CN102570041B

CN102570041B - 无线通信天线装置

Info

Publication number: CN102570041B
Application number: CN201010606493.5A
Authority: CN
Inventors: 黄章修; 赖中民; 蓝逸青
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Current assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: CN102570041A

Abstract

一种无线通信天线装置。无线通信天线装置包含一喇叭天线以及一导波管，该喇叭天线用以发射或接收一极化无线电波信号，该极化无线电波信号具有相互为正交的一第一分量电场以及一第二分量电场；该导波管连接该喇叭天线，并用以传递该极化无线电波信号，其中该导波管的一第一开口中对应该第一分量电场的边长与对应该第二分量电场的边长不同，使得该极化无线电波信号在该导波管内传递时，该第一分量电场与第二分量电场之间具有一相位差。本发明使得极化无线电波传递的相位特性得到改善，并且优化线性与旋波极化转换的性能。

Description

无线通信天线装置

技术领域

本发明涉及一种通信装置，且特别是涉及一种无线通信天线装置。

背景技术

随着电子通信科技的迅速发展，利用无线通信作为信号传递的媒介已经成为主流，运用于无线通信系统的天线更是种类繁多，例如：偶极天线(Dipole Antenna)、单极天线(Monopole Antenna)、微带天线(Microstrip Antenna)、喇叭天线(Horn Antenna)以及碟型天线(Dish Antenna)等等。其中碟型天线因为具有高指向性、高增益等优点，更是广泛地运用于卫星通信系统以及陆地微波传输系统。

在碟型天线系统中，由于考虑到天线的辐射效率，因此喇叭天线(例如：椭圆喇叭天线)可被利用作为碟型天线系统中较佳的馈源天线(Feed Antenna)形式。

实际应用上，在碟型天线系统中还包含一个极化器，此极化器与作为馈源天线的喇叭天线连接。上述极化器可为传统的90度相位差的极化器，其作用为将一线性极化无线电波信号拆解为空间中正交、相位差90度的两个分量而成为旋波极化无线电波信号，亦即，原先为线性极化的无线电波信号通过90度相位差极化器而转换成旋波极化的无线电波信号。同理，此极化器亦可将旋波极化无线电波信号转换成线性极化无线电波信号。

此外，开口横截面为非轴对称的喇叭天线在传输或接收旋波极化无线电波信号时，相互正交的垂直分量电场以及水平分量电场分别具有不同的相位速度，使得垂直分量电场与水平分量电场之间具有相位差。因此在极化器与喇叭天线相互连接并共同操作时，无法得到理想电波传递特性以及优化的线性与旋波极化转换性能。

因此，如何提供一种无线通信天线装置，使其传递或转换极化无线电波信号的性能优化，一直是本领域技术人员勤奋不懈努力的目标。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具有非对称边长和(或)非对称轴长截面开口的导波管，藉以补偿极化无线电波信号在喇叭天线内传递时垂直分量电场与水平分量电场之间的相位差。

因此，本发明内容的一方面是在于提供一种无线通信天线装置，该无线通信天线装置包含一喇叭天线以及一导波管，该喇叭天线用以发射或接收一极化无线电波信号，该极化无线电波信号具有相互为正交的一第一分量电场以及一第二分量电场；该导波管连接该喇叭天线，并用以传递该极化无线电波信号，其中该导波管的一第一开口中对应该第一分量电场的边长与对应该第二分量电场的边长不同，使得该极化无线电波信号在该导波管内传递时，该第一分量电场与该第二分量电场之间具有一相位差。

依据本发明内容的一实施例，其中对应第一分量电场的边长为第一边长以及对应第二分量电场的边长为第二边长。第一边长以及第二边长沿着极化无线电波信号传递的方向递增或是递减。

依据本发明内容的另一实施例，其中导波管具有第一纵长侧面以及与第一纵长侧面邻接的第二纵长侧面。第一纵长侧面与极化无线电波信号传递的方向形成第一夹角，第二纵长侧面与极化无线电波信号传递的方向形成第二夹角。

依据本发明内容的又一实施例，其中导波管的第二开口相同或相异于导波管的第一开口。

依据本发明内容的再一实施例，无线通信天线装置还包含极化器，其与导波管连接，用以提供极化无线电波信号的线性极化与旋波极化之间的转换。

本发明内容的另一方面是在于提供一种无线通信天线装置，该无线通信天线装置包含一喇叭天线以及一导波管，该喇叭天线用以发射或接收一极化无线电波信号，该极化无线电波信号具有相互为正交的一第一分量电场以及一第二分量电场；该导波管连接该喇叭天线，并用以传递该极化无线电波信号，其中该导波管的一第一开口呈一椭圆状，该第一开口中对应该第一分量电场的一长轴的长度与对应该第二分量电场的一短轴的长度不同，使得该极化无线电波信号在该导波管内传递时，该第一分量电场与该第二分量电场之间具有一相位差。

依据本发明内容的一实施例，其中长轴的长度以及短轴的长度沿着极化无线电波信号传递的方向递增或递减。

依据本发明内容的另一实施例，其中导波管具有长轴纵长侧面以及短轴纵长侧面，长轴纵长侧面与极化无线电波信号传递的方向形成第一夹角，短轴纵长侧面与极化无线电波信号传递的方向形成第二夹角。

本发明利用极化无线电波信号在非对称边长和(或)非对称轴长的导波管内传递的相互正交的第一分量电场与第二分量电场之间的相位差，用来补偿极化无线电波信号在喇叭天线内传递的相位差，并且可随着调整导波管的长度而产生任意的相位差，以符合各种不同需求，使得极化无线电波传递的相位特性得到改善，并且优化线性与旋波极化转换的性能。

附图说明

为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1为无线通信天线装置示意图。

图2A为绘示依照本发明一实施例的导波管立体示意图。

图2B为绘示依照本发明一实施例的导波管纵长侧面示意图。

图2C为绘示依照本发明一实施例的导波管纵长侧面示意图。

图3为绘示依照本发明一实施例的导波管立体示意图。

图4A为绘示依照本发明一实施例的导波管立体示意图。

图4B为绘示依照本发明一实施例的导波管纵长侧面示意图。

图4C为绘示依照本发明一实施例的导波管纵长侧面示意图。

图5为绘示依照本发明一实施例的导波管立体示意图。

主要组件符号说明：

100：无线通信天线装置 110：喇叭天线

120：导波管 150：极化器

220：导波管 221：第一开口

222：第二开口 230：第一纵长侧面

231：第一开口的第一边长 232：第二开口的第一边长

240：第二纵长侧面 241：第一开口的第二边长

242：第二开口的第二边长 320：导波管

321：第一开口 322：第二开口

331：第一开口的第一边长 332：第二开口的第一边长

341：第一开口的第二边长 342：第二开口的第二边长

420：导波管 421：第一开口

422：第二开口 430：长轴纵长侧面

431：第一开口的长轴 432：第二开口的长轴

440：短轴纵长侧面 441：第一开口的短轴

442：第二开口的短轴 520：导波管

521：第一开口 522：第二开口

531：第一开口的长轴 532：第二开口的长轴

541：第一开口的短轴 542：第二开口的短轴

具体实施方式

以下将以附图以及详细说明公开本发明的精神，如熟悉此技术的人员在了解本发明的实施例后，应当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。

图1依照本发明的实施例绘示一种无线通信天线装置100。无线通信天线装置100包含喇叭天线110、导波管120以及极化器150，其中喇叭天线110用以发射或接收极化无线电波信号，此极化无线电波信号具有相互为正交的第一分量电场以及第二分量电场。导波管120设置于喇叭天线110与极化器150之间，且导波管120分别与喇叭天线110以及极化器150连接。极化器150用以提供良好的极化无线电波信号的线性极化与旋波极化之间的转换。例如，极化器150将极化无线电波信号由线性极化转换为旋波极化，或是由旋波极化转换为线性极化。当极化无线电波信号在开口为非对称边长和(或)非对称轴长的导波管120内传递时，其第一分量电场与第二分量电场之间会产生相位差，用以补偿极化无线电波信号在喇叭天线内传递时所产生的相位差，使得极化无线电波信号在上述无线通信天线装置100中的传递能够达到理想的相位特性以及优化的线性极化与旋波极化转换性能。本发明实施例中的喇叭天线110并不限定为矩形喇叭天线和(或)椭圆喇叭天线，而且上述喇叭天线110亦非仅限定于碟型天线所使用的馈源天线。极化器150亦非局限于相位差为90度的极化器150。本实施例的示意图仅用于说明喇叭天线110、导波管120以及极化器150之间相互连接的关系，其结构与形状不以此为限。

以下将针对上述极化无线电波信号在导波管120内传递的原理作简要说明。电磁波在不同横截面尺寸的导波管120内传递时，具有不同的相位速度(phase velocity)，如果导波管的横截面为非等边长，电磁波的基本模态(fundamental modes)亦会因此具有不同的相位速度。例如，在矩形导波管中TE_mn模态的相位速度为ω/β，其中ω为角频率(angularfrequency)，

为传播常数(propagation constant)，k为波数(wave number)，

为截止波数(cutoff wave number)，m以及n皆为大于或等于零的正整数，但m以及n两者不同时为零，a以及b为导波管120开口横截面内部相邻的边长。一个横截面内部相邻边长为a以及b的导波管提供了两个基本模态，当a大于b时，上述的基本模态为TE₀₁模态以及TE₁₀模态两种相互正交的传播模态(propagation modes)，其分别具有相异的相位速度。如果在开始的时候，TE₀₁模态以及TE₁₀模态具有相同的相位差

由于上述两个传播模态具有不同的相位速度，当这两个传播模态在导波管120内传递特定的距离后，会使得这两个传播模态的相位差成为

其中

依据这两个传播模态在导波管120内传递的距离而改变。因此，藉由调整此导波管120的长度，便可产生在相互正交的两个电磁波传播模态之间的任意相位差。因此在本发明的实施例中，以极化无线电波信号的第一分量电场与第二分量电场分别对应于上述两个传输模态作为说明。

图2A绘示本发明一实施例的导波管220的立体示意图。为方便说明起见，在此实施例中仅以矩形柱体导波管220作为说明，其中极化无线电波信号的第一分量电场相对应于TE₀₁模态(Mode1)，第二分量电场相对应于TE₁₀模态(Mode2)，而传递的方向则以Z轴方向作为代表，但导波管220横截面开口的形状以及极化无线电波信号传递的方向不以此为限。

在本实施例中，导波管220具有第一开口221，而在导波管220中传递的极化无线电波信号具有相互为正交的第一分量电场以及第二分量电场。导波管220的第一开口221中对应第一分量电场的边长为第一边长231，而对应第二分量电场的边长为第二边长241，其中第一边长231与第二边长241的长度不同，使得极化无线电波信号在导波管220内传递时，第一分量电场与第二分量电场之间具有相位差。在本发明的实施例中，导波管220的第一开口221的第一边长231虽相对应(平行)于第一分量电场，但是此第一分量电场的模态特性却是由第二边长241所控制。同样地，第一开口221的第二边长241虽相对应(平行)于第二分量电场，但是此第二分量电场的模态特性却是由第一边长231所控制。矩形柱体导波管220的截面积开口的边长与模态特性之间的相对应与控制的关系已概述如上，而且上述特征在其他实施例中亦适用。

在本发明一实施例中，第一边长231以及第二边长241沿着Z轴(极化无线电波信号传递的方向)递增或是递减。具体而言，导波管220的第一开口221的第一边长231可沿着-Z轴方向而递增其长度或是递减其长度，并且导波管220的第一开口221的第二边长241可沿着-Z轴方向而递增其长度或是递减其长度，使得导波管220横截面开口的面积沿着-Z轴方向增加或是减小。

举例来说，导波管220具有相对第一开口221的一第二开口222，且第二开口222具有相互邻接的边长232和242，此时第一开口221的第一边长231可沿着-Z轴方向递减，使得第一开口221的第一边长231相对大于第二开口222的边长232，同时第一开口221的第二边长241亦可沿着-Z轴方向递减，使得第一开口221的第二边长241相对大于第二开口222的边长242。

图2B与图2C分别绘示图2A中导波管220的不同纵长侧面示意图。在本发明另一实施例中，导波管220具有第一纵长侧面230以及与第一纵长侧面230邻接的第二纵长侧面240。第一纵长侧面230与Z轴形成第一夹角α，第二纵长侧面240与Z轴形成第二夹角θ，上述的第一夹角α与第二夹角θ可为相同或者相异。导波管220的第一开口221的相邻边长比值为第一边长231相对第二边长241的比值，当第一夹角α与第二夹角θ相同时，导波管220横截面由第一开口221沿着-Z轴变化的相邻边长仍然会维持相同的比值。当第一夹角α与第二夹角θ相异时，导波管220横截面由第一开口221沿着-Z轴变化的相邻边长则不会维持相同的比值。

在本发明又一实施例中，导波管220的第二开口222相异于第一开口221。例如，当导波管220的第二开口222与第一开口221相异时，代表导波管220横截面的大小会沿着Z轴发生变化，亦即，第一夹角α与第二夹角θ相异。此时，导波管220两端横截面开口的形状可示例性地包含以下几种情况：第一开口221为矩形同时第二开口222为正方形，以及第一开口221为矩形同时第二开口222为与第一开口221相异尺寸的矩形。如此一来，导波管220柱体所传递的第一分量电场与第二分量电场的相位速度为不相等，因此具有相位差。

以上所举实施例的第一夹角α与第二夹角θ的关系适用于整个导波管220的柱体，并不局限于第一开口221或是第二开口222，而且符合本发明的思想与范围。

另一方面，上述导波管220的第一开口221与第二开口222沿着Z轴的横截面大小的变化，需符合导波管220开口相邻的边长与传播模态截止频率之间的关系，其原因在于特定导波管220开口边长只能传递特定范围的电磁波频率，而且具有特定的截止频率，只有大于截止频率的电磁波传播模态才可以在导波管220中传播。因此，导波管220的第一开口221的第一边长231以及第二边长241传递至第二开口222的第一边长232以及第二边长242的导波管220长度必须有所限制，使得导波管220开口的边长的变化均维持在截止频率所需的边长之上，避免电磁波无法在导波管220内传递的现象发生。

图3绘示本发明一实施例的导波管320的立体示意图。相比较于图2A所示的导波管220，本实施例的导波管320同样包含第一开口321与第二开口322。第一开口321中对应第一分量电场的边长为第一边长331，而对应第二分量电场的边长为第二边长341，其中第一边长331与第二边长341的长度不同。第二开口322中对应第一分量电场的边长为第一边长332，而对应第二分量电场的边长为第二边长342，其中第一边长332与第二边长342的长度不同。在此实施例中，由于导波管320的第一开口321与第二开口322相同，代表导波管320横截面的大小与相邻边长的长度均不会沿着Z轴发生变化，所以相对应于上述图2B与图2C中的第一夹角α与第二夹角θ均为零。

图4A为绘示本发明一实施例的导波管420的立体示意图。为方便说明起见，在此实施例中仅以椭圆形柱体导波管420作为说明，其中极化无线电波信号的第一分量电场相对应于Mode1模态，第二分量电场相对应于Mode2模态，而传递的方向则以Z轴方向作为代表，但导波管420横截面开口的形状以及极化无线电波信号传递的方向不以此为限。

在本实施例中，导波管420具有第一开口421，而在导波管420中传递的极化无线电波信号具有相互为正交的第一分量电场以及第二分量电场。导波管420的第一开口421中对应第一分量电场为长轴431，而对应第二分量电场为短轴441，其中长轴431与短轴441的长度不同，使得极化无线电波信号在导波管420内传递时，第一分量电场与第二分量电场之间具有相位差。在本发明的实施例中，导波管420的第一开口421的长轴431虽相对应(平行)于第一分量电场，但是此第一分量电场的模态特性却是由短轴441所控制。同样地，第一开口421的短轴441虽相对应(平行)于第二分量电场，但是此第二分量电场的模态特性却是由长轴431所控制。椭圆柱体导波管420的截面积开口的边长与模态特性之间的相对应与控制的关系已概述如上，而且上述特征在其他实施例中亦适用。

在本发明一实施例中，长轴431的长度以及短轴441的长度沿着Z轴递增或是递减。具体而言，导波管420的第一开口421的长轴431可沿着-Z轴方向而递增其长度或是递减其长度，并且导波管420的第一开口421的短轴441可沿着-Z轴方向而递增其长度或是递减其长度，使得导波管420横截面开口的面积沿着-Z轴方向增加或是减小。

举例来说，导波管420具有相对第一开口421的一第二开口422，且第二开口422具有相互正交的长轴432和短轴442，此时第一开口421的长轴431的长度可沿着-Z轴方向递减，使得第一开口421的长轴431相对大于第二开口422的长轴432，同时第一开口421的短轴441的长度亦可沿着-Z轴方向递减，使得第一开口421的短轴441相对大于第二开口422的短轴442。

图4B与图4C分别绘示图4A中导波管420的不同纵长侧面示意图。在本发明另一实施例中，导波管420具有长轴纵长侧面430以及与长轴纵长侧面430正交的短轴纵长侧面440。长轴纵长侧面430与Z轴形成第一夹角α，短轴纵长侧面440与Z轴形成第二夹角θ，上述的第一夹角α与第二夹角θ可为相同或者相异。导波管420的第一开口421的轴长度比值为长轴431相对短轴441的比值，当第一夹角α与第二夹角θ相同时，导波管420横截面由第一开口421沿着-Z轴变化的轴长度仍然会维持相同的比值。当第一夹角α与第二夹角θ相异时，导波管420横截面由第一开口421沿着-Z轴变化的轴长度不会维持相同的比值。

在本发明又一实施例中，导波管420的第二开口422相异于第一开口421。例如，当导波管420的第二开口422与第一开口421相异时，代表导波管420横截面的大小会沿着Z轴发生变化，亦即，第一夹角α与第二夹角θ相异。此时，导波管420两端横截面开口的形状可示例性地包含以下几种情况：第一开口421为椭圆形同时第二开口422为圆形，以及第一开口421为椭圆形同时第二开口422为与第一开口421相异尺寸的椭圆形。如此一来，导波管420柱体所传递的第一分量电场与第二分量电场的相位速度为不相等，因此具有相位差。

以上所举实施例的第一夹角α与第二夹角θ的关系适用于整个导波管420的柱体，并不局限于第一开口421或是第二开口422，而且符合本发明的思想与范围。

另一方面，上述导波管420的第一开口421与第二开口422沿着Z轴的横截面大小的变化，需符合导波管420开口相互正交的轴的长度与传播模态截止频率之间的关系，其原因在于特定导波管420开口轴长只能传递特定范围的电磁波频率，而且具有特定的截止频率，只有大于截止频率的电磁波传播模态才可以在导波管420中传播。因此，导波管420的第一开口421的长轴431以及短轴441传递至第二开口422的长轴432以及短轴442的导波管420长度必须有所限制，使得导波管420开口的轴长的变化均维持在截止频率所需的轴长之上，避免电磁波无法在导波管420内传递的现象发生。

图5绘示本发明一实施例的导波管520的立体示意图。相比较于图4A所示的导波管420，本实施例的导波管520同样包含第一开口521与第二开口522。第一开口521中对应第一分量电场为长轴531，而对应第二分量电场为短轴541，其中长轴531与短轴541的长度不同。第二开口522中对应第一分量电场为长轴532，而对应第二分量电场为短轴542，其中长轴532与短轴542的长度不同。在此实施例中，由于导波管520的第一开口521与第二开口522相同，代表导波管520横截面的大小以及轴的长度均不会沿着Z轴发生变化，所以相对应于上述图4B与图4C中的第一夹角α与第二夹角θ均为零。

相比较于公知技术，上述本发明的实施例利用极化无线电波信号在非对称边长和(或)非对称轴长的导波管内传递的相互正交的第一分量电场与第二分量电场之间的相位差，用来补偿极化无线电波信号在喇叭天线内传递的相位差，并且可随着调整导波管的长度而产生任意的相位差，以符合各种不同需求，使得极化无线电波传递的相位特性得到改善，并且优化线性与旋波极化转换的性能。

虽然本发明已以数个实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书的范围所界定者为准。

Claims

1.一种无线通信天线装置，包括：

一喇叭天线，该喇叭天线用以发射或接收一极化无线电波信号，该极化无线电波信号具有相互为正交的一第一分量电场以及一第二分量电场；以及

一导波管，该导波管连接该喇叭天线，并用以传递该极化无线电波信号，其中该导波管的一第一开口中对应该第一分量电场的边长与对应该第二分量电场的边长不同，使得该极化无线电波信号在该导波管内传递时，该第一分量电场与该第二分量电场之间具有一相位差；

其中，该导波管为非对称边长的导波管。

2.如权利要求1所述的无线通信天线装置，其中对应该第一分量电场的边长为一第一边长以及对应该第二分量电场的边长为一第二边长，该第一边长以及该第二边长沿着该极化无线电波信号传递的方向递增或递减。

3.如权利要求2所述的无线通信天线装置，其中该导波管具有一第一纵长侧面以及与该第一纵长侧面邻接的一第二纵长侧面，该第一纵长侧面与该极化无线电波信号传递的方向形成一第一夹角，该第二纵长侧面与该极化无线电波信号传递的方向形成一第二夹角。

4.如权利要求1所述的无线通信天线装置，其中该导波管的一第二开口相同或相异于该导波管的该第一开口。

5.如权利要求1所述的无线通信天线装置，还包括一极化器，该极化器与该导波管连接，用以提供该极化无线电波信号的线性极化与旋波极化之间的转换。

6.一种无线通信天线装置，包括：

一导波管，该导波管连接该喇叭天线，并用以传递该极化无线电波信号，其中该导波管的一第一开口呈一椭圆状，该第一开口中对应该第一分量电场的一长轴的长度与对应该第二分量电场的一短轴的长度不同，使得该极化无线电波信号在该导波管内传递时，该第一分量电场与该第二分量电场之间具有一相位差；

其中，该导波管为非对称轴长的导波管。

7.如权利要求6所述的无线通信天线装置，其中该长轴的长度以及该短轴的长度沿着该极化无线电波信号传递的方向递增或递减。

8.如权利要求7所述的无线通信天线装置，其中该导波管具有一长轴纵长侧面以及一短轴纵长侧面，该长轴纵长侧面与该极化无线电波信号传递的方向形成一第一夹角，该短轴纵长侧面与该极化无线电波信号传递的方向形成一第二夹角。

9.如权利要求6所述的无线通信天线装置，其中该导波管的一第二开口相同或相异于该导波管的该第一开口。

10.如权利要求6所述的无线通信天线装置，还包括一极化器，该极化器与该导波管连接，用以提供该极化无线电波信号的线性极化与旋波极化之间的转换。