CN104025383A - 包括双频带溅散板支撑的反射器天线 - Google Patents

Abstract

一种反射器天线，包括双频带波导馈源和溅散板支撑，所述溅散板支撑配置为限定波导馈源孔和溅散板之间的空间。所述双频带波导馈源配置为在第一传输模式下接收输入信号，所述输入信号包括布置在高频带和低频带内的多个频率，所述双频带波导馈源包括用于将高频带频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置。支撑部可以与波导馈源的孔分离，其厚度可以与从孔发射的波束的波长的一半相对应。优选地，支撑部的形状可以与波束波前在被溅散板反射之后的形状相对应。还公开了一种包括所述反射器天线的卫星。

Description

包括双频带溅散板支撑的反射器天线

本发明涉及包括双频带溅散板支撑的反射器天线。具体地，本发明涉及一种反射器天线，包括双频带波导馈源和溅散板支撑，所述溅散板支撑布置为限定反射器天线的波导馈源孔与溅散板之间的空间。

将反射器天线广泛用于例如陆地、航空和航海终端和通信卫星中，以便将电磁辐射束整形并定向到特定位置。图1A和1B示出了传统反射器天线100，包括波导馈电喇叭110、主反射器120、溅散板130和支撑电介质140，其中支撑电介质140将溅散板130耦接到波导馈源110。馈电喇叭110接收输入信号i₀，将该信号定向到馈电喇叭110的孔。信号以电磁辐射束的形式从孔发射，并由溅散板130反射到主反射器120，主反射器120将波束整形并定向至所需位置，例如，特定卫星或地球上的地理区域。馈电喇叭110、溅散板130和主反射器120可以配置为根据特定应用的需要来整形波束。

如图1B所示，支撑电介质140包括：细长部140a，用于插入到馈电喇叭110的喉部；以及锥形部140b，朝向溅散板130从细长部140a延伸出来。支撑电介质140本身可以是内部和外部成形的，以便提供所需辐射方向图并最小化返回损耗。例如，锥形部140b可以包括多种台阶和槽，可以将波导馈源140a内的部分台阶化或异形化。然而，支撑电介质140可以仅设计和优化用于特定具体频率或狭窄频带。因此，传统溅散板反射器天线100不适用于宽频带(例如，＞20％带宽)和/或双频带应用，其中要整形和定向的波束包括大的频率范围。

根据本发明，提供了一种反射器天线，包括：双频带波导馈源，配置为在第一传输模式下接收输入信号，所述输入信号包括布置在高频带和低频带内的多个频率，所述波导馈源包括用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置；反射器；溅散板，配置为将从波导馈源孔发射的波束定向到反射器；以及溅散板支撑，包括用于与波导馈源相接合的第一接合部、用于与溅射板相接合的第二接合部、以及将第一接合部与第二接合部相连的支撑部，所述支撑部布置为限定波导馈源孔和溅散板之间的空间。

所述支撑部可以配置为当第一接合部与波导馈源相接合时，沿远离溅散板的方向与波导馈源孔分离。

所述支撑部的厚度可以大致小于或等于λ/2，其中λ是波束在支撑部内的特征波长。

所述特征波长可以是与从波导馈源孔发射的波束的传输频带的中心频率相对应的波长，或是所述波束的平均波长，或是在平均波长和与中心频率相对应的波长之间的值。

所述支撑部的形状可以与从波导馈源发射的波束在被溅散板反射之后的波前相对应。

所述支撑部的截面可以是曲线的或椭圆的。

所述支撑部可以是大致连续的壁。

所述第一接合部可以配置为与波导馈源的外表面相接合。

所述溅散板支撑可以由聚四氟乙烯PTFE形成。

所述用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置可以与孔分隔预定距离，使得对于高频带而言，第一和第二传输模式二者在孔处大致同相。

所述用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置可以包括波导馈源内直径的锥形、一个或多个台阶或异形改变，并且可以将第一直径D₁的部分与第二直径D₂的部分相连，其中第二直径大于第一直径。

所述第一传输模式可以是TE₁₁模式，所述第二传输模式是TM₁₁模式。

所述波导馈源的截面可以是圆形，孔的直径可以大致是低频带中频率的一个波长。

所述波导馈源可以配置为在Ka频带处使用。

根据本发明，还提供了一种包括所述反射器天线的卫星。

附图说明

现参考附图，仅示例性地描述了本发明的实施例，附图中：

图1A和1B示出了传统反射器天线；

图2示出了根据本发明实施例，在反射器天线中使用的溅散板支撑的横截面；

图3A到3C示出了图2的溅散板支撑的透视图；

图4示出了图2的波导馈源的截面图；

图5A和5B示出了针对图4波导馈源，高频带和低频带的共极化和交叉极化辐射方向图；

图6A和6B示出了针对图2溅散板装备，高频带和低频带的共极化和交叉极化辐射方向图；

图7是针对图2溅散板装备的返回损耗对应覆盖高频带和低频带的频率的曲线图；

图8A到8C示出了根据本发明另一实施例，在反射器天线中使用的溅散板支撑；以及

图9示出了根据本发明再一实施例，包括多个支柱的溅散板支撑。

具体实施方式

参考图2，根据本发明的实施例，示出了反射器天线中的溅散板装备的截面图。这里，术语“溅散板装备”是指波导馈源210、溅散板230和溅散板支撑240。图2和其它附图不是按比例的，仅用于说明的目的。反射器天线包括波导馈源210、溅散板230、溅散板支撑240和主反射器。图2中没有示出主反射器。溅散板230配置为将从波导馈源210的孔210a发射的波束定向到主反射器。具体地，溅散板230将从孔210a发射的波束向主反射器反射，主反射器将所述波束向目的地反射。可以将主反射器成形为实现指定增益、交叉极化和旁瓣性能。

波导馈源210配置为接收双频带输入信号，即，包括多个频率的信号，其中，将所述频率分为两个不同传输频带。波导馈源210和溅散板230二者都由在反射器天线所设计用于的频率处导电的材料形成。例如，当将反射器天线设计为在微波频率处使用时，波导馈源210和溅散板230可以由铝形成。本实施例中，波导馈源配置为接收包括Ka频带内的频率的输入信号。具体地，输入信号包括19.7到21.2千兆赫(GHz)的低频带的频率以及29.5到31.0GHz的高频带的频率。然而，这些频率范围仅是示例性的，本发明不限于在Ka频带内使用。本发明的其它实施例可以配置为在不同频率处使用。

溅散板230可以配置为确定从孔210a发射的波束的尺寸、位置和形状，以便产生所需方向图用于反射器的照射并提供两个频带内的良好匹配(VSWR)。例如，溅散板方向图可以是环焦性质的，波束峰值相对于如图2虚线所示的溅散板馈电轴而偏移。这种结构使得能够在反射波束中最小化旁瓣。此外，如图5A所示，波导馈源210可以配置为在低频带和高频带下，在孔处产生相似馈电方向图。这可以确保对于低频带和高频带而言，溅散板方向图(即，波束从溅散板230反射之后的方向图)是相似的，从而在反射器成形和天线性能方面最小化频带之间的折中。

在本实施例中，溅散板230由溅散板支撑240来支撑，所述溅散板支撑240包括第一接合部240a、第二接合部240c和支撑部240b，其中支撑部240b将第一和第二接合部240a、240c相连，使得可以相对波导馈源210将溅散板230支撑在预定位置处。在本实施例中，支撑部240b形成为连续壁，下文中将称作“支撑壁”。第一接合部240a配置为与波导馈源210的外表面相接合，第二接合部240c配置为与溅散板230的外缘相接合。在本实施例中，支撑240由介电常数大约为2.1的聚四氟乙烯(PTFE)来形成。

然而，本发明不限于这种材料，通常，可以将任意低介电常数的材料用作支撑240。随着介电常数的增大，应相应地降低壁的厚度，并且将会提高设计灵敏度。在本实施例中，在将溅散板装备配置为在Ka频带处使用的情况下，电介质溅散板支撑240的相对电容率ε_r应小于4，优选地，小于3。本发明不限于溅散板的这种ε_r范围，在配置为在不同频率处使用的其它实施例中，其它的ε_r值可以是合适的。在一些实施例中，可以将不同材料的分层结构用于以与雷达罩(radar-dome)结构类似的方式形成支撑壁240b。

如图2所示，溅散板支撑240是中空的。也就是说，支撑壁240b本身是固态的，但是成形为使得支撑240和溅散板230在波导馈源孔210a和溅散板230之间限定空间或空隙。在本实施例中，由于支撑部240b是连续壁，溅散板支撑240包围该空间。

波导馈源210延伸通过在支撑壁240b内的开口并进入该空间。由于支撑240配置为与波导馈源210的外表面相接合，波导馈源210的中空内部可以保持无电介质。这最大化了带宽(在所述带宽上可以调谐波导馈源210同时操作在两个分离的频带下)并且使得能够通过允许独立于完整溅散板装备对例如波导馈源等项目进行优化来简化设计工艺。此外，与传统固态支撑不同，中空溅散板支撑对辐射方向图影响最小，所以可以初始设计溅散板本身，而无需考虑溅散板支撑的影响。相反，由于电介质支撑的明显影响(特别是在馈源孔内)，传统溅散板支撑限于在单频带内使用。此外，必须将传统溅散板装备设计为完整装备，需要更为复杂和更消耗时间的设计过程。

此外，在本发明实施例中，支撑240配置为使得当将第一接合部240a与波导馈源210的外表面相接合时，将支撑240与孔210a分隔。具体地，第一接合部240a和支撑壁240b沿远离溅散板230的方向与孔210a分隔距离X。将支撑240置于波导馈源210的外部并以这种方式分隔支撑240和孔210a防止了支撑240的电介质主体干扰孔210a周围的电磁场。类似地，将支撑240与溅散板230的中心区域分隔防止了电介质干扰溅散板230电敏感中心区域周围的场。因此，图2所示支撑240可以最小化溅散板方向图中的损耗和失真。

尽管优选地在本实施例中将溅散板支撑240配置为与波导孔210a分隔，然而在其它实施例中，一旦溅散板支撑与波导馈源相接合，在支撑和孔之间可以没有分隔。

在本实施例中，支撑壁240b配置为厚度大致均匀。优选地，支撑壁240b的厚度小于或等于λ/2，其中λ是波束在支撑壁240b的电介质材料中的特征波长。具体地，厚度的优选范围可以是0.4到0.6λ，尽管在一些实施例中可以根据需要使用其它厚度。由于将双频带信号输入到波导馈源210中，因此在波束中存在波长范围。例如，特征波长可以是与从波导馈源孔发射的波束的传输频带的中心频率相对应的波长，或可以是该波束的平均波长，例如，该波束中包括的多个波长的平均波长。在本实施例中，将特征波长认为是在高频带和低频带之间的大致中间的波长，即与25-26GHz之间的频率相对应的波长。增加支撑壁240b的厚度将导致向低频带调谐溅散板支撑240，以高频带为代价。

图3A、3B和3C更详细地示出了溅散板支撑240，图3A、3B和3C是溅散板支撑240的前部透视图和后部透视图。如图3A所示，第二接合部240c配置为容纳并接合溅散板，为了清楚起见，图3A省略了溅散板。此外，如图3B所示，在本实施例中，第一接合部240a形成为配置为固定在波导馈源210周围的环。图3C示出了安装了溅散板230的溅散板支撑240。可以使用多种方法将第一接合部240a固定到波导馈源210，以及将第二接合部240c固定到溅散板230。例如，可以使用干涉配合(interference fit)、搭扣配合(snap fit)、螺钉配合、粘合剂或例如螺钉的机械紧固，来固定第一和第二接合部240a、240c。第一接合部210a可以配置为可调整的，使得当将支撑、波导馈源和溅散板装配到一起时，可以改变支撑240和孔210a之间的间隔距离X(如图2所示)。

第一和第二接合部240a、240c不限于图2、3A、3B和3C所示的形式，在其它实施例中，可以有区别地将第一和第二接合部成形。此外，尽管在本实施例中，将第一和第二接合部240a、240c和支撑壁240b集成形成为单个物体，然而在其它实施例中，它们可以单独形成，然后结合以形成支撑240。

优选地，将支撑壁成形为与来自溅散板的辐射场的相前近似相对应。这允许最小化电介质支撑对方向图的影响，因此使反射器天线能够在更宽传输频带处操作。具体地，可以基于两个带宽内的返回损耗和交叉极化性能来确定支撑壁的位置和厚度，并且支撑壁可以是曲线的或异形的以适应。尽管在本示例实施例中，将支撑壁240b形成为大致半球形并基于椭圆轮廓，然而本发明不限于这种特定设计。例如，在其它实施例中，支撑壁可以是平面的或测地的。支撑壁可以配置为最小化反射和对通过该支撑壁的波束路径的干扰。

现参考图4，示出了图2的双频带波导馈源的截面。如参考图2所述，将双频带波导馈源210配置为接收双频带输入信号，即，包括分布在第一传输频带和第二传输频带内的多个频率的信号。具体地，双频带波导馈源210配置为在第一传输模式下接收输入信号，其中在本示例实施例中，第一传输模式是TE₁₁模式。如图4所示，双频带波导馈源210包括装置210b，用于将高频带的传输模式从第一传输模式转换为混合传输模式，其中混合传输模式包括第一传输模式和第二传输模式。在本示例实施例中，第二传输模式是TM₁₁模式。可以将用于把第一传输模式转换为混合传输模式的装置称作“模式发射器”或“模式转换器”。模式发射器210b配置为不明显影响低传输频带的频率。因此，在孔210a处，在混合传输模式下(即，TE₁₁+TM₁₁)传播上传输频带中的频率，仅在第一传输模式下(即，TE₁₁)传播低频带中的频率。

更具体地，在本实施例中，模式发射器210b包括在波导馈源210内的锥形区域，其中波导馈源210的内直径从第一直径D₁增加到第二直径D₂。大于第一直径D₁的第二直径D₂是波导孔210a的直径。在本实施例中，波导孔210a的直径D₂近似等于低频带内信号的自由空间波长。这样确保在孔210a处，低频带内TE₁₁模式E&H平面方向图是相似的，并且得到的交叉极化非常低。

现将描述模式发射器210b在高频带内的频率上的操作。在模式发射器210b处波导馈源210直径相对突然的改变导致产生TM₁₁模式，所述TM₁₁模式仅在高频带内传播。具体地，选择相对直径D₁和D₂以便确保TM₁₁模式的截止频率在高频带和低频带之间。可以改变模式发射器210b的尺寸和与孔210a的距离Y，以便控制波导孔210a处的电场，并且可以选择模式发射器210b的尺寸和与孔210a的距离Y，以便以与传统双模馈电喇叭或Potter喇叭相似的方式，给出具有均匀孔场和低边缘场曲率的优化混合模式TE₁₁+TM₁₁馈电性能。更具体地，如图4所示，模式发射器201b与波导孔210a分隔预定距离Y，确保在高频带内TE₁₁模式和TM₁₁模式二者在孔210a处大致同相。具体地，TE₁₁模式和TM₁₁模式的相位差将根据与模式发射器210b的距离而改变。因此，可以选择距离Y，使得孔210a处的相位差接近于零，即，使得在高频带内TE₁₁和TM₁₁模式在孔210a处大致同相。

因此，通过控制模式发射器210b的尺寸和位置，即，内直径D₁和D₂以及与波导孔210a的间隔Y，可以在两个平面内实现均匀场方向图，并且可以降低交叉极化分量。尽管当设计模式发射器210b时仍考虑两个频带的返回损耗，然而低频带方向图可以依旧不受模式发射器210b的影响。尽管在本实施例中，模式发射器210b形成为波导馈源210的锥形部分，然而本发明不限于这种几何形状。例如，在其它实施例中，模块发射器210b可以形成为内直径的一个或多个台阶，或使用一些其它异形几何形状，例如，脊状几何形状。

上述特征可以确保波导馈源210在低频带和高频带内具有优化的和相似的方向图性能。

尽管在本实施例中使用了TM₁₁和TE₁₁模式，然而本发明不限于这种情况。其它实施例可以配置为与其它模式一同使用，例如孔尺寸应增加大约40％以便使用TE₁₂模式。在一些实施例中，可以使用波纹状的波导馈源。

图5A示出了图4波导馈源内低频带和高频带的共极化辐射方向图，图5B示出了图4波导馈源内低频带和高频带的交叉极化辐射方向图。类似地，图6A示出了图2的溅散板装备的针对低频带和高频带的共极化辐射方向图，图6B示出了图2的溅散板装备的针对低频带和高频带的交叉极化辐射方向图。图5A、5B、6A和6B中，0度角对应于视轴方向，即，从孔发射波束并定向所发送波束的方向。如图5A、5B、6A和5B所示，高频带和低频带二者在前向方向上展现相似的共极化分量和交叉极化分量。图5A和5B的波导馈源方向图主要感兴趣的是60°之外(与由溅散板包围的角度相对应)，在0°的视轴方向上具有多个波束峰。图6A和6B的溅散板装备方向图主要感兴趣的是80°之外，具有沿30°到60°之间的方向略微偏轴的共极化峰值。

现参考图7，示出了针对图2的双频带溅散板装备的返回损耗相对于频率的曲线图。尽管可以根据应用改变可接受极限值，然而通常在天线所用频率处的最大可接受返回损耗大约是20分贝(dB)。例如，在一些情况下，15dB的返回损耗可以是可接受的。在图7中，为了清楚起见，将低频带和高频带内的设计频率加阴影。如图7所示，在低频带和高频带内，返回损耗在20dB的可接受极限值以下。此外，返回损耗在20dB以下的可接受区域延伸超过所需频率带宽，因此本实施例的溅散板装备还适用于更宽频带。在高频带和低频带之间，存在26GHz和27GHz左右的返回损耗峰值。这些峰值是由于模式发射器引起的，可以通过改变模式发射器和波导馈源的尺寸而移至更高或更低频率。因此，在意欲在26GHz左右的频率处使用的本发明实施例中，通过相应地改变图4的尺寸D1和D2，可以相应地调整模式发射器以便确保返回损耗峰值不落在所需传输频带内。

图8A到8C示出了溅散板支撑的备选实施例。在该实施例中，反射器天线的溅散板装备包括波导馈源810和溅散板830，类似于图2的波导馈源和溅散板。此外，本实施例的溅散板840与图2的溅散板类似之处在于：包括用于与波导馈源810的外表面相接合的第一接合部840a，用于与溅散板830相接合的第二接合部840c，以及在两个接合部840a、840c之间延伸的支撑壁840b。然而，与图2实施例不同的是，在本实施例中，当从截面观看时，支撑壁840b是线性的，而不是曲线的。因此，当从三维观看时，本实施例的溅散板支撑840是锥形的。在该实施例和其它实施例中，可以沿支撑壁840b的轮廓改变壁厚度，以便优化性能。

尽管将本发明实施例描述为包括将接合部相连并围成空隙(即，没有电介质材料的空间)的连续壁，然而在其它实施例中，可以使用其它类型的支撑部。例如，代替壁，可以通过由支撑部(如，一个或多个电介质支柱，在支柱之间有开放空间)来结合第一和第二接合部。也就是说，在一些实施例中，支撑部可以不形成为壁，可以不是连续的。图9示出了根据本发明实施例的溅散板支撑940，其中支撑部940b包括将第一和第二接合部940a、940c相连的多个支柱。与图2、3A到3C和8A到8C的实施例中的支撑壁类似，将本实施例的支柱640b排列为限定在孔和溅散板之间的空间。

描述了本发明实施例，其中由于将溅散板支撑排列为限定波导馈源孔和溅散板之间的空间，本发明实施例可以允许用溅散板型反射器天线进行双频带操作。由于由支撑限定的空间包括由从孔到溅散板的电磁辐射波束采用的路径，波束的路径不受支撑的阻碍。因此，支撑的存在不影响高频带和低频带中的频率。相反，用传统溅散板支撑和波导馈源是不可能进行双频带操作的。本发明的实施例可以用于圆形极化和线性极化两者。

此外，尽管将本发明的实施例描述为波导馈源的截面是圆形，然而本发明不限于这种结构。可以使用一定程度上径向对称的其它横截面，例如，在一些实施例中，波导馈电喇叭可以具有方形截面，溅散板支撑可以类似地具有方形截面。

此外，将本发明的实施例描述为波导馈源包括模式发射器，所述模式发射器在孔附近的内直径比在波导馈源输入处的内直径大。这样确保电学上在孔处的直径比在输入处的直径更大，即，对应于更多数目波长。然而，在一些实施例中，内直径可以不在孔附近物理上更大。例如，由于在电介质中降低了波长，因此可以通过插入电介质插头或环而不物理上增加内直径，使波导馈源在孔处电学上更大。因此，模式发射器不必表现为物理尺寸上的改变。这种方法对性能具有不利影响，但仍可以用于特定应用中，例如，尺寸限制阻止在孔处使用更大的物理直径。

此外，尽管将本发明的实施例描述为溅散板支撑与波导馈源的外表面相接合，然而本发明不限于这种结构。例如，在一些实施例中，第一接合部可以形成为要插入在波导孔内的细环。这种结构一定程度上降低了性能，然而在空间限制阻止所述支撑与波导馈源的外表面相接合的实施例中可能需要这种配置。

尽管以上描述了本发明的特定实施例，然而本领域技术人员应认识到在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的前提下，有可能进行大量改变和修改。

Claims (15)

1.一种反射器天线，包括：

双频带波导馈源(210；810；910)，配置为在第一传输模式下接收输入信号，所述输入信号包括布置在高频带和低频带内的多个频率，所述波导馈源包括用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置；

反射器；

溅散板(230；830)，配置为将从波导馈源的孔(210a)发射的波束定向到反射器；以及

溅散板支撑(240；840；940)，包括：第一接合部(240a；840a；940a)，用于与波导馈源相接合；第二接合部(240c；840c；940c)，用于与溅散板相接合；以及支撑部(240b；840b；940b)，将第一接合部与第二接合部相连，并且布置为限定波导馈源的孔与溅散板之间的空间。

2.根据权利要求1所述的反射器天线，其中所述支撑部被配置为：当第一接合部与波导馈源相接合时，沿远离溅散板的方向与波导馈源的孔分隔。

3.根据权利要求1或2所述的反射器天线，其中所述支撑部的厚度大致小于或等于λ/2，其中λ是波束在支撑部内的特征波长。

4.根据权利要求3所述的反射器天线，其中所述特征波长是与从波导馈源的孔发射的波束的传输频带的中心频率相对应的波长，或是所述波束的平均波长，或是在平均波长和与中心频率相对应的波长之间的值。

5.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述支撑部的形状与从波导馈源发射的波束在被溅散板反射之后的波前相对应。

6.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述支撑部的截面是曲线的或椭圆的。

7.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述支撑部是大致连续的壁。

8.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述第一接合部被配置为与波导馈源的外表面相接合。

9.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述溅散板支撑由聚四氟乙烯PTFE形成。

10.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置与孔分隔预定距离，使得对于高频带而言，第一传输模式和第二传输模式二者在孔处大致同相。

11.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中用于将高频带的传输模式从第一传输模式转变为包括第一传输模式和第二传输模式的混合传输模式的装置包括波导馈源的内直径的锥形、一个或多个台阶或异形改变，并且将第一直径D₁的部分与第二直径D₂的部分相连，其中第二直径大于第一直径。

12.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述第一传输模式是TE₁₁模式，所述第二传输模式是TM₁₁模式。

13.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述波导馈源的截面是圆形，其中孔的直径大致是低频带中的频率的一个波长。

14.根据任一前述权利要求所述的反射器天线，其中所述波导馈源被配置为在Ka频带处使用。

15.一种卫星，包括根据任一前述权利要求所述的反射器天线。