CN103548204A - 低旁瓣反射器天线 - Google Patents

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Abstract

带有盘式反射器的前馈反射器天线具有反射器焦距与反射器直径的比值小于0.25。波导被连接到所述盘式反射器的近端，沿着纵轴突出到所述盘式反射器中。电介质块连接到波导的远端并且副反射器连接到电介质块的远端。屏蔽件连接到盘式反射器的周边。副反射器直径的尺寸为期望运行频率的2.5倍波长或更多。

Description

低旁瓣反射器天线
相关申请的交叉引用
本申请是当前待批准的、Ronald J.Brandau和Christopher D.Hills于2011年9月1日提交的标题为“Controlled IlluminationDielectric Cone Radiator for Reflector Antenna”的共同拥有的待批准美国实用专利申请序列号13/224,066的部分延续，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及微波双反射器天线。更确切地说，本发明提供了具有低旁瓣信号辐射图特征的低成本、自支持的前馈反射器天线，可配置为满足严格辐射图包络标准比如欧洲电信标准协会（ETSI）4类的反射器天线。
背景技术
前馈双反射器天线把主反射器上入射的信号指引到邻近主反射器的聚焦区安装的副反射器上，它又把信号指引到波导传输线中，典型情况下经由喇叭天线或孔径，去往接收机的第一级。使用双反射器天线发送信号时，信号传播从发射机系统的最后级经由波导到馈入孔、副反射器和主反射器到自由空间。
典型情况下，反射器天线的电气性能以其增益、辐射图包络、交叉极化和回波损耗性能为特征──高效的增益、辐射图包络和交叉极化特征是高效微波链规划和协调的根本，而良好的回波损耗对高效无线电操作必不可少。
具有窄辐射图包络的反射器天线实现了在公共支持结构比如无线电塔上分离反射器天线的更高密度安装，而在分开的点到点通信链接之间不产生RF干扰。窄辐射图包络的通信链接还提供了实现无线电频谱分配在同一位置被重复地再使用的优点，从而增加了给定信道数量的可用链接数量。
例如由ETSI提供了天线的辐射图包络（RPE）的业内接受的标准度量。ETSI提供了四个RPE类别，被指定为1类至4类，其中4类的规格最严格。ETSI4类RPE规格要求在ETSI3类RPE规格之上进行重大改进。正如图1a和图1b所示，ETSI4类RPE要求在ETSI3类RPE要求之上的旁瓣水平中大约10-12dB的改进，在不使用附加频谱的情况下使能够被分配的链接数量引起35-40%的增加。
以前，满足ETSI4类规格的反射器天线一直是Gregorian偏离双反射器天线类型的反射器天线，例如，如图1c所示，偏离双配置把副反射器15整体地放置在从主反射器50到自由空间的信号路径之外，这需要大范围的附加结构以对准以及/或者完全封闭大的光系统。另外，由于偏离双配置的非对称性质，所以需要提高制造和/或装配的精度等级以避免引入交叉极化鉴别干扰。这些附加结构和/或路径对准调谐需求显著增加了最终天线组成的整体尺寸和复杂度，从而增加了制造、安装和运行维护成本。
深盘式反射器是使得反射器焦距（F）与反射器直径（D）的比值小于或等于0.25的盘式反射器（与在更常规的“扁平”盘式设计中典型情况下发现的0.35的F/D相反）。被配置为与深盘式反射器一起使用的电介质锥形馈管副反射器的实例公开在2005年7月19日授予Hills的标题为“Tuned Perturbation Cone Feed for ReflectorAntenna”的共同拥有的美国专利6,919,855（US6919855）中，其全部内容在此引用作为参考。US6919855采用的电介质块锥形馈管具有副反射器表面和前导锥形表面，具有围绕电介质块纵轴的同心的多个向下成角的非周期扰动。锥形馈管和副反射器直径在可能时被最小化，以防止从反射器盘到自由空间的信号路径受到阻塞。尽管在先前设计上进行了显著的改进，但是在这样的配置具有的信号图中，副反射器边缘和馈管末梢边缘把一部分信号广泛地辐射到横跨反射器盘表面，包括邻近反射器盘周边的区域和/或副反射器的阴影区域，此处可能产生馈管和/或副反射器的次级反射，恶化了电气性能。另外，在电介质块中的多个成角特征和/或台阶需要复杂的制造过程，它提高了整体制造成本。
深盘式反射器盘（沿着瞄准线轴）延伸了最终反射器天线的长度，使反射器盘的远端倾向于用作柱面屏蔽件。所以，尽管在非深盘式反射器天线中常见，但是常规的深盘式反射器天线配置比如US6919855典型情况下不采用分开的前伸柱面屏蔽件。
发明内容
所以，本发明的目的是提供简化的反射器天线装置，它克服了现有技术的限制，并且在如此做时呈现的解决方案实现了自支持的副反射器前馈的反射器天线，在典型的微波通信链接使用的整个运行频带上满足了最严格的辐射图包络电气性能。
附图说明
在本说明书中加入并构成其一部分的附图，展示了本发明的若干实施例，附图中相同的附图标记指相同的特征或元件并对于它们出现的每幅图可能不详细说明，并且连同上面给出的本发明的一般说明和下面给出的实施例的详细说明，用于讲解本发明的原理。
图1a是示意图，演示了ETSI3类与ETSI4类共同极化辐射图包络需求之间的差异；
图1b是示意图，演示了ETSI3类与ETSI4类交叉极化辐射图包络需求之间的差异；
图1c是典型的现有技术Gregorian偏离双反射器类型反射器天线的信号路径示意图；
图2a是示范副反射器总成的示意侧视剖面图；
图2b是以分开的金属盘类型的副反射器演示的图2a的副反射器总成的分解的示意侧视剖面图；
图3是在0.167F/D深盘式反射器内安装的图2b的副反射器总成的示意侧视剖面图；
图4是现有技术的电介质锥形副反射器总成的示意侧视剖面图；
图5是对于以22.4GHz运行的图2a和图2b的副反射器总成的E和H平面的主辐射振幅图的模拟对比图；
图6是对于在根据图10的0.167F/D盘式反射器内安装的图2a的副反射器总成与ETSI4类RPE和US6919855相比的E平面的辐射图范围数据对比图；
图7是对于在根据图10的0.167F/D盘式反射器内安装的图2a的副反射器总成与ETSI4类RPE和US6919855相比的H平面的辐射图范围数据对比图；
图8是对于图4的副反射器总成的E（上半部）和H（下半部）平面主能量场分布模型；
图9是对于图2a的副反射器总成的E（上半部）和H（下半部）平面主能量场分布模型；
图10是带有柱面屏蔽件的示范反射器天线的示意等距视图；
图11是图10的反射器天线的示意分解剖面图；
图12是图10的反射器天线的示意剖面图；
图13是带有向外逐渐变细的柱面屏蔽件的示范反射器天线的示意剖面图；
图14是带有5°向内逐渐变细的柱面屏蔽件的示范反射器天线的示意等距视图；
图15是图14的反射器天线的示意分解剖面图；
图16是图14的反射器天线的示意剖面图；
图17是图16的区域A的特写图；
图18是带有10°向内逐渐变细的柱面屏蔽件的示范反射器天线的示意剖面图；
图19是图18的区域B的特写图；
图20是关于频率和应用到柱面屏蔽件的锥角所算出的天线效率的数据图；
图21是对于在根据图10带有柱面屏蔽件的0.167F/D盘式反射器内安装的图2a的副反射器总成与带有5°向内逐渐变细的柱面屏蔽件的相同天线总成和ETSI4类RPE相比的H平面的辐射图范围数据对比图。
具体实施方式
本发明人已经认识到，从尺寸为把信号能量集中在深盘式反射器盘的中壁区的电介质锥形副反射器总成获得的对主辐射图控制的改进与反射器周边的改进的屏蔽件配对，实现了有成本效益的自支持的副反射器前馈型反射器天线，以满足极窄辐射图包络的电气性能规格，比如ETSI4类RPE。
正如图2a、2b和3所示，锥形辐射体副反射器总成1被配置为在支撑着副反射器的远端20的单体电介质块10的波导转换部位5与馈管波导3的端部相连。副反射器总成1采用了扩大的副反射器直径以减少副反射器的溢出。副反射器15的尺寸可以为，例如，期望运行频率比如期望微波频带的中间频率的2.5倍波长或更长的直径。示范实施例的尺寸为39.34毫米的外径和26.08毫米的最小电介质辐射体部分直径，在22.4GHz微波带中的期望运行频率处它分别对应于2.94和1.95倍波长。
位于电介质块10的波导转换部位5与副反射器支持部位30之间的电介质辐射体部位25也增大了尺寸。电介质辐射体部位25的尺寸可以为例如副反射器直径至少3/5的最小直径。被放大的电介质辐射体部位25用于把信号能量从波导3的端部向外拉出，从而使在例如图4所示的常规电介质锥形副反射器配置中观察到的这个区域的衍射最小。常规的电介质锥形具有28毫米的外径和在11.2毫米“辐射体区”中的最小直径，在22.4GHz微波带中的期望运行频率处它分别对应于对应2.09和0.84倍波长。
沿着电介质辐射体部位的外径提供了多道沟纹作为缩径槽（radical inward groove）35。在本实施例中，这多道槽是两道槽35（见图2a和2b）。电介质辐射体部位25的远端槽40可以提供为成角的远端侧壁45，它开启了副反射器支持部位30。远端侧壁45可以与远端20的纵向邻近部位基本平行；也就是，远端侧壁45可以形成锥形表面，与支持副反射器15的远端20的纵向邻近的锥形表面平行，以便使沿着这个表面的电介质厚度关于副反射器15不变。
副反射器总成1的波导转换部位5可以适于匹配所期望圆形波导的内径，使得副反射器总成1可以被装入和保留在波导3中，它支持反射器天线的盘式反射器50内的副反射器总成1接近盘式反射器50的焦点，例如图3所示。波导转换部位5可以插入波导3中，直到波导的端部毗邻波导转换部位5的肩部55。
肩部55的尺寸可以为把电介质辐射体部位25从波导的端部隔开以及/或者进一步定位远端20的周边（副反射器信号表面离波导端部的最远纵向距离）为所期望运行频率的至少0.75倍波长。示范实施例的尺寸为14.48毫米的纵向长度，在22.4GHz微波带中的期望运行频率处它对应于1.08倍波长。为了对比，图3中常规的电介质锥形的尺寸为8.83毫米纵向长度即以相同的期望运行频率的0.66倍波长。
在波导转换部位5的近端65的一个或多个台阶60以及/或者一个或多道槽可以用于波导3与电介质块10的电介质材料之间的阻抗匹配目的。
副反射器15被展示为具有接近锥形表面70，它平移到远锥形表面75，关于副反射器总成1的纵轴，远锥形表面75配备的角低于接近锥形表面70的角。
正如图2a中最好的显示，通过把金属沉积、膜、薄片或其他RF反射涂层施加到电介质块10的远端，可以形成副反射器15。作为替代，正如图2b和图3所示，可以分开地形成副反射器15，例如作为金属盘80，它坐落在电介质块10的远端上。
以例如图10所示的0.167F/D盘式反射器50和屏蔽件90应用时，副反射器总成1能够提供令人吃惊的信号图改进，尤其是在20度与60度之间的区域中。例如图6和图7所示，在20度至60度区域中，在E和H平面中的辐射都被显著降低了。
图8演示了常规副反射器总成的辐射能量图仿真的时间切片，显示了辐射图朝向盘式反射器表面的宽角分布，尤其是波导端部的衍射效应，沿着瞄准线把信号能量拉回，它使得对副反射器直径的限制成为必要，以防止显著的信号阻塞和/或引入使电气性能降低的次级反射/干扰。
相反，图9显示了示范受控照度锥形辐射器副反射器总成1的辐射能量图仿真，演示了由副反射器总成1控制的盘式反射器50的照度，此时辐射图被指引到主要朝向盘式反射器50的中部区域，它与副反射器阴影区和盘式反射器50的周边都隔开。本领域技术人员将认识到，通过应用深盘型盘式反射器50，辐射图大部分投往向外扩大的角。而不是向下朝向副反射器总成1遮掩的区域，允许辐射图冲击盘式反射器50的中间部分，而不要求盘式反射器50的直径大到无法接受。不过，随着F/D比值下降，盘式反射器50的中间部分变得越来越窄，开始无法接受地限制天线的整体增益。本文示范实施例中演示的F/D比值是0.167。
在沿着单体电介质块的外径形成的肩部55、台阶60和槽35每一个都缩径地提供时，可以简化电介质块的制作，降低整体制作成本。使远端表面的周边垂直于总成的纵轴提供了已备的制作参考表面85，进一步简化了电介质块10的制作过程，例如通过机器加工和/或注模。
通过对盘式反射器50的周边应用附加的屏蔽件和/或辐射吸收材料，以与最终天线效率折衷的方案，可以获得辐射图关于瞄准线和/或副反射器溢出区的进一步校正。范围测量结果已经展示出，柱面屏蔽件的符合ETSI4类的反射器天线的天线效率改进（主焦点）超过US6919855ETSI3类类型反射器天线配置的6-14%，取决于运行频率。
正如图10-12所示，屏蔽件可以应用为连接到盘式反射器50周边的一般柱面屏蔽件90。RF吸收材料95可以连接到屏蔽件90的内径。可以关于盘式反射器50的F/D和辐射图，与最终反射器天线总长度折衷地选择屏蔽件的长度。对于较小的F/D反射器，由于馈送位置所以可能要求较短的纵向长度。对于2英尺和4英尺直径的0.167F/D的盘式反射器50，盘式反射器聚焦点与盘式反射器周边之间的对向角在40°-50°的范围内。同时，根据从选定的副反射器总成1的配置产生的来自主辐射图的不希望的溢出能量的等级，选择屏蔽件长度。保留这种准则，对于2英尺和4英尺的实例，例如可以选择屏蔽件长度为盘式反射器50焦距的2到3倍。作为替代，屏蔽件90可以应用向外的逐渐变细，例如图13所示。
如图14-19所示，在辐射图达到所期望辐射图包络的所关注区域与辐射图明显低于所要求辐射图包络的区域之间的辐射图折衷方案中，进一步调整辐射图的方式可以为应用缩径的逐渐变细，以便使屏蔽件10变为逐渐地锥形，例如以关于反射器天线的纵轴大于零并最大到10度的角（见图18和图19）。
屏蔽件10的向内逐渐变细的最大角度可以选择在屏蔽件10的缩小的远端直径开始阻塞信号，从而无法接受地降低天线的整体增益的点。例如，图20显示了对比2英尺直径18GHz天线的多个屏蔽件几何形态（直的柱状屏蔽件，5°向内逐渐变细和10°向内逐渐变细）算出的效率（%）。平均来说，与直线屏蔽件的2英尺18GHz的天线相比，具有10°向内逐渐变细屏蔽件的2英尺直径18GHz天线存在着7%的效率下降。按照辐射图改进和天线效率，大约5°的向内逐渐变细屏蔽件可以提供天线性能的平衡，正如图21所演示，其中当运行频率是18.7GHz时在水平平面中获得了30-50°区域中的信号图改进，而没有无法接受地影响其他受关注角。
综上所述，显而易见，本发明给本领域带来的反射器天线可以带有改进的电气性能和/或显著的制造成本效益。因为前馈自支持副反射器总成反射器天线具有轴对称的天线结构，所以可以完全避免偏离双反射器天线结构的成本和复杂性。根据本发明的反射器天线可以坚固而轻便，并且可以用非常高的精度等级重复地高性价比地制作。
部件表
1 副反射器总成
3 波导
5 波导转换部位
10 电介质块
15 副反射器
20 远端
25 电介质辐射体部位
30 副反射器支持部位
35 槽
40 远端槽
45 远端侧壁
50 盘式反射器
55 肩部
60 台阶
65 近端
70 近锥形表面
75 远锥形表面
80 盘
85 参考面
90 屏蔽件
95 RF吸收材料
97 天线屏蔽件
在上述说明中已经对具有公知等效物的若干材料、比值、整数或部件进行了引用，那么这样的等效物在本文加入如同单独阐述。
虽然通过本发明的若干实施例的说明已经展示了它，以及虽然已经相当详细地介绍了若干实施例，但是本申请人的意愿不是把附带的权利要求书的范围限定或以任何方式限制到这样的细节。其他优点和修改对于本领域的技术人员将不难显现。所以，本发明在其更宽广的方面不限于所显示和介绍的特定细节、代表性装置、方法和展示性实例。所以，可以从这样的细节进行变更而不脱离申请人的一般发明概念的实质和范围。另外应当认识到，可以对其进行改进和/或修改而不脱离以下权利要求书定义的本发明的范围和实质。

Claims (20)

1.一种前馈反射器天线，包括：
盘式反射器，反射器焦距与反射器直径的比值小于0.25；
波导，连接到所述盘式反射器的近端，沿着纵轴突出到所述盘式反射器中；
电介质块，连接到所述波导的远端；
副反射器，连接到所述电介质块的远端；以及
一般柱面屏蔽件，连接到所述盘式反射器的周边；
所述副反射器直径尺寸为期望运行频率的2.5倍波长或更多。
2.根据权利要求1的天线，其中，所述波导的所述远端与所述副反射器周边的所述远端之间的纵向距离为期望运行频率的至少0.75倍波长。
3.根据权利要求1的天线，其中，所述电介质块是单体电介质块，配备了波导转换部位、电介质辐射体部位和副反射器支持部位；
所述电介质块在所述波导转换部位连接到所述波导；
所述电介质辐射体部位位于所述波导转换部位与所述副反射器支持部位之间；所述电介质辐射体部位的外径配备了多道缩径槽；所述电介质辐射体部位的最小直径大于所述副反射器直径的3/5。
4.根据权利要求3的天线，其中，所述多道槽是两道槽。
5.根据权利要求3的天线，其中，所述多道槽的底部宽度朝向所述远端减小。
6.根据权利要求1的天线，其中，所述副反射器支持部位从所述电介质辐射体部位的远端槽延伸为所述远端槽的成角远端侧壁。
7.根据权利要求6的天线，其中，所述成角远端侧壁基本平行于所述远端的纵向邻近部位。
8.根据权利要求1的天线，其中，所述电介质块的所述远端配备了转变到远锥形表面的近锥形表面；所述远锥形表面配备的关于纵轴的角小于所述近锥形表面的角。
9.根据权利要求8的天线，其中，所述副反射器支持部位从所述电介质辐射体部位的远端槽延伸为所述远端槽的成角远端侧壁；所述成角远端侧壁基本平行于所述远锥形表面。
10.根据权利要求1的天线，其中，所述屏蔽件是向内逐渐变细的。
11.根据权利要求10的天线，其中，所述一般柱面屏蔽件是锥形的并是以关于所述纵轴大于零并最大到10度的角向内逐渐变细的。
12.根据权利要求1的天线，其中，所述柱面屏蔽件的内径配备了RF吸收材料。
13.根据权利要求1的天线，其中，所述屏蔽件的长度是所述盘式反射器50的所述反射器焦距与反射器直径比值的2到3倍。
14.根据权利要求1的天线，其中，所述副反射器是在所述电介质块的所述远端上的金属涂层。
15.根据权利要求1的天线，其中，所述一般柱面屏蔽件是锥形的并是以关于所述纵轴5度的角向内逐渐变细的。
16.根据权利要求1的天线，其中，所述波导转换部位的尺寸用于插入到所述波导的端部直到所述波导的所述端部毗邻所述波导转换部位的肩部。
17.根据权利要求1的天线，其中，所述反射器焦距与反射器直径的比值是0.167或更小。
18.一种制造前馈反射器天线的方法，包括以下步骤：
把波导连接到盘式反射器的近端，所述盘式反射器的尺寸使反射器焦距与反射器直径比值小于0.25；
把电介质块连接到所述波导的远端，直径尺寸为期望运行频率的2.5倍波长或更多的副反射器被连接到所述电介质块的远端；以及
把一般柱面屏蔽件连接到所述盘式反射器的周边。
19.根据权利要求18的方法，其中，所述波导的远端与所述副反射器周边的所述电介质块的远端之间的纵向距离为期望运行频率的至少0.75倍波长。
20.根据权利要求18的方法，其中，所述屏蔽件是锥形的，以关于所述反射器天线的纵轴大于零并最大到10度锥形向内逐渐变细的。
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