CN102544752A - 使用具有嵌套互补网孔的两个斑点网格的天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线系统，该天线系统可以使用具有嵌套网孔的两个斑点网格来覆盖地理区域，并且将一个斑点网格相对于另一个斑点网格进行移动。该多波束天线系统覆盖分解为多个斑点的地理区域，该系统包括天线，每个天线包括能够接收和/或发射无线电信号的辐射元件阵列，这些天线被配置以在接收和/或发射时使用两个斑点网格来覆盖所述区域，由第一天线产生的第一网格的多个斑点(401)根据第一几何图案来定位，以使存在位于与多个相邻斑点基本上等距的位置处的点，由第二天线产生的第二网格的多个斑点(402)根据第二几何图案来定位，通过这种方式，第二网格的多个斑点以所述点为中心，第二几何图案是根据第一几何图案来选择的。本发明尤其应用于多波束电信卫星，特别是产生大量波束以覆盖给定地区所需的那些卫星。

Description

使用具有嵌套互补网孔的两个斑点网格的天线系统

技术领域

本发明涉及一种能够使用具有嵌套网孔的两个斑点网格来覆盖地理区域的天线系统，并且该天线系统将一个斑点网格相对于另一个斑点网格进行移动以相互补充。该天线系统尤其应用于多波束电信卫星，特别是产生大量波束以覆盖给定地区所需的那些卫星。

背景技术

降低数据传输成本的需求需要增加的卫星容量。同理，用于服务多媒体类型的应用的增加的用户吞吐量需要越来越大的带宽消耗。

卫星通信系统的进步已经通过提供高吞吐量的服务对这些需求中的一些做出响应，尤其是对与因特网相关的应用。这些系统通常产生几十个波束来覆盖所关注的较宽的地理区域，例如大陆。此后，新的卫星系统正在被设计以提供具有大于100Gb/s的吞吐量的容量，因此，该系统具有诸如100以上等的更高数量的波束。这些具有大量波束的新系统的结果是：使用更小的基本斑点来对服务区域进行采样并且在卫星上需要在反射面的尺寸方面越来越大的天线。因此，对于针对短期水平研制的并且工作在20-GHz频带内的卫星，反射面的尺寸在1.7m至2.6m之间；对于中期需求，预期的尺寸处于3m至4m之间，而将针对长期需求研制的反射面的直径应当超过5m。

此外，天线系统是根据“一个馈源、一个波束”类型的结构来构造的，也就是说，将斑点与源(源也可以由术语辐射元件来描述)进行关联的结构，这使得以相当简单的方式来配置卫星的有效载荷成为可能。天线系统设计中的重要参数是所使用的源的尺寸。通常，以获得满意的天线效率的方式来规定后者的尺寸。因此，通常对源的尺寸进行规定以使反射面边缘上的照射相对于反射面中心处的照射处于-7dB和-15dB之间。此后，这些源被并排地安装在焦平面中。通过这种配置，第二源旁边的第一源将产生远离由第二源产生的斑点的斑点，使得单个天线的波束将仅以非连续的方式照射该地理区域。因此，为了塞住(plug)轴上的孔，第二天线是必须的，并且为了使用一组波束来充分完成覆盖从而确保与针对服务质量所需的EIRP(“等效全向辐射功率”)和G/T水平的联系，根据网孔，设想第三或者甚至第四个天线。

因此，考虑到这些限制，传统的结构依靠四个天线，其中每个天线都工作在发射/接收(RX/TX)模式。实际上，考虑到飞行器发射器上的有限的空间，非常难以实现具有八个天线的结构，这八个天线包括四个处于发射模式(TX)的天线和四个处于接收模式(RX)的天线。

这种使用四个天线以混合的RX/TX模式进行操作的方式包括几个缺点。首先，天线系统被迫工作在不同的且变宽的频带上。例如，在Ka频带中，在20-GHz频带中进行发射并且在30-GHz频带中进行接收。天线必须提供在诸如斑点的尺寸、斑点的空间选择性(即衰减(roll-off))、带宽的150％上的C/I水平等的一组参数方面的折中，其中，比值C/I是有用信号C与由相邻斑点产生的干扰信号I之比。此外，该结构使用了具有宽带源的复杂的主源块以及复杂且昂贵的频率和极化提取器。此外，如果传输模式是高功率的，则发射模式与接收模式之间的滤波可以证明是关键的。最后，卫星上的安装导致双重的反射面部署。针对这些反射面的放置(storage)限制导致机械性质与发射器的结构的相互影响，使得反射面的几何结构的、具有较大或较小的幅度的水平(level)处的不可避免的截断发生，如图1所示，其中反射面101、102、103、104在两侧上被截断。因此，具有四个处于RX/TX模式的反射面的结构在每个天线跳处引起覆盖范围(基本上椭圆形的覆盖范围)的90°的旋转、由于侧叶或旁瓣的提高引起的不可接受的C/I水平以及反射面的可用范围中的、在可达到的最大方向性方面可能高达1dB或者甚至1.5dB的减小。所有这些因素都会降低天线系统的容量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够接收和发射无线电信号的多波束天线系统，该多波束天线系统的结构具有“一个馈源、一个波束”的类型，并且使得减小产生覆盖范围所需的天线的数量成为可能，或者本发明的目的是能够提供一种没有关于前面提到的具有截断反射面的配置的装配问题。为此，本发明的主题是一种用于覆盖被分解成多个斑点的地理区域的多波束天线系统，该系统包括用于接收和/或用于发射的两个天线，其特征在于，这些天线被配置为使用两个斑点网格来覆盖所述区域，由第一天线产生的第一网格的多个斑点是根据第一几何图案来定位的，以使存在位于与多个相邻斑点基本上等距的位置处的点。由第二天线产生的第二网格的多个斑点是根据第二几何图案来定位的，通过这种方式，第二网格的多个斑点基本上以所述点为中心，其中，第二几何图案是根据第一几何图案来选择的。

根据基于本发明的多波束天线系统的一个实施例，由第一个天线产生的第一网格的多个斑点沿着两个基本上正交的轴被对齐，使得存在位于与四个相邻的斑点的中心基本上等距的位置处的点，由第二个天线产生的第二网格的多个斑点以所述点为中心。最佳的配置是通过使斑点完全对齐来获得的，以使由网格中的每一个形成的网孔是理想的正方形。然而，仍然可以通过与该最佳情况不同地、通过稍微移动斑点以使这些轴不再严格正交来获得正确的性能。

第一网格的斑点的大小和第二网格的斑点的大小可以基本相同，第二网格中的至少两个斑点的中心例如被定位在与第一网格相距基本上等于斑点直径除以2的平方根的位置处。

根据另一个实施例，第二网格的斑点的半径至少等于第一网格的斑点的半径的两倍，第二网格的至少两个斑点的中心被定位在第一网格的斑点的中心的重心的水平处。

根据基于本发明的多波束天线系统的一个实施例，由第一天线产生的第一网格的多个斑点沿着两个非正交轴被对齐，使得存在其中心形成平行四边形的相邻斑点，由第二天线产生的第二网格的多个斑点以所述平行四边形的中心为中心。根据特殊的实施例，该平行四边形是菱形。

根据基于本发明的多波束天线系统的一个实施例，至少一个天线被规定大小以使波束由单个辐射元件产生，并且对于给定的反射面尺寸，辐射元件的尺寸被选择为小于导致天线的最大效率的最佳尺寸，所述尺寸被选择以使由反射面溢出引起的能量损失大于使用所述最佳尺寸所获得的能量损失，所述系统包括至少两个相邻的辐射元件，该元件的所述尺寸被选择为使得与所述阵列的第二辐射元件相邻的第一辐射元件可以产生与由第二辐射元件产生的斑点相邻的斑点。该天线系统称为处于“溢出模式”；其使得更容易地产生连续的斑点网格并且因此更容易地实现双重网格成为可能，特别是在高密度斑点的情况下。

根据基于本发明的多波束天线系统的一个实施例，源的尺寸是使得反射面的边缘上的照射水平相对于反射面上获得的最大照射的比值处于值-2dB和值-4dB之间。

根据基于本发明的多波束天线系统的一个实施例，该系统包括两对天线，所述第一对天线中的天线只能在接收时工作，而第二对天线中的天线只能在发射时工作，每对天线中的第一天线被配置为根据第一斑点网格覆盖该地理区域，每对天线中的第二天线被配置为根据第二斑点网格覆盖所述的地理区域。

第一对天线中的天线可以适合于工作在诸如30GHz附近的几百MHz之类的第一频带，第二对天线中的天线可以适合于工作在诸如20GHz附近的几百MHz之类的不同于第一频带的第二频带，基本上以与第一频带和第二频带的频率比值成比例地对第二对天线中的天线的反射面和源规定大小，通过这种方式，对于每一个斑点网格，由第一天线产生的斑点基本上重叠在由第二天线产生的斑点上。

前面提到的示例工作在Ka-频带，但是本发明应用于其它频带，例如Ku-频带和C-频带。

根据另一个实施例，系统包括两个天线，其中每一个天线能够在接收和发射时工作，第一天线被配置为根据第一斑点网格覆盖地理区域，第二天线被配置为根据第二斑点网格覆盖地理区域。

有利的是，辐射元件的孔径可以是正方形的，例如具有正方形横截面的喇叭天线，所述辐射元件被对齐和放置使得其边缘相互平行。

本发明还涉及一种包括诸如上述天线系统之类的天线系统的卫星。

本发明还涉及一种包括至少两个不同的卫星的卫星通信系统，第一个卫星包括诸如上述天线系统之类的天线系统的第一天线，第二卫星包括诸如上述天线系统之类的天线系统的第二天线。

附图说明

当阅读了以下通过举例说明的方式给出的、与附图有关的非限制性详细描述以后，其它特征将变得显而易见的，其中，所述附图表示：

图1是表示根据现有技术的、包括能够在发射和接收时工作的四个反射面的天线系统的示意图；已经在上文中对该图进行了介绍；

图2a、2b、2c是用于对网格的斑点进行定位的网孔的示例；

图3a是使用根据本发明的系统获得的第一斑点网格的示例；

图3b是与图3a中表示的第一网格互补的第二斑点网格的示例；

图3c是通过将图3a中的第一网格和图3b中的第二网格相结合获得的、根据本发明的双重的系统斑点网格的示例；

图4a是使用根据本发明的系统获得的第一斑点网格的第二示例；

图4b是与图4a中表示的第一网格互补的第二斑点网格的第二示例；

图4c是通过将图4a中的第一网格和图4b中的第二网格相结合获得的、根据本发明的双重的系统斑点网格的第二示例；

图5是表示根据本发明的天线系统的第一实施例的示意图；

图6是表示根据本发明的天线系统的第二实施例的示意图；

图7是表示具有矩形网孔的双重的源网格的示意图，其中，两个网格中的一个网格相对于另一个网格沿着两个正交轴移动了斑点的一半的距离；

图8是表示具有正方形网孔的双重的源网格的示意图，其中，两个网格中的一个网格相对于另一个网格沿着两个正交轴移动了斑点的一半的距离；

图9是表示具有三角形网孔的双重的源网格的第一示例的示意图；

图10是表示具有三角形网孔的双重的源网格的第二示例的示意图。

具体实施方式

作为序言，在本文中定义了在下文中使用的一些术语。

“天线”被理解为是指由主反射面组成的装备，其大小由本领域技术人员根据这样的标准来规定，即，该标准与根据服务覆盖范围所产生的波束有关并且可能与一个或多个副反射面以及一组源相关联，这些源的辐射图像经由这组反射面产生波束网格从而确保服务区域的全部或一部分重叠。

“网孔”被理解为是指描述网格的波束的位置的几何图案，或更准确地说，通过将波束产生的斑点的中心进行连接所建立的图案。波束网格具有部分或完全规则的几何结构。当构造天线时，与网格相关联的波束的网孔以物理的方式固定焦点阵列的源的位置。

如图2a、2b、2c所示，可以使用几种类型的网孔：六边形、正方形、矩形、圆形以及其它网孔。在图2a、2b、2c中，斑点200是由具有16条边的多边形表示的。图2a表示等边六边形网孔，针对这种等边六边形网孔，可以例如使用具有圆形或六边形孔径的喇叭天线。图2b表示正方形网孔，针对这种正方形网孔，可以尤其使用具有正方形或圆形孔径的喇叭天线。图2c表示矩形网孔，针对这种矩形网孔，可以例如使用具有锥形、正方形或矩形的孔径的喇叭天线。应当注意的是，对于给定的焦点阵列，并不是焦点阵列的所有源都需要严格遵从规则的网孔。

“完整网格”被理解为是指确保整个服务覆盖范围的网格。根据本发明，两个天线产生完整网格。根据被设想用于产生波束的网孔的类型，天线使用具有某一尺寸的波束产生第一网格，所述某一尺寸确保服务的覆盖范围的部分重叠。由第二天线产生的并且其波束的尺寸可以与第一网格的波束的尺寸不同的第二网格被定位为重叠在第一网格上以产生对服务区域的完全覆盖。第二网格在几何图案上相对于第一网格被移动，以填充第一网格的性能上的间隙。该移动取决于第一网格的性质，并且第二网格被定位以获得两个天线的总体上最佳的性能。

图3a给出了使用根据本发明的系统获得的第一斑点网格的示例。第一斑点网格包括沿着两个正交轴对齐的一组相邻斑点，通过这种方式，四个相邻斑点的中心点311、312、313、314形成正方形，如该图中所示。因此，通过根据正方形网孔分布的斑点，第一网格对该覆盖范围进行采样，在该示例中法国本土地区，其中，网孔是连接相邻斑点的中心的几何图案。

使用单个天线产生的、具有正方形网孔的单个网格的使用相对于在具有传统三角形网孔的模型上形成的网格降低了先验性能，这主要是因为这样的事实，即具有最小方向性的点是四重点350而不是三重点。此外，四重点的方向上的衰减不会使得维持容量或针对用户的可用性的目标成为可能。如接下来所解释的，这个问题可以通过使用第二斑点网格被解决。

图3b给出了与图3a中表示的第一网格互补的第二斑点网格的示例。第二斑点网格是根据具有与第一网格的大小相同的大小(沿着两个轴的间距)的正方形网孔形成的，但是沿着这两个相同的轴移动了半个斑点。因此，其包括与第一网格的斑点的密度相等的斑点的密度，但是相对于第一网格被移动以使属于第二网格的斑点的中心350基本上位于与第一网格的斑点的中心311、313、313、314相距最远的点处，也就是说，在具有第一网格的四个相邻斑点的四重交叉点的区域的水平处。

图3c给出了使用根据本发明的系统、通过将图3a中第一网格和图3b中的第二网格相结合获得的双重的斑点网格的示例。两个斑点网格被嵌套，也就是说，第一网格的斑点部分地重叠在第二网格的斑点上，并且第二网格的斑点部分地重叠在第一网格的斑点上。此外，第二网格相对于第一网格沿着两个轴中的每一个轴并且根据基本上等于斑点宽度的一半的距离被移动。因此，通过具有相同间距的第二网格在第一网格的四重点的水平处对具有正方形网孔的第一网格进行补充，但是第一网格被移动，以使一个网格的具有最大方向性的点位于另一个网格的具有最小方向性的点处。

可以相对于填充，根据三角形或六边形网孔来对用于对结构规定大小的规则进行调整。因此，设计的修正必须在粒度水平处完成，这是因为针对(由正方形得到的)等边或等腰三角形网孔的斑点的交叉波束距离并不相同。因此，要被调整的第一个参数是反射面的最佳尺寸，该尺寸的选择是相对于最坏情况下的性能点(其证明是二重点而不是三重点)来进行的；因此，衰减是从这个角度来选择的并且因此导致最合适的直径。接下来，比值F/D(焦距/直径)的选择是在考虑在偏视轴模式下的性能目标以及所需的C/I值的同时进行的。在图3c的示例中，显而易见的是，可以使用具有17个波束的第一网格和具有15个波束的第二网格来覆盖法国本土地区，同时遵从0.25°的波束粒度。

具有正方形网孔的双重网格的使用尤其包括以下优点，即，其提供了实现诸如如图5所示的正方形的锥形喇叭天线等的正方形的源的可能性。与波束的正方形网孔相关联的这些源导致对要覆盖的地区的更好的采样效率；其使得与在三角形或六边形网孔的情况下使用圆形或环形喇叭天线相比，在正方形的情况下获得比值4/π的方向性增益成为可能。此外，双重网格使得在关于覆盖范围的最坏情况下获得改进的性能成为可能，这是因为方向性最弱的点是两个正方形网孔波束之间的交叉点，而不是在传统的六边形或三角形网孔情况下的三个波束之间的交叉点。方向性的增益与基于波束的最大方向性的最弱衰减有关。

图4a给出了使用根据本发明的系统获得的第一斑点网格的第二示例。与图3a类似地，第一斑点网格包括沿着两个正交轴对齐的一组相邻的斑点401。

图4b给出了与图4a中表示的第一网格互补的第二斑点网格的第二示例。第二网格的斑点402是由图4b中的虚线表示的。与第一示例相比，这些斑点具有与图4a的第一网格的斑点的大小不同的大小。

图4c表示通过将图4a中的第一网格和图4b中的第二网格相结合获得的根据本发明的双重的系统斑点网格的第二示例。

可以通过使用针对两个网格中的每一个网格的天线来产生借助于两个嵌套的且移动的正方形网孔网格对地区的覆盖范围。然后，系统的、适用于产生这种双重网格从而确保信号的接收和发射的两种结构被明显地区分：

·第一结构，其具有四个天线，其中在接收时工作的第一天线产生第一斑点网格，在接收时工作的第二天线产生第二斑点网格，第三天线在发射时工作并且产生第一斑点网格，第四天线产生第二斑点网格；

·第二结构，其中两个天线中的每一个天线在发射和接收时工作，第一天线产生第一网格，第二天线产生第二网格。

结果表明，在射频性能和体积方面，这些结构相对于传统的结构是有利的。

图5示出了实现前面提到的第一结构的、根据本发明的天线系统的第一实施例的示意图。通过圆盘、以示意性的方式来表示该系统的部署的反射面，其中，中央的正方形表示卫星的地球表面以及该地球表面上的两个圆，其标记了具有贡献链接的天线的位置，从而确保与地面通信服务的业务站点的连接。

需要优选地处于溢出模式的两个天线来产生完整的斑点网格。每对天线在其频带上被调节并被规定大小。在该示例中，专用于发射模式的两个天线具有反射面501、502，反射面501、502的直径为3900mm，并且在接收时工作的两个天线中的每一个天线具有反射面503、504，反射面503、504的大小是按与频率比值成比例地选择的(在该示例中，该比值等于20GHz/30GHz，因此工作在30GHz的反射面的直径为2600mm)。

在发射和接收模式中，斑点是相同的并且重叠的。与具有处于混合RX/TX模式中的四个天线的传统结构相比，该结构不会遭受反射面的截断效应，这是因为最大的反射面被放置在尽量接近于外壳的卫星侧上或者被放置在地球表面模式中。在该示例中针对接收模式(在30GHz)更小的反射面被单独地放置在卫星侧上或者被放置发射模式(在20GHz)的反射面后面的第二排中。

在现有技术的系统中，给四个天线提供了反射面，这些反射面的大小基本上是相同的，并且在每种情况下都是通过在RX模式和TX模式之间进行折中产生的。在根据本发明的系统中，使得在接收时产生双重网格的天线对比用于发射的天线对的更小。因此，直接通过使用具有正方形网孔的双重网格产生的该硬件配置使得通过避免反射面截断消除现有技术中遇到的装配问题成为可能。

第一结构尤其包括以下优点：

·在单个接收或发射频带中规定大小，从而避免如混合RX/TX模式的传统情况下对天线系统的参数化进行折中；即，在接收或发射时的两个源块中的每一个源块在其单个频带中被规定大小，并且不需要被设计成在带宽的150％上实现折中；

·源的结构的简化，源的设计被限制于射频端口、极化器(如果需要的话)以及辐射元件；由于不存在传统结构中所需的分频器，因此源块不太复杂；

·发射块和接收块的分离也简化了与功率控制相关的有疑问的问题，尤其是关于PIMP(无源互调产物)的问题；

·与发射相关的斑点(对应于一致的概念)和与接收相关的斑点的理想叠加，当天线系统的设计参数是以频率相似(frequency homothetic)的方式进行选择时(也即是说，在以20GHz进行发射和以30GHz进行接收的情况下，比值为2/3)，从而避免与椭圆形覆盖范围相关的并且在传统结构中遇到的问题。

·此外，最小性能的区域位于处于二重点而非三重点上的斑点的连接点的水平处，因而在衰减参数方面并且因此在主源的设计方面提供了更好的灵活性，从而在覆盖范围方面提供了方向性水平的更好的一致性。该灵活性在覆盖范围方面实现了提高的方向性，并且使得超高吞吐量容量的系统的安装更容易。

·将正方形喇叭天线用作焦点阵列中的采样器的可能性，这允许10*log(4/pi)的方向性增益，并且还允许调节方面的宽容度，其在六边形网孔的情况下可能未被设想：源的局部滑动以优化与服务覆盖范围有关的斑点的可能性；即，源可以相对于最初对齐被略微移动，以覆盖偏心的区域。

举例说明，通过选择以下参数来获得令人满意的配置：在法国本土上的0.25°的波束粒度、在-3dB附近的溢出模式、针对20GHz的基本上等于3.9m的反射面尺寸，借助于32个波束、针对法国本土和科西嘉的覆盖范围，该反射面尺寸导致在二重点处的约-4dB的衰减，并且在最坏的情况下(也即是说，在斑点的连接点的水平处)的约52dBi的方向性。

在上面提到的示例中，第一结构使得在没有截断效应的情况下在方向性方面获得与具有处于混合模式的四个天线的传统配置所获得的性能相同的性能-并且比在传统配置中允许截断所获得的性能超出接近1dB-同时受益于上面提到的简化以及卫星上的更易装配。改进的装配展示了以下可能性：增加反射面的直径，以通过增加更小的波束的数量或者通过改进方向性的性能，来使卫星的容量最大化。例如，可以设想直径为3500至3900mm的反射面以用于发射，并且可以设想直径为2100至2600mm的反射面以用于接收功能。

图6示出了实现上面提到的第二结构的、根据本发明的天线系统的第二实施例的示意图。该第二结构仅实现两个天线，其中每一个天线均处于混合RX/TX模式。在该附图中，这两个天线的反射面601、602是通过圆盘来表示的。

根据针对具有四个RX/TX天线的传统结构的相同类型的约束来选择参数，即有利于发射模式或接收模式、维持衰减水平、维持C/I水平和偏视轴水平。但是，由该第二结构提供的巨大优势是提供仅包括两个天线的系统的能力，该系统相对于具有处于混合RX/TX模式的四个天线的现有技术配置具有较低的方向性损失。由于在发射模式和接收模式之间进行折中，因此我们将具有在发射和接收之间的两个不同的工作模式，其中，发射处于根据溢出模式来组织的最低频率处，接收将根据“高斯”模式来实现，也即是说，接近于最佳的理论照射。在分离的RX和TX模式(也即是说，源块产生整个网格波束)中的纯溢出模式导致与上面提到的具有处于RX/TX模式的四个天线的类型的结构相比，在方向性方面具有约三个各向同性的分贝的性能差别。借助于两个嵌套的网格产生覆盖范围使得至少部分地补偿由于溢出模式引起的方向性损失成为可能，一方面，这是因为在正方形网孔上对衰减的管理，另一方面，这是因为最坏情况的点是二重点而不是三重点或四重点。

此外，根据该第二结构，反射面可以是相同的，并且仅存在两个源块。因此，宽的多斑点类型的任务可以被设置在处于双重的反射面部署模式中的卫星的仅一侧上(在侧面或者地球表面上)，从而针对例如Ku-频带中、C-频带中或者S-频带中的另一个任务释放卫星的另一部分。

因此，至少借助于由两个天线释放的空间，第二结构可以是有利的，例如，对于期望以更少的成本提供高吞吐量服务的通信运营商或者对于期望多任务卫星的运营商。举例说明，两个Rx/Tx天线模式中的令人满意的配置是通过选择以下参数获得的：在法国本土上的0.235°的波束粒度、发射时在-3.4dB附近的溢出模式、接收时在-8dB附近的高斯模式、基本上等于3.9m的反射面尺寸，借助于20GHz处的36个波束，对于包括科西嘉的法国本土的覆盖范围，反射面尺寸导致在双倍点处约-3dB的衰减、在最坏情况(也即是说，在斑点的连接点的水平处)下约52dBi的方向性，并且仍然通过36个波束并且针对法国本土(包括科西嘉)的覆盖范围，该相同的反射面导致在双倍点处约-6dB的衰减以及在最坏情况下约54dBi的方向性。

有利的是，在天线中的每一个包括能够接收和/或发射无线电信号的辐射元件阵列并且每个天线被面向反射面放置的情况下，波束是由单个辐射元件产生的，针对给定的反射面尺寸，天线的辐射元件的尺寸被选择为小于导致天线的最大效率的最佳尺寸，所述尺寸被选择以使由于反射面的溢出引起的能量损失大于使用所述最佳尺寸获得的能量损失，所述系统包括至少两个相邻的辐射元件，所述元件的所述尺寸被选择为使得与辐射元件阵列的第二辐射元件相邻的第一辐射元件可以产生与由第二辐射元件产生的斑点相邻的斑点。

具有溢出的天线配置和具有传统标示尺寸的天线配置之间引起的直径的减小是基本上等于2的因子。传统源在反射面边缘上提供了相对于反射面被照射达到最大值的点的约-12dB的照射，而根据该技术的具有限制尺寸的源在附近提供了相对于反射面被照射达到最大值的点的-3dB的照射。因此，可以在根据本发明的天线系统的反射面的边缘上进行照射以达到相对于反射面的照射的最大水平优选地处于-2dB和-4dB之间的水平。

该技术被称为“溢出”，这是因为与传统尺寸相比更小的源的选择导致由于溢出引起的更大的损失以及效率小于50％的天线，这先验地看起来好像是一种奇特的选择。然而，导致由于溢出引起的更高损失的这个选择使得在具有有限数量的天线的同时使用要覆盖的区域上的一连串斑点设计天线系统成为可能。因此，天线效率的牺牲使得减小无线电源的尺寸以缩小波束从而能够使用单个天线来填充斑点网格成为可能。

此外，根据本发明的系统可以实现该溢出技术以产生具有正方形网孔的双重网格的网格中的每一个。补偿技术(即，一方面，由正方形网孔的双重网格实现覆盖范围，另一方面，溢出技术)的组合使得产生其性能至少与使用传统结构所获得的性能一样好的天线系统成为可能。实际上，溢出技术使得更容易地产生包括相邻斑点的网格成为可能，并且借助于使用双重网格获得的优点补偿了由于溢出引起的效率损失，这些技术优点尤其是：

·位于交叉斑点的二重点上的最坏情况点的方向性；

·由于与网孔相关的距离的增加引起的令人满意的C/I值；

·增强的方向性，其是通过根据正方形网孔产生斑点的正方形源的运送(carriage)的可能性实现的：采样器对其在焦平面中的位置的适应，以及更好地填充能量捕获区域。

此外，应当注意的是，双重网格操作允许在天线系统的参数的管理方面更大的灵活性。其根据二重点上的衰减，尤其在源的尺寸及其间距方面提供了一些宽容度，并且还在溢出模式的管理方面提供了一些宽容度，其中，在图案斜率和快速变化方面，二重点没有三重点严重。

根据另一个实施例，第一网格是借助于安装在第一卫星上的第一天线产生的，第二网格是通过安装在第二卫星上的第二天线产生的，两个卫星互相补充以覆盖给定的地理区域。

根据另一个实施例，天线系统仅在接收时或者仅在发射时工作。在这种情况下，可以使用具有两个天线的结构，其中第一天线仅在发射时或者仅在接收时产生第一网格，第二天线仅在发射时或者仅在接收时产生第二网格。

如图7和8的示意图所示，矩形形状的源(图7)或正方形形状的源(图8)可以用于优化要覆盖的地区的采样。在该附图中，与第一网格相关联的源通过实线来表示，而第二网格的源通过虚线来表示。

图9和10表示具有三角形网孔的双重的源网格的示例。根据图9中所示的第一示例，通过虚线表示的第二网格的斑点902位于第一网格的三重点上，也即是说，其中心中的每一个中心均位于连接第一网格中的、通过实线表示的斑点901的三个中心的等边三角形的中心处。根据图10所示的第二个示例，第二网格的斑点1002位于第一网格的二重点上；即，第二网格的斑点的中心1002位于连接第一网格中的斑点1001的两个中心的线段的中点处。

根据本发明的天线结构的优点在于其允许通过使安装在第一卫星上的第一天线开始操作，接下来通过使安装在第二卫星上的第二天线开始操作，逐渐引入了基于卫星的数据广播服务。第一天线的实施已经使得在避免完全未覆盖的区域的同时覆盖该地区成为可能。

例如提供正方形网孔的第一卫星上的第一天线可以开始地理区域上的服务。正方形网孔的精确定位可能已经以覆盖所述地区上的某一数量的城镇或区域为目标。因此，卫星运营商可以以较低的成本开始部署新的广播服务。然后，根据其市场突破，其能够通过使用第二卫星上的第二天线来补充完整网格，这确保了在服务区域方面的补充。同样由于这样的事实，即，其可能嵌套不同尺寸的网格，因此在该水平上还可设想多个补充方法。举例说明，可以在四重点处显示孔的同时使用第一天线来提供某一服务。然而，具有更小尺寸的第二天线(因此提供更少的吞吐量)可以被提供以“塞住”先前网格的孔并且因此覆盖完整区域。当然，针对相同的性能，在第二卫星上的、与第一天线相同的第二天线的添加也允许实现该功能。

根据本发明的天线系统的其它优点尤其是：更容易装配卫星、在侧面放置天线的情况下不存在反射面的截断、使用非常大的反射面直径的能力、使用诸如在正方形网孔的情况下的正方形喇叭天线等的适合于其网孔的高效源的可能性。因此，这在具有由反射面聚焦的能量的焦平面上产生了最有效且相关的采样。

Claims (13)

1.一种用于覆盖被分解为多个斑点的地理区域的多波束天线系统，所述系统包括用于接收和/或用于发射的两个天线(501、503、502、504、601、602)，其特征在于：

所述天线被配置为使用两个斑点网格来覆盖所述区域，每个天线包括多个辐射元件，每个辐射元件产生斑点，所述辐射元件被排列成使得由第一天线(501、503、601)产生的所述第一网格的多个斑点沿着两个基本正交的轴对齐，从而使得存在位于与四个相邻斑点的中心基本上等距的位置处的点，由所述第二天线(502、504、602)产生的所述第二网格的多个斑点以所述点为中心。

2.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述第一网格的斑点的大小与所述第二网格的斑点的大小基本上相同。

3.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，所述第二网格的斑点(402)的半径至少等于所述第一网格的斑点(401)的半径的两倍。

4.根据权利要求1所述的多波束天线系统，其中，由所述第一天线产生的所述第一网格的多个斑点沿着两个非正交的轴对齐，使得存在其中心形成平行四边形的相邻斑点，由第二天线产生的所述第二网格的多个斑点以所述平行四边形的中心为中心。

5.根据权利要求4所述的多波束天线系统，其中，所述平行四边形是菱形。

6.根据前面权利要求中的任意一项所述的多波束天线系统，其中，至少一个天线被规定大小以使波束由单个辐射元件产生，并且针对给定的发射面尺寸，所述辐射元件的尺寸被选择为小于导致所述天线的最大效率的最佳尺寸，所述尺寸被选择成使得由所述反射面的溢出引起的能量损失大于使用所述最佳尺寸获得的能量损失，所述系统包括至少两个相邻的辐射元件，所述元件的所述尺寸被选择成使得与所述阵列的第二辐射元件相邻的第一辐射元件能够产生与由所述第二辐射元件产生的斑点相邻的斑点。

7.根据权利要求6所述的多波束天线系统，其中，所述辐射元件的所述尺寸使得所述反射面的边缘上的照射水平相对于所述反射面上获得的最大照射水平的比值处于-2dB和-4dB之间。

8.根据前面权利要求中的任意一项所述的多波束天线系统，所述系统包括两对天线(501、502、503、504)，所述第一对中的天线(503、504)只能在接收时工作，所述第二对中的天线(501、502)只能在发射时工作，每对中的所述第一天线(501、503)被配置为根据所述第一斑点网格来覆盖所述地理区域，每对中的所述第二天线(502、504)被配置为根据所述第二斑点网格来覆盖所述地理区域。

9.根据权利要求8所述的多波束天线系统，其中，所述第一对中的天线(503、504)适合于工作在第一频带，例如，30GHz附近的几百MHz，所述第二对中的天线(501、502)适合于工作在不同于所述第一频带的第二频带，例如，20GHz附近的几百MHz，基本上与所述第一频带和所述第二频带的频率比值成比例地规定所述第二对中的天线的反射面和辐射元件的大小，通过这种方式，对于所述斑点网格中的每一个，由所述第一天线产生的斑点基本上重叠在由所述第二天线产生的斑点上。

10.根据权利要求1至7中的任意一项所述的多波束天线系统，其中，所述系统包括两个天线，每个天线能够在接收和发射时工作，所述第一天线(601)被配置为根据所述第一斑点网格来覆盖所述地理区域，所述第二天线(602)被配置为根据所述第二斑点网格来覆盖所述地理区域。

11.根据前面权利要求中的任意一项所述的多波束天线系统，其中，至少一个天线的所述辐射元件的孔径具有正方形形状，所述辐射元件被对齐和放置以使得所述辐射元件的边缘相互平行。

12.一种卫星，包括根据前面权利要求中的任意一项所述的天线系统。

13.一种卫星通信系统，包括至少两个不同的卫星，所述第一卫星包括根据权利要求1至11中的任意一项所述的天线系统的所述第一天线，第二卫星包括所述天线系统的所述第二天线。

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