CN103311673A

CN103311673A - 一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统

Info

Publication number: CN103311673A
Application number: CN2013101659736A
Authority: CN
Inventors: 陈鸿珅; 谢胜旺; 黄永江
Original assignee: Shenzhen Huaxun Ark Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Huaxun Ark Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统，包括天线系统(10)，该天线系统包括：一抛物面反射镜(12)，一分频副反射镜(14)，至少一主电波收发机构(16)，至少一映像电波收发机构(18)，该分频副反射镜(14)反射低频讯号，将该低频讯号由该映像电波收发机构(18)所接收；该高频讯号穿透该分频副反射镜(14)，由该主电波收发机构(16)所接收。所述分频副反射镜(14)包含一蜂巢结构（34），依据入射波不同的角度而改变该分频副反射镜(14)上的蜂巢结构（34）。此一配置可以使得本案中的分频副反射镜(14)可以接收来自不同角度的入射电波，而且均能有极佳的低频反射率及高频穿透率，并达到极端宽带。

Description

一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统

技术领域

本发明涉及天线系统，尤其是一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统。

背景技术

本发明相关专利及资料如下:US6,774,861，US6,512,485B2、US3231892。

传统的分频副镜面设于不管是有偏移位的天线或是没有偏移位的反射镜，其分频的设计都是对于镜面上排列的组件使用均匀且周期性的分频组件，即指在该镜面上的所有组件为同一规格，彼此之间呈均匀且周期性的排列。

参考文件二中说明频率选择面或一般在天线的应用中，分频(即可对入射波的频段分别反射及透射的机制)镜面都被用在副镜面(或称为次反射面)，藉以隔离分开两个不同的频段。其中一个频段的讯号穿透该分频镜面后集中到一主焦点。另一频段的讯号被反射后集中到一映像焦点。这种传统的多频段天线设计已揭露在参考文件三及四中。但是频率选择面或分频的技术一般都只用在混浑合或大容量的军用或专用卫星通讯，及一些特殊的应用，而几乎不使用到低成本的商业卫星通讯地面的接收天线。

传统的频率选择面或分频的技术中，将高频放在映像焦点，而低频放在主焦点。高频段及低频段都是窄频，通常通讯使用的频宽文载波频率的5%。在参考文件二中，高频段有两个分开的频段一是20GHz、另一是30GHz，低频段在12.4GHz。每一个频段都属于5%左右的频宽。

传统的天线设计中，高频段和低频段的载波频率比大多为1.5以上，多频段使用分频副镜面的设计，例如可见于参考文件三。高低两个频段的载波比差距都很大，例如12GHz及6GHz(一般高频段与低频段的比都在2左右)而且都使用没有偏移位的正常反射境。最近的卫星电视(DBS)的应用才开始使用偏移位反射境，例如在参考文件一及二中所揭示的。其中高频段与低频段的比分别在1.5到2之间，例如30GHz/12GHz及20GHz/12GHz，但偏移位分频副镜面的设计会因偏移位的关系使得电波入射到分频分镜面的入射角不是垂直射入而且角度变化很大，使得设计上存在更多的困难，也因此使得一般传统的分频设计无法达到宽带。

目前的应用，尤其在下一代卫星电视的应用(DBS)，传统的电视播放已不能满足现代多媒体的快速发展如HDTV，3D HDTV，IPTV(Voice on demand，VOD)，双向通讯Internet等等通讯上的需求。目前最新的卫星通讯的构想中要求一卫星必需能同时使用两个Ku频段及一个Ka频段作为下传讯号的频段，也同时使用两个Ku频段及一个Ka频段作为上传讯号的频段，以符合目前大量通讯的需求。所以所使用的频带宽度必须够大而且根据目前下一代卫星电视系统的设计其对高频段的频宽要求远高于低频段的要求。唯传统的分频天线设计(如参考文件一及二中所述者)已无法满足达到这种要求。

因此，本创作之发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述习知技术上的问题，提供一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统，其目的在于经过低频频段及高频频段的选择，可以使得该两个频段都是极端宽带，一般都大于10%甚至可达到35%的频宽，尤其高频段要比低频段更宽带。

为达到上述目的，本发明一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统，包括一天线系统(10)，该天线系统用于传送及接收来自卫星的讯号，可进行地面装置与卫星上天线之间信号的上传及下传，该天线系统包括：

一抛物面反射镜(12)，该抛物面反射镜(12)存在一对应的一聚焦轴线(20)，该聚焦轴线(20)有一对应该抛物面反射镜(12)的焦点(22)，该抛物面反射镜(12)以偏移位的方式配置在聚焦轴线(20)的一侧；

一分频副反射镜(14)，该分频副反射镜(14)为一延着一双曲面配置的反射镜，该分频副反射镜(14)具有一主焦点（30a），该主焦点（30a）与抛物面反射镜(12)的焦点(22)重合，还包含一在该分频副反射镜(14)的聚焦轴线(20)上的映像焦点(30b)，该双曲面的聚焦轴线(20)可以和抛物面反射镜(12)的聚焦轴线(20)一致也可以不一致；该分频副反射镜(14)以偏移位的方式配置在聚焦轴线(20)的一侧，且其镜面的轴线与抛物面反射镜(12)之镜面的轴线可以重合也可以不重合；

至少一主电波收发机构(16)，其前端的讯号接收点与所述主焦点（30a）重迭，用于接收穿透该分频副反射镜(14)的高频电波或将高频电波朝该分频副反射镜(14)发射；

至少一映像电波收发机构(18)，其前端的讯号接收点与所述映像焦点(30b)重迭，用于接收从该分频副反射镜(14)反射的低频电波或将低频电波朝该分频副反射镜(14)发射；

其中该分频副反射镜(14)反射低频讯号，将该低频讯号由该映像电波收发机构(18)所接收；该高频讯号穿透该分频副反射镜(14)，由该主电波收发机构(16)所接收。

优选的是，所述分频副反射镜(14)包含一如蜂巢状排列的双极栅状金属片结构，该蜂巢结构被区分成数个区域，各区域中的蜂巢结构金属片呈均匀分布且周期性的排列，而不同区域其结构排列不同，主要是依据不同的无线电波入射角度作调整。

本发明的有益效果在于，本发明的分频副反射镜(14)反射低频讯号，将该低频讯号由该映像电波收发机构(18)所接收；该高频讯号穿透该分频副反射镜(14)，由该主电波收发机构(16)所接收。所以对于下一代的卫星电视(DBS)，其要求低频段必须满足于10.7GHz到12.75GHz的下传频段，在高频段则有17GHz的上传、18～20GHz的下传、24GHz和30GHz的上传，总共是17～30GHz几乎是>50%的频宽要求。而本案的设计已达到上述的频宽要求，会使得传统分频和反射镜的设计有一个全新的观念和突破。另外，本发明的蜂巢结构配置主要是依据入射波的角度做调整，此一配置可以使得本案中的分频副反射镜可以接收来自不同角度的入射电波，而且均能有极佳的低频反射率及高频穿透率而且达到极宽带的功能。

附图说明

图1为本发明专利的实施例一的结构示意图。

图2a、图2b及图2c为现有技术中分频副反射镜的结构示意图。

图2d为本发明的分频副反射镜表面蜂巢结构的正视图。

图2e为本发明的分频副反射镜表面蜂巢结构的立体示意图。

图3a为本发明的六个水平极化的电磁波均90度入射的蜂巢结构图

图3b为本发明的六个水平极化的电磁波对于该分频副反射镜的回馈损失数据；

图4为本发明的电磁波以水平极化的方向入射该分频副反射镜，相对于不同的入射角其回馈损失数据。

图5为本发明的电磁波以垂直极化的方向入射该分频副反射镜，相对于不同的入射角其回馈损失数据。

图6为本发明中分频副反射镜14及主电波收发机构16及映像电波收发机构18之位置关系剖面图

图7为本发明第二实施例结构示意图。

10为天线系统；12为抛物面反射镜；14为分频副反射镜；16为主电波收发机构；18为映像电波收发机构；20为聚焦轴线；22为焦点；24为聚焦长度；26,28为辐射剖面；30a为主焦点；30b为映像焦点；32为双极栅状结构；33为频率选择面；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

请参考图1，其中显示本发明中组件的配置图。本发明包含下列组件:

一天线系统10，用于传送及接收来自卫星的讯号，该天线系统可进行地面装置与卫星上天线之间信号的上传及下传。该天线系统主要包含:

一抛物面反射镜12；该抛物面反射镜存在一对应的一聚焦轴线20，该聚焦轴线20有一对应该抛物面的焦点22，其中存在一聚焦长度24，为焦点22与抛物面反射镜12的顶点之间的距离，抛物面反射镜12具有一辐射剖面26，为其可接受外界辐射的剖面。在本发明中该抛物面反射镜12以偏移位的方式配置在聚焦轴线20的一侧。

一分频副反射镜14，该分频副反射镜主要为一延着一双曲面配置的反射镜，实施时，也可以是一平面。该分频副反射镜14具有一辐射剖面28及一主焦点30a，该主焦点30a与抛物面反射镜12的焦点22重合，且尚包含一映像焦点30b，在该双曲面分频副反射镜14的聚焦轴线上，该聚焦轴线可以和反射镜面的聚焦轴线20是一致的也可以是不一致的，而与该主焦点30a相隔一段距离。在本发明中该分频副反射镜14以偏移位的方式配置在轴线的一侧，且其镜面的轴线与抛物面反射镜12之镜面的聚焦轴线20是可以重合也可以不重合。

其中该分频副反射镜14可以反射低频讯号，而令高频讯号通过。本案中的低频段系指频率从9GHz到15GHz，而高频段系指频率从17GHz到30GHz。

一主电波收发机构16为一传统角形或其它设计形状的收发机构，其前端的讯号接收点与该主焦点30a重迭，用于接收穿透该分频副反射镜14的高频电波或将高频电波朝该分频副射镜14发射。

一映像电波收发机构18为一传统角形或其它设计形状的收发机构，其前端的讯号接收点与该映像焦点30b重迭，用于接收从该分频副反射镜14反射的低频电波或将低频电波朝该分频副反射镜14发射。

本案中的主电波收发机构16及映像电波收发机构18皆具有传统牛角状或其它设计形状的外观，且均具有一空腔。

在本发明中则是该分频副反射镜14反射低频讯号，将该低频讯号由该映像电波收发机构18所接收。而该高频讯号则是穿透该分频副反射镜14，由该主电波收发机构16所接收。

其中该双曲面分频反射镜14的材料选择可以参考美国专利US6,774,861B2较佳实施例说明中第4及5段所揭露的结构。其中译文如下：“参考图二A、图二B及图二C，其中该分频副反射镜14包含上及下频率选择面33，该两频率选择面33由一

蜂巢结构所区分开，该结构可以反射高频讯号，而令该高频讯号由该映像电波收发机构18所接收。最好该分频副反射镜14的频率选择面33在多层的

表面上包含铜蚀刻的双极栅状结构32。应用此一型态可以将高频段及低频段的信号分别穿透及反射，而使得两种频段的信号被分开，其中反射的低频讯号被导向该主电波收发机构16。且通过的高频讯号被导向该映像电波收发机构18。”

由图2a、图2b、图2c中可以显示，传统上的分频副反射镜14本身系由大量的

蜂巢结构的基本单元在该副反射镜14的镜面上以规律的周期性呈现均匀的排列。

如图2d、图2e所示，本发明主张对一蜂巢结构，即镜面上的如蜂巢状排列的双极栅状金属片结构，蜂巢结构分成数区，各区域中的蜂巢结构有各自的结构的排列方式，各区域内的蜂巢结构金属片呈均匀分布且周期性的排列，而不同区域其结构的排列不同主要是依据不同的无线电波入射角度作调整。

请参考图6，其显示本发明的分频副反射镜14及主电波收发机构16及映像电波收发机构18之位置关系剖面图。

设一入射波入射该分频副反射镜14的角度为θ1，图3a显示该入射波与分频副反射镜14镜面之组件的配置方式，图3b则为不同频率之下所测得的回馈损失，在本图中对六个水平极化的电磁波进行测试，其中该六个电磁波均以垂直于该分频副反射镜14的角度θ1入射，即θ1为90度。在设置双极栅状结构的排列方向时，排列角度具有不同的交叉角，这些交叉角度分别为15°、30°、45°、60°、75°及90°，请参考图3a的蜂巢结构图。如图3b中显示，当入射角度θ1为90度时，不同频率之下所测得的回馈损失。其中显示在频率9GHz到15GHz时其回馈损失相当的低，所以在此频带下大部分的入射波可以从该分频副反射镜14反射而不会有极大的耗损。相对的当频率到17GHz到30GHz的范围时其回馈损失相当的高，所以在此频带下大部分的入射波将穿透该分频副反射镜14而不会反射。所以由上面的关系我们可以了解本案的系统在频率为9GHz到15GHz(低频)时相对于该分频副反射镜14具有良好的反射性，所以该讯号可以被反射到该映像电波收发机构18，而为该映像电波收发机构18所接收。另外本案的系统在频率为17GHz到30GHz(高频)时相对于该分频副反射镜14具有良好的穿透性，所以该讯号可以穿透该分频副反射镜14，而为该主电波收发机构16所接收。在本图中对六个水平极化的电磁波进行测试，其相对于蜂巢结构的排列角度具有不同的交叉角，这些交叉角度分别为15°、30°、45°、60°、75°及90°。由图3b的回馈损失可以看出，在入射角度为90度，并不同交叉角度下，其效果并没有太大的改变。

请参考图4，其中显示入射的电磁波以水平极化的方向入射该分频副反射镜14，其中入射角θ1分别为15°、30°、45°、60°、75°及90°(请参考图右方的结构配置图)。其中显示相对于不同的入射角其回馈损失值变小，尤其是在高频时将不利于穿透的特性。所以我们在设计该分频副反射镜14需考虑此特性。对于蜂巢结构的配置及排列必须予以适当的设计，而使得在不同角度时，其回馈损失的曲线可以趋向于理想的入射角90°的回馈损失曲线。

请参考图5，其中显示入射之电磁波以垂直极化的方向入射该分频副反射镜14，其中入射角θ1分别为15°、30°、45°、60°、75°及90°。其中显示相对于不同的入射角其回馈损失值变小，由其是在低频时将不利于反射的特性。所以我们在设计该分频副反射镜14需考虑此特性。对于蜂巢结构的配置及排列必须予以适当的设计，而使得在不同角度时，其回馈损失的曲线可以趋向于理想的入射角90°的回馈损失曲线。

基于此测试结果，在设置蜂巢结构时，应结合预先计算的入射波角度，设置每个分区内的双极栅状结构的排列方向，一般可设置为0到90度区间的不同的交叉角，使任何角度的入射波都有接近90度的承接面，即入射角都接近90度，将回馈损失降到最低。蜂巢结构角度间距可设置为10—15度，因10—15度的角度间距对反射结果影响不大。

如图7中显示，当有多个卫星讯号信号传输路径分别为L1、L2及L3时，本案中的信号接收系统其中该抛物面反射镜12及该分频副反射镜14的配置方式同于上述图六中所述者，唯在本例中使用多个电波收发机构，分别接收来自不同卫星的信号。在实际的应用中，各个卫星所发出的电波频段会有一定的差距，所以如果所使用同一电波收发机构同时接收这些信号时，在后级相关的RF电路的制造上，会产生问题。所以在本案中应用不同的电波收发机构接收来自不同卫星的讯号，以解决上述的问题。

具体方案为，包括多个主电波收发机构(16)，其中至少有一主电波收发机构(16)其前端的讯号接收点与该主焦点接近，各主电波收发机构(16)分别接收来自对应卫星的电波。多个映像电波收发机构(18)，其中至少有一映像电波收发机构(18)其前端的讯号接收点与该映像焦点(30b)接近，各映像电波收发机构(18)分别接收来自对应卫星的电波。

本案的优点为经过上述低频频段及高频频段的选择，可以使得该两个频段都是极端宽带，一般都大于10%甚至可达到50%的频宽，尤其高频段要比低频段更宽带。所以对于下一代的卫星电视(DBS)，其要求低频段必须满足于10.7GHz到12.75GHz的下传频段，在高频段则有17GHz的上传、18～20GHz的下传、24GHz和30GHz的上传(up-link)，总共是17～30GHz几乎是>50%的频宽要求。而本案的设计已达到上述的频宽要求。会使得传统分频和反射镜的设计有一个全新的观念和突破。另外本案中对于分频副反射镜的蜂巢结构被区分成数个区域，各区域中有各自的蜂巢结构的排列，各区域内的蜂巢结构呈均匀分布且周期性的排列，而不同区域其蜂巢结构不同，其中蜂巢结构的配置主要是依据入射波的角度做调整。此一配置可以使得本案中的副反射镜可以接收来自不同角度的入射电波，而且均能有极佳的低频反射率及高频穿透率。

综上所述，本发明人性化之体贴设计，相当符合实际需求。其具体改进现有缺失，相较于现有技术明显具有突破性的进步优点，确实具有功效的增进，且非易于达成。本案未曾公开或揭露于国内与国外之文献与市场上，符合专利法规定。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims

1.一种极宽带多频道之偏位移分频天线系统，包括一天线系统(10)，该天线系统用于传送及接收来自卫星的讯号，可进行地面装置与卫星上天线之间信号的上传及下传，其特征在于该天线系统包括：

至少一主电波收发机构(16)，其前端的讯号接收点与所述主焦点（30a）重迭，用于接收穿透所述分频副反射镜(14)的高频电波或将高频电波朝所述分频副反射镜(14)发射；

至少一映像电波收发机构(18)，其前端的讯号接收点与所述映像焦点(30b)重迭，用于接收从所述分频副反射镜(14)反射的低频电波或将低频电波朝所述分频副反射镜(14)发射；

2.根据权利要求1所述的偏位移分频天线系统，其特征在于：所述低频段频率为9GHz到15GHz，高频段频率为17GHz到30GHz。

3.根据权利要求1所述的偏位移分频天线系统，其特征在于：所述主电波收发机构(16)及映像电波收发机构(18)皆具有传统牛角状的形状，且皆具有一空腔。

4.根据权利要求1所述的偏位移分频天线系统，其特征在于：所述分频副反射镜(14)包含一如蜂巢状排列的双极栅状金属片结构，该蜂巢结构被区分成数个区域，各区域中的蜂巢结构金属片呈均匀分布且周期性的排列，而不同区域其结构排列不同，主要是依据不同的无线电波入射角度作调整。

5.根据权利要求1所述的偏位移分频天线系统，其特征在于：包含多个主电波收发机构(16))，其中至少有一主电波收发机构(16)其前端的讯号接收点与该主焦点接近，各主电波收发机构(16)分别接收来自对应卫星的电波。

6.根据权利要求1所述的偏位移分频天线系统，其特征在于：包含多个映像电波收发机构(18)，其中至少有一映像电波收发机构(18)其前端的讯号接收点与该映像焦点(30b)接近，各映像电波收发机构(18)分别接收来自对应卫星的电波。