么需要利用301个单独馈源，该301个单独馈源对应于综合波束所需的单独馈源的数量乘以波束的数量简单的积(43×7＝301)。因此单独馈源的共享使得能够减少天线以及波束形成电路的复杂性。
可以以不同方式来共享馈源，例如，通过正交BFN的方式，通过改变具有一个或多个共享馈源的第一波束和第二波束之间的偏振，或者通过当产生第二波束时使得共享馈源有供电故障的方式。在共享馈源供电故障的情况中，通过七个单独馈源产生第一波束，通过六个单独馈源来产生相邻于第一波束的第二波束。
为了以简单的方式来实现馈源共享，本发明是通过电磁耦合将同一个子网的单独馈源耦合到一起。
通过此方法，以非常有效的方式，被耦合到同一个子网中的单独馈源形成一个馈源，称为复合馈源，其方向性适于朝着反射器辐射，同时注意到与在覆盖区域内波束的定位相关联的物理和几何尺寸约束，也就是说，比所期望的方向性所要求的对应更少的间距。
为了将馈源耦合到一起，可以用由如图6中所示的激励信号供电的激励馈源来激励每个子网的单独馈源。在此图中，激励馈源60是镀层在介电基板62的第一面61上的片，子网的单独馈源是镀层在介电基板62上并且与第一面61平行的第二相对面66上的片63、64、65。所有的片63、64、65是相同的，并且激励馈源60与子网的中心单独馈源64布置成直线，这意味着两个片60、64的中心在介电基板62的平行面的平面的相同法线上。支撑通过耦合而被激励的馈源的结构的高度H大约等λ/2，λ为空隙处的激励波长(excitation wavelength in avoid)。激励馈源60离形成接地平面的导电表面67距离近。在此例子中，激励馈源60是金属片，但是也可以通过制造在接地平面67中的狭槽或者通过介电谐振器来产生激励。包括介电基板62和片60、63、64、65的组件构成一个波导，其工作在波长为λ的特定频率。可以通过例如可变光阑(iris)，未示出，植入在介电基板上以使其匹配，来对该结构整体的阻抗进行准确处理。用于激励馈源60的电功率信号可以例如通过未示出的同轴或者微波传输带或者三板(tri-plate)传输线来发送。
此结构使得能够通过为每一个子网供应信号激励馈源，激励馈源布置在中心单独馈源下方，来相位耦合子网的单独馈源，例如六边形网格的七个单独馈源，并因而产生具有增加方向性的波束，而不用利用复杂BFN电路，当多个波束之间的馈源的共享程度变得高时，例如在图1的中心点的情况下，其拓扑结构将很快变得无法解决。那么通过所关心的子网的单独馈源之间的电磁耦合来自然完成馈源的共享。
还可以通过对每一个子网的中心单独馈源供电来实现将馈源耦合到一起。子网的围绕中心单独馈源的其他单独馈源然后由从中心单独馈源到外围单独馈源的电磁辐射供电。此电磁辐射在外围单独馈源上感应出电流，这使得单独馈源耦合到一起。当馈源同相时，子网的所有单独馈源的总体辐射综合波束，方向性增加而不利用BFN电路。
本发明不限于片天线。还可以利用喇叭天线或者介质天线，也称为介质杆天线。图7a和7b示出了两个示意图，分别是包括多个介质天线类型的单独馈源80、81的子网的例子的立体图和正视图，图8a和8b是两个示意图，分别是一个具有共享馈源的聚焦网络的例子的截面图和俯视图，该聚焦网络包括多个子网，所述子网具有布置为六边形网格的七个介质天线类型的单独馈源。以与所述片相同的方式，本发明在底端83对具有例如为六边形的网格的中心介质天线81供电，并且属于该相同的六边形网格的外围介质天线80、82自然被耦合到一起并且通过电磁耦合而耦合到中心介质天线81。例如，对于每个单独介质天线的内径L等于7.4mm或者10mm，那么两个相邻的介质杆天线的中心之间的间距P可以等于16mm。在介质杆天线领域，通过对中心介质杆天线81供电而产生的波沿着介质天线的轴Z传播，被包括在直径7.4mm或10mm的介质填充波导内，并且由固定介质杆的金属壁84划界。通过将波反抑制(decontainment)到位于顶端85的反抑制区内来获得介质杆之间的电磁耦合，与金属壁84消失处的介质杆的输出锥平齐。在反抑制区域中，从中心激励介质天线81得到的场自然地以横向模式传播，被耦合到所围绕的介质天线80、82，并且感应有助于网格的所有天线的最终辐射的共有的耦合。确定感应的介质天线80、82的闭合阻抗，以便在整体性能上给出方向性上的所期望的增加。然后整体作为七个介质棒的子网，七个介质棒包括一个形成激励馈源的中心棒81以及形成耦合馈源的六个外围棒80、82，确定耦合馈源的阻抗条件，以便根据所期望的适时获得的耦合子网的目标，来控制介质天线的耦合和再辐射系数。在图8a和8b所示的网络的例子中，布置为六边形网格的七个馈源的每个子网包括被两个相邻子网共享的两个外围馈源82。
尽管本发明是根据特定实施例描述的，显然其决不将本发明限制于此，而是包括与所描述的方法及其组合等效所有的技术，只要它们落入本发明的范围内。特别地，为了进一步改善天线的性能，子网可以包括由围绕中心馈源的电磁耦合而供电的多个外围馈源环。

Claims (8)

1.一种具有用于产生多波束的共享馈源的天线，其包括等间距(P)间隔开的多个相同的单独馈源，其特征在于：
-在围绕中心单独馈源(7，5，64，81)的相同子网(1-7，4-10)中的单个馈源(1-22，63，64，65，80，81，82)被关联起来，每个子网(1-7，4-10)要综合波束(30)，通过电磁耦合将每个子网的单独馈源相位耦合到一起，以及
-两个连续的子网(1-7，4-10)包括至少一个共同的单独馈源(4，5，6，7)，并且偏移了与大于或等于1的预定数量的间距(P)相对应的距离。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个子网包括单个激励馈源(60、81)。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述激励馈源为每个子网的中心单独馈源(81)。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，单独馈源是镀层在介质基板的第一面(66)上的金属片(63、64、65)，介质基板包括平行于第一面(66)并且安装在形成接地平面的金属平面(67)上的第二面(61)。
5.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，单独馈源是镀层在介质基板的第一面(66)上的金属片(63、64、65)，介质基板包括平行于第一面(66)并且安装在形成接地平面的金属平面(67)上的第二相对面(61)，以及其中激励馈源(60)安装在介质的第二面(61)上，与每个子网的中心单独馈源(64)成直线。
6.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，单独馈源是介质天线(80、81、82)。
7.一种制造天线的方法，所述天线具有用于产生多波束的根据前述权利要求的其中之一所述的共享馈源，所述天线包括等间距(P)间隔开的多个相同的单独馈源，其特征在于，包括下列步骤：
-选择抛物面反射器(90)的直径D，
-选择单独馈源的类型，
-确定尺寸并且产生围绕中心馈源(7)的多个单独馈源(1-7)的子网，所述子网要综合具有预定角孔径的波束(30)，用电磁耦合将所述子网的馈源相位耦合到一起，
-选择两个连续的子网之间的多个偏移间距(P)，间距的数量大于或等于1，使得两个连续的子网包括至少一个共有的单独馈源(7，5)，
-确定所述抛物面反射器(90)的焦距F，
-计算与前述步骤中的选择相对应的波束的角孔径，并且将天线的理论性能与期望的性能相比较。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果理论性能不相与期望的性能相对应，那么将反射器的尺寸修改为与比率F/D相比更大的值，增加子网的尺寸，因此其方向性与反射器的焦距成比例，并且重新计算具有这些新尺寸的天线的新的理论性能。
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