CN102106040B - 用于天线系统的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于天线系统的设备，包括：一个或多个叶片，用于将天线接收到的电磁场分割成与分离的束相对应的多个部分，并将所述多个部分重定向以供多个检测器检测。所述设备可以包括：多个叶片，用于将场分割成逐渐越来越小的部分。所述多个检测器可以位于天线系统的聚焦区域之外。如果需要检测器的尺寸相对较大，则与将检测器放置在聚焦区域中的情况相比，所述系统可以检测更加紧密堆积的波束。所述设备还可以包括：聚焦装置，用于将场的所述部分聚焦到另一个叶片或检测器上。也提出了一种天线系统，包括：用于产生多个波束的多个馈电喇叭；以及用于朝着所述天线系统的聚焦区域重定向所述波束以便形成由紧密堆积的波束组成的组以供天线系统发射的多个元件。

Description

用于天线系统的设备

技术领域

本发明涉及一种用于重定向在天线中接收到的电磁场或者所述天线产生的波束的设备。更具体地但不排他地，本发明涉及一种设备，该设备用于将在天线系统中接收到的电磁场分割成与分离的波束相对应的多个部分，并重定向所述部分以允许在远离所述天线系统聚焦区域时检测到这些部分。

背景技术

在传统的反射器天线系统中，将反射器的远场中的窄方向图带到焦点，在焦点放置单个馈电喇叭或者馈电喇叭组来捕获或者采样来自系统的反射能量。为了在不同位置对场进行采样，可以在所述天线系统的焦平面内移动所述馈电喇叭或所述馈电喇叭组，以便扫描所述天线波束。所述远场中的波束位置相对于(小角度的)馈电位置偏移成额定线性关系移动。

为了改善数据获取时间和仪器灵敏度，优选的是在焦平面内具有馈电喇叭的固定阵列，而不是一个或多个移动的馈电喇叭。然而不幸地是，所获得的信息量受到所扫描的波束的紧密性的限制，进而受到馈电喇叭尺寸的限制。对于电信应用，馈电喇叭的尺寸相对较小(直径是1至2个波长)，并且可以对紧密堆积的波束进行采样。然而对于辐射测量应用，要求所述馈电从远场产生具有低旁瓣的类高斯波束导致使用具有更大直径(6至10个波长)的馈电喇叭。在将这些喇叭彼此相邻放置时，没有足够紧密地堆积所采样的波束。例如，在一些亚毫米波应用中，需要对3mm间隔的波束进行采样。然而，馈电喇叭的宽度必须是10mm，这使得不能将馈电喇叭按照3mm的间隔放置。

此外，每一个馈电喇叭配置有诸如低噪声放大器(LNA)和混频器之类的信号处理部件。这些部件可能不会小到足以允许将馈电喇叭足够靠近地放在一起以至于可以对足够紧密地堆积的波束进行采样。

本发明目的在于解决这些问题。

发明内容

根据本发明，提出了一种用于天线系统的设备，包括：一个或多个叶片，用于将天线接收到的电磁场分割成与分离的波束相对应的多个部分，并且将所述多个部分重定向以供多个检测器检测。

所述一个或多个叶片中的每一个均可以根据入射区域沿着一定方向来重定向场的部分，其中，所述入射区域是场的该部分在该叶片上的入射区域。叶片可以包括第一和第二表面，叶片可以通过将场的入射到第一表面上的部分沿着第一方向重定向并将场的入射到第二表面上的部分沿着与第一方向不同的第二方向重定向，来分离所述场。

所述设备可以包括：多个叶片，用于将电磁场分割成逐渐越来越小的部分。

因此，本发明允许在自由空间中切割或截取高斯波束，以允许按照比所使用的典型高斯喇叭小的间隔来分离紧密的波束。本发明允许馈电喇叭位于远离聚焦区域的地方。因此，可以将大到足以产生所要求的波束的馈电喇叭用于对紧密堆积的波束进行采样。

所述一个或多个叶片可以包括棱镜叶片。所述一个或多个叶片可以附加地或者备选地包括反射叶片。所述反射叶片可以包括成角度接合的两个反射表面。

所述一个或多个叶片可以包括至少两个叶片，叶片之一包括所述两个反射表面，所述两个反射表面被定形为使场的所述多个部分畸变，以允许所述至少两个叶片中的其他叶片更有效地切割场的所述多个部分。所述两个反射表面可以被定形为拉伸与场的部分相对应的波束的横截面。

所述两个反射表面可以被定形为将场的所述多个部分之一朝着检测器聚焦。备选地或者附加地，所述设备可以包括至少两个叶片，叶片之一包括所述两个反射表面，所述两个反射表面被定形为将场的所述多个部分之一朝着其他叶片聚焦。所述两个反射表面可以包括柱面镜。

所述设备还可以包括预畸变反射镜，用于将场的所述多个部分反射到一个或多个叶片上，所述预畸变反射镜配置用于拉伸与场的所述多个部分相对应的波束的横截面，以允许分离紧密堆积的波束。

所述一个或多个叶片可以包括至少两个叶片，所述设备还可以包括用于将场的所述多个部分之一从叶片之一聚焦到另一个叶片上的聚焦装置。备选地或者附加地，所述设备还可以包括用于将场的所述多个部分之一聚焦到检测器上的聚焦装置。用于对场的所述多个部分进行聚焦的聚焦装置可以配置用于将场的所述多个部分重新定形为圆形波束。用于对场的重定向的多个部分进行聚焦的装置可以包括反射镜和/或透镜。

在一个实施例中，所述一个或多个叶片可以包括多个金属反射叶片，用于聚焦的装置可以包括多个金属反射镜，所述多个叶片和多个反射镜可以是从单块金属切割而成的。将所述设备制造成单个单元或者制造成几个分离的单元减小了用于切割和检测所述场所需的部件个数，并且使得设计更加机械可靠。

根据本发明，还提出了一种包括多个层的器件，每一层包括根据任一权利要求所述的设备和用于接收辐射的孔径，所述器件还包括用于基于辐射的至少一个参数将入射辐射划分成多个部分并通过孔径将辐射的所述多个部分中的每一个部分重定向到分离的层中。

所述至少一个参数可以包括辐射的偏振。所述至少一个参数也可以包括辐射的频率。

根据本发明，还提出了一种天线系统，包括如上所述的设备和多个馈电喇叭，所述馈电喇叭用于接收场的重定向的部分。

附加地，根据本发明，提出了一种天线系统，包括：多个馈电喇叭，用于产生多个波束；以及多个元件，用于将所述波束朝着天线系统的聚焦区域重定向，以便形成紧密堆积的波束组以供天线系统发射。

所述多个元件可以包括用于对多个入射波束进行反射或折射以产生相邻波束集合的元件。所述天线系统还可以包括用于将相邻波束集合聚焦到所述多个元件中的另一个元件上的聚焦元件。

所述多个元件可以包括多个反射叶片或棱镜叶片。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是包括根据本发明一个实施例的波束切割器的天线系统的示意图；

图2更加详细地示出了图1的波束切割器；

图3示出了波束切割器的元件的变体；

图4示出了波束切割器的另一个元件的变体；

图5示出了根据本发明另一个实施例的波束切割器的一部分；

图6示出了根据本发明另一个实施例的波束切割器的一部分；

图7示意性地示出了场如何入射到图6的波束切割器的元件上；

图8(a)至图8(d)示出了通过图6的波束切割器的波束的形状；

图9示出了波束切割器的元件的另外变体；

图10示出了以单个金属单元的形式提供的波束切割器；

图11示出了图9的波束切割器的侧视图；以及

图12示出了可以如何堆叠波束切割器。

具体实施方式

参考图1，反射器天线包括：主反射器2和子反射器3，用于接收和聚焦输入辐射；波束切割器4，用于分割系统的聚焦区域处的近场；多个馈电喇叭5，具有相关联的处理单元6；信号处理器7；控制器8和存储器9。例如，反射器天线系统可以用于辐射测量、射电天文学或者地球遥感。在这些应用中，输入辐射典型地是亚毫米或微波辐射。辐射的频率可以在50GHz和3THz之间但不局限于此。反射器天线系统也可以用于电信系统。

主反射器2可以是凹抛物面反射器，子反射器3可以是具有两个焦点的凸双曲面反射器。用于聚焦输入能量的其他反射器形状当然也是可以的。主反射器2将与该主反射器2的对称轴平行的所有入射射线或能量反射到该主反射器2的焦点，该主反射器2的焦点也是子反射器3的两个焦点之一。子反射器3随后将来自主反射器的射线或能量反射到该子反射器3的第二焦点，其中波束切割器4位于第二焦点处。

波束切割器4是准光学器件，将入射辐射分割成多个部分，并将能量重定向至放置了合适馈电喇叭5的位置，以形成所需的扫描波束。因此，波束切割器代替了聚焦区域中的喇叭线性阵列，以在反射器的远场中产生扫描的辐射方向图。应该注意的是，通常在将馈电喇叭放置在子反射器的聚焦区域之前，在天线的远场中不存在波束。相反，在焦点处存在近场，有形成波束的趋势。本发明使用束切割器而不是使用在此放置的喇叭来采样该场。

喇叭5具有相当大的直径，以便产生所需的具有低旁瓣的类高斯波束。直径可以是在6至10个波长的量级，这意味着对于250GHz的频率直径是10mm。喇叭可以是波纹喇叭或者普特阶梯(Potter stepped)喇叭。每一个馈电喇叭具有相关联的处理单元6，所述相关联的处理单元6例如包括对信号进行放大的低噪声放大器(LNA)和将高频信号下变频至更低频率的混频器。将转换后的信号馈送至中央信号处理器7以进行进一步信号处理。应该理解的是尽管在图1中将中央信号处理器示出为单个部件，然而中央信号处理器可以包括多个分离的部件。控制器8控制数据的接收以及在存储器9中的存储。控制器8还可以控制信号处理器7。存储器9可以从信号处理器7或者从地面站接收数据。反射器天线系统1还可以包括：发射天线，用于将接收到的数据发射回地面站。此外，反射器天线系统1可以包括：另一个接收天线，用于从地面站接收指令。

图2更加详细地示出了根据本发明的波束切割器4的一个实施例。图2的波束切割器4将天线接收到的电磁场中的能量分割成由六个不同的馈电喇叭5a-5f检测的六个不同波束。波束切割器具有多个场切割元件，所述多个场切割元件用于逐步将近场切割成越来越小的片段。波束切割器4还可以具有多个分离的聚焦元件，所述聚焦元件用于在场被切割之后对场中的能量进行聚焦。在图2中，将场切割元件和聚焦元件装配在相同的平面中。波束切割器的所有元件都可以位于外壳中。应该理解的是场切割元件不会将场划分成相同信息的两个副本，而是将场分割成不同信息的两个片段。场切割元件基于在场切割元件上的入射点来分割场。与其类似，可以考虑相同图像的两个半部。

在图2中，以反射叶片10a-10f的形式提供场切割元件，以透镜11a-11j的形式提供聚焦元件。第一反射叶片10a位于系统的聚焦区域中，在聚焦区域中将可能的远场波束集中到小区域。第一反射叶片将近场分割成两个部分A、B。第一部分A由第一场透镜11a重新聚焦，然后由第二叶片10b分割成部分A1和A2。部分A1之一由第二场透镜11b重新聚焦并且由喇叭5a检测。部分A1的另一个部分由叶片10c进一步分割成两个部分A2’和A2”，然后由相应的场透镜11d和11e重新聚焦，并由相应的喇叭5b和5c检测。类似地，近场的第二部分B由场透镜11f重新聚焦并由第四叶片10d分成两个部分B1和B2。部分B1之一被重新聚焦并由叶片10e进一步分割成B1’和B1”，然后由场透镜11h和11i重新聚焦并由喇叭5d和5e检测。另一个部分B2由透镜11j重新聚焦并由喇叭5f检测，而不被进一步划分。

应该理解，入射场的角度依赖性产生了在反射器天线系统的焦点处分布的场。所分布的场由第一叶片10a切割。在第一叶片之后，反射和波束校正改变所有波束的角度依赖性而不管是按组处理还是单独处理这些波束，并且允许进一步的波束划分。

每一个叶片10a至10e由两个反射表面(如，两个反射镜)构成，这两个反射表面沿着面对辐射的边缘而接合。入射在叶片的两个反射表面中的第一反射表面(例如，图2中叶片10a的上表面)上的波束被这两个反射表面中的第一反射表面反射，从而沿第一方向被重定向(朝着图2中的波束切割器4的上部区域)，入射在叶片的两个反射表面中的第二反射表面(例如图2中的叶片10b的下表面)上的波束被这两个反射表面中的第二反射表面反射，从而沿第二方向被重定向(朝着图2中的波束切割器4的下部区域)，第二方向不同于第一方向。两个反射表面之间的角度以及这两个反射表面相对于入射辐射的取向确定了反射波束的方向。所得到的分离波束与原始场的不同段相对应，因此也与原始场中的不同信息相对应。将辐射聚焦在略微在边缘前面或者超出边缘的地方。反射表面由射频导电材料提供。例如，叶片可以由金属制成，所述金属包括但是不局限于铝。更加详细地，叶片可以由弯曲的金属板或者固体金属块制成。例如，表面可以是抛光的、涂银的或涂金的。叶片也可以由塑料或者任何其他合适的材料制成，并且具有反射涂层。

叶片的前缘是锋利的，以便不产生过多的衍射和损坏波束。作为示例，边缘可以是约波长的百分之一或者约0.01mm。叶片的两个反射表面之间的角度可以在10°至45°之间。然而，确切的角度依赖于应用。如果合适的话，角度也可以大于45°。在亚毫米波应用中，叶片的每一个反射表面的长度可以在20mm的量级上。叶片可以是成角度的，使得便于将反射或者折射的能量导引至下一个叶片或下一个聚焦元件。叶片不必须将场切割为两个相等的部分。例如，叶片10b和10d可以这样切割场，使得片段A1和B2与片段A2’、A2”、B1’和B1”包含相同比例的原始场。

透镜可以由塑料制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)。备选地，透镜可以由玻璃制成。在一个实施例中，透镜可以具有双曲面形状，所述双曲面具有同心凹槽(concentric groove)，以提高令场通过透镜的效率。透镜将能量重新聚焦到下一个叶片尖端附近的区域或者聚焦到馈电喇叭的聚焦区域。馈电喇叭的聚焦区域通常位于喇叭内，略微超出馈电喇叭的孔径。应该理解的是并不总是必须在再次切割场之前或者在馈电喇叭检测到场之前对场重新聚焦。将透镜置于两个叶片之间还是叶片与馈电喇叭之间取决于波束切割器的具体设计。

由于对于波束效率的考虑，馈电喇叭5a至5f将典型地被选择为圆柱喇叭，以产生圆形波束。然而应该注意的是，也可以具有产生椭圆波束的椭圆孔径波纹喇叭或矩形喇叭。场的切割将波束的形状改变为更加椭圆的形状。电磁场包括成角度延伸的分量，并且当切割场时，由于叶片的存在而被阻挡的较大角度分量会有一定的损耗。因此，所得到的形状是椭圆形的。因此在对于非常靠近的波束而形成的远场中方向图的质量随着与叶片的靠近而退化。因此，需要将这些波束的一些进行重新定形以更好地匹配圆柱喇叭。通过使用合适定形的透镜，例如变形透镜，可以重新定形波束并提高质量。

参考图3示出了对于场切割元件，图2中的反射叶片的备选形式。在这种情况下，使用棱镜叶片12来创建场切割元件。当使用棱镜时，通过折射而不是反射来实现波束的分离。能量被透镜11a聚焦到棱镜叶片12上，并折射成两个波束。入射在棱镜的第一表面上的波束沿第一方向折射，入射到棱镜的第二表面上的波束沿第二方向折射。如图3所示，波束在棱镜中交叉。这两个波束中的每一个由相应的透镜11b、11c重新聚焦到相应的喇叭5a、5b。在棱镜中可以发生内反射，并且在棱镜的中心线下方可以包括金属箔(未示出)以提供波束之间的隔离。再次，棱镜面的对入射辐射的表面的角度可以在10°和45°之间。然而，确切的角度取决于应用。如果合适的话角度也可以大于45°。

参考图4，示出了对于聚焦元件，图2中的透镜的备选形式。在该实施例中，聚焦元件由反射镜13来提供而不是由场透镜来提供。能量被透镜11a聚焦到叶片10上，并且折射成两个波束。每一个波束然后被相应的反射镜13a、13b朝着喇叭5a、5b反射。如所示出的，当使用反射镜时，波束在馈送至喇叭时交叉。反射镜可以由诸如抛光的铝之类的金属制成，但是不局限于此。

在波束切割器的一些实施例中，可以将场切割元件和聚焦元件组合成单个元件。并非用沿着边缘成角度接合的两个平面反射镜来形成场切割元件，这两个反射镜可以是定形的反射镜。反射镜沿着接合边缘的曲率可以较小，以便沿着边缘保持大致均匀的厚度，从而减小接合边缘处的衍射。场切割元件将分割的场重新聚焦，并且控制所得到的波束的束腰(beam waist)。因此，场切割元件将分割场并且重新聚焦能量。定形的反射镜可以例如是沿着锋利边缘(sharp edge)接合的圆柱反射镜，所述锋利边缘沿着与每一个反射镜的圆柱轴平行的线延伸。这种叶片将波束重新聚焦在一个平面中。定形的反射镜也可以具有与任意其他圆锥截面相对应的形状(例如椭球形或双曲面形)或者为了优化方向图所选择的任意形状。

应该理解的是，可以使用反射叶片10、棱镜12、透镜11和反射镜13的组合来形成波束切割器4。在图5中，示出了产生8个近场片段的波束切割器4的一半。波束切割器包括用于切割场的棱镜叶片12和反射叶片10。示出了单个射线通过波束切割器4的路径。反射镜14将入射能量反射到第一反射叶片10a上，第一反射叶片10a执行场的第一级划分。利用另一个反射叶片10b执行第二级划分，从而产生两个波束组，每个波束组由两个波束组成。利用另外的反射叶片10c将第一对波束再划分，同时利用棱镜叶片12划分其余的波束。将所得到的波束重新聚焦以由馈电喇叭5a至5d来接收。在每一次划分之间，利用简单的场透镜11a-11g将场重新聚焦到下一个叶片或者喇叭。应该理解，可以使用反射镜来代替透镜。

在本发明的一些实施例中，在划分场之前，在与场的部分相对应的波束的形状中引入预畸变，以便改善波束的分离。可以由偏移反射镜15来提供波束畸变，其中在场切割元件12之前将偏移反射镜15放置在图6所示的场路径中。偏移预畸变反射镜15设计用于在与叶片边缘平行的平面内拉伸场，从而允许叶片更靠近地接近波束而没有不适当的散射，并且允许分割紧密在一起的波束。对于在预畸变反射镜处的某些入射角，将场的与波束相对应的部分的横截面拉伸成一定的形状，该形状类似于主轴与面对辐射的叶片边缘平行的扁平椭圆。偏移预畸变反射镜15可以是偏移圆锥截面反射镜。例如，反射镜的形状可以是椭球体或球体的一部分。

如图6进一步所示，可以提供与向预畸变反射镜15的偏移参数相对应的校正反射镜16以反射切割场。第二反射镜16对第一镜15引起的畸变进行校正。第二反射镜16也可以聚焦反射波束。例如，校正反射镜16可以将波束的横截面恢复为匹配喇叭的所需圆形形状。预畸变反射镜引起的波束畸变程度依赖于场的入射角度，并且因此随着波束角度的不同而不同。

进一步参考图6，将畸变反射镜15定位为允许场以较高的入射角(远离表面的法向)达到反射镜。因此，在反射镜的第二焦平面内的波束行为将是焦散性质的，其中场朝着反射器表面急剧下降(delineation)。波束的畸变级别依赖于反射镜表面处的反射角度。远离表面法向的入射角度越大，波束的畸变越大。如果预畸变反射镜上的入射波束相对于反射镜表面而倾斜，则与跟反射镜表面成垂直角度入射的场相比，畸变更严重。换句话说，如果入射波束远离反射镜的第一焦点到达反射镜，则畸变更大。

随着波束远离反射镜而传播，波束横截面在与入射场垂直并且与场切割元件的叶片10边缘平行的平面内变成拉伸的。可以将叶片10置于使场拉伸为线(焦散)的位置，以便利用场和叶片(两个线状物)的共同几何形状并且有效地划分场。波束形状的畸变允许在很少能量传播到叶片的背面的情况下切割场，从而提高切割效率。此外，预畸变反射镜15与后面的叶片10和反射器之间的焦散区域减小了叶片10后缘上波束的场，因此减小了叶片10的这两个边缘之间的衍射效应。图6示出了反射叶片10，但是场切割边缘也可以是棱镜叶片12。

如图6所示，场切割元件10将波束之一与其他波束分离，而将其他波束通过叶片朝着校正反射镜16反射并且在途中彼此交叉。校正反射镜将横截面校正为圆形横截面。然后可以将波束进一步反射或者重定向至喇叭，或者通过另外的场切割元件10、12(未示出)将波束进一步分离。在图6中所示的叶片10处分离的波束必须由另一个校正反射镜(未示出)校正，以提供与馈电喇叭的更好匹配。

下面将参考图8(a)至图8(d)更加详细地描述图6中所示的图像1至图像4中的波束形状。

在一些实施例中，可以将校正反射镜16与参考图4的反射镜13相结合，以对场部分进行聚焦。偏移椭球反射镜可以针对任意畸变来校正波束并将波束重新聚焦成合适的形状以馈送给喇叭，其中偏移椭球反射镜位于使得波束以大角度入射的位置。此外在一些实施例中，可以使用透镜(未示出)将入射波束安置在第一偏移反射镜的第一焦点。

图7示意性地示出了畸变的波束如何入射在叶片上。在波束的一侧，波束的横截面的形状是扁平椭圆。沿与叶片10的前缘平行的方向拉伸波束的横截面。因为波束的畸变级别依赖于与反射镜表面所成的反射角度，入射波束与镜表面越近畸变越大，所以离叶片边缘前端较远的波束比靠近叶片边缘前端的波束更不平坦。在图7中在一定程度上夸大了波束的畸变。具有较小入射角度的波束可以比图7所示的波束畸变更小。

图8a至图8d示出了图6的波束切割器中的预畸变反射镜和校正反射镜效果的仿真结果。图中示出了在波束路径中的四个不同阶段在大小为10mm×10mm的面积中以每平方米瓦特(W·m^-2)为单位的波束强度(相干辐照度)。波束强度范围与0至-50dB的范围相对应。如图8(a)所示，场以四个紧密堆积的波束(图6中的图像1)的形式发出。图8(b)示出了刚好在四个波束被场切割元件10反射出之前的波束形状(图6中的图像2)，图8(c)示出了刚好在其余三个波束已经被切割元件朝着校正反射镜反射之后的波束形状(图6中的图像3)。刚好在切割元件10的前面和后面，可以看出波束已经被分离，并且其中的一些波束已经畸变成垂直形状。形状依赖于预畸变反射镜15上的入射角度和图像在场路径中的位置。图8(d)示出了在已经校正了场之后的波束形状(图6中的图像4)。如所示出的，在校正之后，最靠近轴的波束现在接近圆形的。其他波束沿着轴在略微不同的位置将变成圆形的。

应该理解，在引入畸变以更加有效地切割场的波束切割器中，在每一个场切割元件10后面并不需要校正反射镜。如果场相对于叶片的取向符合要求(足够平行)，则可以无需校正就再次切割场。当已经分离了具体的波束时，可以在馈电喇叭之前使用校正反射镜将波束朝着圆形轮廓校正，以匹配馈电喇叭。

参考图9，在一些实施例中，预畸变效应、校正效应和聚焦效应全部由叶片本身提供。图9示出了在三个叶片10a’、10b’和10之间朝着喇叭5反射的单个波束。第一叶片10a’和最后的叶片10b’具有弯曲的面。在一个实施例中，曲率与球体的曲率相对应，但是其他形状也是可能的。第二叶片是平面叶片。第一叶片10a’的弯曲面设计用于使波束畸变，最后叶片10b’的弯曲表面设计用于向波束提供相应的校正并将波束聚焦成圆形波束。平面第二叶片10用于截取两个弯曲的反射镜之间的场并再次切割场。

如图9所示，波束入射并且被第一叶片10a’反射。第一叶片进一步对波束进行聚焦和畸变，以使波束在下一个叶片处可以更容易被分离。换句话说，第一叶片一口气执行对于下一个叶片的切割和预畸变。然后波束从平面第二叶片10的侧面反射出来，被弯曲的最后叶片10b’校正和重新聚焦，并被馈送到喇叭5中。平面叶片10对于图9中所示的波束仅起到反射器的作用。因此，对于特定的应用和入射场，可以用反射镜来代替平面叶片10。然而，根据平面叶片10的角取向以及场入射在第一弯曲叶片上的位置，平面叶片也可以用作波束切割元件。类似地，最后的弯曲叶片10b’对于图9所示的波束也起到反射器的作用，但是改变弯曲叶片10b’的角取向，可以使用弯曲叶片10b’来进一步切割波束。通过使用弯曲的叶片，使不同波束之间的衍射最小化并且更加有效地切割了场。离弯曲叶片的轴较远的波束的畸变不如离该轴较近的波束的畸变大，可以用相同的技术(即，另一个弯曲的叶片)再次切割这些波束。因此在一些实施例中，可以将平面叶片替换成第三弯曲叶片，或者如上所述可以修改最后弯曲叶片的角取向以进一步切割场。应该理解，弯曲叶片在每一侧可以具有不同的曲率，以补偿入射在叶片上不同位置处的波束的形状差异。

为了清楚起见，在图3、4、5、6和9中没有示出处理单元6，处理单元6包括例如放大器和混频器。然而应该理解，每一个馈电喇叭可以与不同的信号处理部件相连。此外应该理解，图3至图6中的叶片附近所示的线条和平面(与反射叶片的入射辐射垂直并且与折射叶片的入射辐射平行)是示意性的场线，而不是叶片的一部分。

图10和图11示出了波束切割器4的实施例，波束切割器4包括由金属叶片提供的场切割元件10、12和由偏移金属反射镜提供的聚焦元件。通过选择金属叶片和反射镜，波束切割器或者波束切割器的至少大多数部件可以完全由金属制成。在图10和图11的实施例中，以单个单元17的形式提供波束切割器4，其中，单个单元17由单个的机械加工金属块18定形而成并且与盖子19相适合。作为备选方案，波束切割器4可以由多个部件构成，这多个部件如同从单块金属切割下来的一样构成装置。单元可以具有狭缝，所述狭缝用于容纳任何分离的部件，例如分开制造的任何所需塑料透镜或变形反射镜。叶片可以是平面叶片或弯曲叶片。设计是紧凑的，令该设计的部件处于单个平面中，并为馈电喇叭及其相关联检测器部件(例如混频器块和低噪声放大器6)提供充足的空间。

如图10所示，通过块中的孔径20将辐射接收到块内3至5mm处的区域中的焦点。在焦点区域中提供第一级叶片10a以将辐射分割成两个部分。提供一对第二级叶片10b、10c以将两个部分中的每一个部分切割成两个片段，从而形成两个片段集合，其中每个片段集合由两个片段组成。在该实施例中，第一级和第二级叶片之间不使用分离的反射镜。第一级叶片的反射表面可以是平面镜，或者可以是也将能量朝着第二叶片重新聚焦的柱面镜或球面镜。对块的内壁进行机械定形和抛光，以起到用于朝着另一个叶片或馈电喇叭反射和重新聚焦场的反射镜的作用。壁也可以是镀银或镀金的。将这两个分别均由两个片段组成的集合反射到第三级叶片10d-10g上，第三级叶片10d-10g将辐射分割成8个片段，这8个片段由喇叭来检测。

如上所述，如参考图9所描述的，图10的叶片10e至10g中的一个或多个还可以具有用于引入畸变或者提供相应校正的弯曲表面，以便允许分离更加紧密堆积的波束。备选地或者附加地，尽管在图10中未示出，单个单元17也可以被设计为包括参考图6所述的预畸变反射镜15和/或校正反射镜16，以进一步提高切割效率。

图11从没有馈电喇叭一侧示出了波束切割器块17。沿着波束切割器的该侧布置用于容纳图10的馈电喇叭5a-5d的孔21a-21d。作为示例，对于辐射为300GHz的应用，包括盖子的块的高度可以是约20mm。

可以堆叠两个或多个参考图10和图11所述的块17，以提供双线偏振和附加的工作频带。图12中示出了四个块波束切割器单元的示意图。在天线系统的焦点区域中，提供偏振片22以将近场分为两个不同的偏振。然后例如频率选择性表面(FSS)或者二向性滤光器23a、23b将近场能量的每一个部分分割成两个不同的频率，这两个不同的频率提供了两个场部分组，每个场部分组包括两个场部分。然后如果需要的话，使用反射镜24a、24b将所得到的场部分聚焦到每一个块17a-17d的第一叶片上，然后将其划分并且重定向至馈电喇叭(图12中未示出)。如果每一个块产生8个波束，则该单元将利用在频率和偏振上共同注册的波束来产生由8个波束组成的显著(staring)阵列。当然，可以提供附加的频率选择性表面以将场划分为更小的频率段(frequency bin)。应该理解，基于偏振和频率的划分只是示例，也可以考虑基于其他辐射特性的划分。

尽管图10、11和12示出了单个平面内每一个波束切割器块的部件，然而应该理解的是如果应用需要，则可以将对于每一个波束切割器块的部件安装在不同的平面内从而形成紧凑的3D空间。

还应该理解，也可以在发射天线中使用叶片和聚焦元件，以产生由紧密堆积波束组成的集合以供天线发射。那么波束切割器4取而代之地提供了波束组合器。在发射天线中，馈电喇叭产生朝着切割元件发射的不同波束。每一个切割元件10、12反射或者折射多个入射波束，以产生由紧密堆积的相邻波束组成的集合。聚焦元件11、13重新聚焦和重新定形由紧密堆积波束组成的集合。最靠近馈电喇叭的切割元件将两个波束反射或者折射成由两个相邻的波束组成的集合，而远离馈电喇叭的切割元件将两个由相邻波束组成的集合、或者一个由相邻波束组成的集合或单个波束反射成由相邻波束组成的新集合。切割元件配置用于使得至少两个波束从不同的方向入射在切割元件上，但是沿实质上相同的方向反射或者折射。如参考图6至图9所述的，切割元件可以被设计为具有弯曲的表面，以对波束进行畸变和校正，从而产生更加紧密间隔的波束。备选地或附加地，可以包括畸变反射镜15和校正反射镜16以进一步提高组合波束的效率。例如，波束组合器可以用在雷达或电讯发射系统中，在雷达或电讯发射系统中需要紧密堆积的波束。在发射系统中，馈电喇叭位于聚焦区域外部，但是叶片、反射镜和透镜将波束从馈电喇叭重定向至聚焦区域以供天线系统发射，从而使得与馈电喇叭位于聚焦区域中的情况相比可以产生更加紧密堆积的波束。根据发射天线中反射器的布置，聚焦区域将与单个反射器的焦点或者与子反射器的焦点相对应。

发射天线的部件的布置可以与参考图1至图12针对接收天线而描述的部件的布置相同，但是辐射的方向当然与以上图中所述的相反。例如，参考图2，波束由馈电喇叭6a至6f产生，被透镜11b、11d、11e、11h、11i和11j聚焦，并被叶片10a至10j连续地组合，以形成由紧密堆积的波束组成的集合。然后参考图1，子反射器3朝着主反射器2并且远离天线系统1反射波束集合。

尽管已经描述了本发明的特定示例，然而本发明的范围由所附权利要求限定而不是局限于这些示例。本领域普通技术人员应理解，可以以其他方式实现本发明。

例如，尽管已经将波束切割器的一些部件标记为反射镜，而将其他部件标记为叶片，但是应该理解，可以将叶片用于反射和切割场。因此，可以用叶片代替反射镜，并且可以用反射镜代替仅提供反射功能的叶片。此外，在波束切割器中使用的叶片的个数依赖于应用。在一些实施例中，使用单个叶片，而在其他实施例中使用多个叶片。

此外，尽管已经将波束切割器描述为切割天线系统的近场，然而应该理解，由波束切割器来切割的电磁场不局限于天线的近场。波束切割器可以用于切割任何电磁场。电磁场可以位于系统中某一部件的远场中，那么波束切割器可以用于分割该部件的远场。此外，尽管已经将图1的天线系统描述为具有主反射器和子反射器的特定布置，其中主反射器和子发射体用于接收入射辐射或者发射出射辐射，然而天线系统可以具有任意合适的反射器布置。

Claims (20)

1.一种用于天线系统的设备，包括：

一个或多个叶片，用于将天线接收到的电磁场分割成与分离的波束相对应的多个部分，并且将所述多个部分重定向以供多个检测器检测，其中所述一个或多个叶片中的至少一个叶片包括在边缘处相交的第一和第二表面，其中至少一个叶片的边缘被布置为通过将场的入射到第一表面上的至少第一部分沿着第一方向重定向，并将场的入射到第二表面上的至少第二部分沿着与第一方向不同的第二方向重定向，来分割场。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个叶片中的每一个根据场的部分在该叶片上的入射点，沿着一定方向来重定向场的部分。

3.根据权利要求1所述的设备，包括：多个叶片，用于将场分割成逐渐越来越小的部分。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个叶片中的至少一个包括棱镜叶片。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个叶片中的至少一个包括反射叶片。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述反射叶片包括成角度接合的两个反射表面。

7.根据权利要求6所述的设备，包括至少两个叶片，所述至少两个叶片中的第一叶片包括所述两个反射表面，所述两个反射表面中的一个表面被布置为将场的入射到该表面上的多个部分重定向到所述至少两个叶片中的第二叶片，并且被定形为使场的所述多个部分畸变，以允许所述至少两个叶片中的其他叶片更有效地切割场的所述多个部分。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述两个反射表面被定形为拉伸与场的入射到所述两个反射表面上的部分相对应的波束的横截面。

9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述两个反射表面中每一个被定形为将场的所述多个部分中的部分朝着相应检测器而聚焦；或者所述设备包括至少两个叶片，叶片之一包括所述两个反射表面，所述两个反射表面中的一个表面被定形为将场的所述多个部分之一朝着所述至少两个叶片中的其他叶片而聚焦。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括：预失真反射镜，用于将场的所述多个部分反射到所述一个或多个叶片上，所述预失真反射镜配置用于拉伸与场的所述多个部分相对应的波束的横截面，以允许分离紧密堆积的波束。

11.根据权利要求1所述的设备，还包括用于将场的所述多个部分中的至少一个部分聚焦到检测器上的装置；或者其中所述设备包括至少两个叶片，并且所述设备还包括用于将场的所述多个部分之一从叶片之一聚焦到所述至少两个叶片中的其他叶片上的装置。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，用于对场的所述多个部分进行聚焦的装置配置用于将场的所述多个部分重新定形成圆形波束。

13.根据权利要求11所述的设备，其中，用于对场的所述多个部分进行聚焦的装置包括反射镜和透镜中的至少一个。

14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述一个或多个叶片包括多个金属反射叶片，用于聚焦的装置包括多个金属反射镜，所述多个反射叶片和反射镜是从单块金属切割而成的。

15.一种器件，包括多个层，每一层均包括根据任一前述权利要求所述的设备和用于接收辐射的孔径，所述器件还包括用于基于辐射波束的至少一个参数来划分入射辐射波束并通过所述孔径将所划分的辐射波束重定向至分离的层的装置。

16.根据权利要求15所述的器件，其中用于划分入射辐射波束的装置包括分割器，用于基于辐射频率的偏振来分割辐射波束。

17.一种天线系统，包括权利要求1到14中任一项所述的设备、以及多个馈电喇叭，所述馈电喇叭用于接收场的重定向且重新聚焦后的部分。

18.一种天线系统，包括：

多个馈电喇叭，用于产生多个波束；以及

多个元件，用于将所述波束重定向至所述天线系统的聚焦区域，以便形成紧密堆积的波束组以供天线系统发射，所述多个元件中包括具有第一表面和第二表面的元件，所述第一表面用于重定向所述多个波束中从第一方向接收的至少一个波束，所述第二表面用于重定向所述多个波束中从第二方向接收的至少另一个波束，其中第一和第二表面在边缘处相交。

19.根据权利要求18所述的天线系统，其中，所述多个元件包括配置用于对多个入射波束进行反射或折射以产生相邻波束集合的元件，所述天线系统还包括聚焦元件，所述聚焦元件用于将相邻波束的集合聚焦到所述多个元件中的另一个元件上。

20.根据权利要求18或19所述的天线系统，其中，所述多个元件包括多个反射叶片或棱镜叶片。

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