CN104428948B - 包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽带卫星通信的天线系统 - Google Patents

包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽带卫星通信的天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括至少四个喇叭天线的天线系统，该四个喇叭天线支持两个正交的线偏振，并且在两个偏振面中具有阶梯状的收缩。通过对称的几何收缩使喇叭天线在两个偏振面中收缩的事实使得喇叭天线的带宽大致增加，从而使得能够服务宽的发射和接收频带或频率相距很远的发射和接收频带，诸如Ka频带。为了能够在相距很远的服务频带中最佳地操作各个脊状喇叭天线，有利地使喇叭天线和收缩都是阶梯状的。适当地选择喇叭天线的阶部和收缩的阶部的高度和宽度，使得能够将喇叭天线调节到与阻抗对应的服务频率。

Description

包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽带卫 星通信的天线系统
本发明涉及一种用于地面无线电台与卫星之间的宽带通信、特别是用于移动和航空应用的天线系统。
对用于以非常高的数据率发射数据的无线宽带信道的需求不断增长，特别是在移动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天线，具体来说，诸如尺寸小和重量轻的天线。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)，由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线系统的发射特性有极高要求。
在航空应用中，天线系统的重量和尺寸非常重要，因为它们降低了飞行器的有效载荷并且产生了额外的操作费用。
因此，问题在于提供尽可能小且重量轻、并且即使如此也能够符合在移动载体上进行操作期间的对于发射和接收操作的规定要求的天线系统。
例如，对发射操作的规定要求来自标准47CFR 25.209、47CFR25.222、47CFR25.138、ITU-R M.1643、ITU-R S.524-7、ETSI EN 302186或ETSI EN 301 459。所有的这些管理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射操作期间在相邻的卫星之间不产生干扰。为此目的，通常基于相对于目标卫星的分离角来定义最大光谱功率密度的包络(遮罩，mask)。在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定分离角规定的数值。这导致了对于根据该角度的天线特性的严格的要求。随着与目标卫星的分离角增大，天线增益必须急剧减小。这仅能够通过天线的非常均匀的幅度和相位配置而物理实现。因此，通常使用具有这些特性的抛物线天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物线镜因其尺寸和圆形孔而仅具有很差的适用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且因此由于额外的空气阻力而必须仅具有最小的可能高度。
虽然设计成抛物线(“香蕉状的镜子”)截面的天线是可能的，但是由于其几何收缩，所以它们仅具有很低的效率。
相反，能够使用任意几何形状和任意纵横比设计由单辐射元件构成并且具有合适的馈送网络的天线阵列，而不会对天线效率产生不利影响。特别地，能够实现很低高度的天线阵列。
然而，特别是当接收频带与发射频带分开很远时(诸如在接收频率大约是18GHz-21GHz并且发射频率大约是28GHz-31GHz的Ka频带中)，在天线阵列中产生的问题是：阵列的单辐射元件必须支持很大的带宽。
已知喇叭天线是迄今阵列中的最有效率的单辐射元件。另外，喇叭天线可以是宽带设计的。
然而，在由喇叭天线构成并且通过纯波导网络馈送的天线阵列的情况下，在天线图形中产生明显的寄生旁瓣(称为“栅瓣”)的已知问题。由于根据该设计的波导网络的尺寸，所以这些栅瓣由形成天线阵列的天线元件的波束中心(相位中心)彼此间隔太大而引起。特别是在大约20GHz以上的频率，这能够在特定波束角处导致天线辐射元件之间的正干扰，并且因此导致在不期望的立体角范围内不期望地发射电磁功率。
如果接收频率和发射频率也处于分开很远的频率上，并且如果为了管理原因而需要根据发射频带的最小有用波长来设计波束中心之间的间隔，则喇叭天线通常变得如此小，以至于喇叭天线不再能够支持接收频带。
例如，在Ka频带中，最小有用波长是仅大约1cm。使得天线阵列的辐射元件密集，也就是说不产生寄生旁瓣(栅瓣)，矩形喇叭天线的孔面面积可以是仅大约1cm×1cm。然而，由于有限的开口角度意味着需要将其接近截止频率而操作，所以传统的这种尺寸的喇叭仅在接收频带中具有大约18GHz-21GHz的很低的性能。Ka接收频带不再能够支持这样的喇叭，或者喇叭的效率在该频带中急剧降低。
另外，由于变得需要在喇叭输出端处的被称为变换器的正交模式信号转换器，所以喇叭天线通常具有进一步限制几何机动空间的两个正交偏振。因为在相对高的GHz频率不存在可用的充足安装空间，所以使用波导技术的正交模式信号转换器的设计通常失败。
如果密集地封装阵列中的喇叭天线，则还存在位于喇叭阵列后面的可用安装空间不能进一步容纳有效的馈送网络的问题。
已知使用波导技术设计的喇叭天线的阵列的馈送网络仅产生很低的消耗性损失。在最佳情况下，由波导部件馈送阵列的单个喇叭天线，并且整个馈送网络同样包括波导部件。然而如果接收频带和发射频带包含分开很远的频率，则产生传统的波导不再能够支持然后要求的频率带宽的问题。
举例来说，在Ka频带中要求的带宽超过13GHz(18GHz-31GHz)。传统的矩形波导不能有效地支持这样大的带宽。
因此，对于移动的、特别是航空的小尺寸的卫星天线产生下面的需要同时解决的问题：
1.在使得能够以最大光谱功率密度操作天线的发射频带中没有寄生旁瓣(栅瓣)的符合规定的天线图形，
2.即使在小的单辐射元件尺寸的情况下，在接收频带和发射频带二者中也有高的天线效率，
3.占据尽可能小的安装空间并且产生可能的最低消耗性损失的有效馈送网络，
4.可能的最紧凑并且节省空间、同时具有可能的最高天线效率的天线的设计。
如果通过适当的布置解决了这些问题，则即使仅存在用于小天线的有限的安装空间，也能够提供一种性能卓越的宽带系统。
已知：如果单辐射元件的相位中心小于最大的有用频率的波长，则设计成单辐射元件的阵列的天线能够用于实现无栅瓣的天线图形。另外，已知这种天线阵列的抛物线幅度配置能够抑制天线图形的旁瓣(例如，J.D.Kraus和R.J.Marhefka,“Antennas:for allapplications”,3rd ed.,McGraw-Hill series in electrical engineering,2002)。特定的幅度配置使得能够实现最佳匹配到给定天线尺寸的管理遮罩(例如，DE 10 2010 019081 A1；Seifried,Wenzel等人)。
本发明的目的是提供一种特别是用于航空应用的GHz频率范围中的宽带天线系统，该宽带天线系统使得能够以最小尺寸利用最大光谱功率密度进行符合规定的发射操作，并且同时在接收操作中具有高的天线效率和低的背景噪音。
通过根据权利要求1的天线系统实现该目的。
根据本发明，该天线系统包括至少四个喇叭天线，其中，喇叭天线支持两个相互正交的线偏振，并且在两个偏振面中都装备有收缩。由于喇叭天线在沿着电磁波的传播方向具有对称的几何收缩的两个偏振面中是收缩的(设置有“脊”)，所以能够极大地增加喇叭天线的带宽。因此，像在Ka频带中的情况一样，能够使用即使是宽的发射和接收频带或者处于大频率间隔的发射和接收频带。
使得当有用频带相距很远时，也能够以最佳方式操作各个脊状喇叭天线，喇叭天线和收缩二者都需要是阶梯状设计。然后，适当选择喇叭天线的阶梯的高度和宽度，以及收缩的阶梯的高度和宽度，使得喇叭天线能够设置有与有用频带匹配的适当阻抗匹配。
然后，在优选实施例中，选择相反的阶梯收缩之间的间隔和关联的喇叭截面的开口，使得该间隔从孔口到喇叭端部逐阶减小，并且在每个阶部上，与各个间隔并且与各个喇叭开口相关的下截止频率比最低有用频率低。
为了实现高水平的交叉偏振去耦，更有利的是将喇叭天线设计成使得它们支持两个正交的线偏振。这样的喇叭天线能够用于实现远超40dB的隔离。特别是在利用高频谱效率编码的信号的情况下，需要这样的隔离值。
能够使用数字模拟方法确定与各个间隔和各个喇叭口关联的下截止频率。
另外，使得在天线系统的天线图形中不产生寄生旁瓣(栅瓣)，直接相邻的喇叭天线的相位中心之间的间隔小于或至多等于由于管理原因而不允许产生栅瓣的最高发射频率的波长λS。
另外，喇叭天线的孔选择为矩形是有利的，特别优选地，使得两个缘长小于或至多等于λS。然后，以最佳方式采用可用的孔表面区域，并且实现最大的天线增益。
对于包括多个喇叭天线的天线系统，已经发现以下是有利的：如果选择喇叭天线中的阶梯和收缩中的阶梯，使得至少对于一些阶梯，对于两个相反的收缩上的第i个阶梯之间的间隔di和第i个阶梯的喇叭天线截面的相关的缘长ai(例如，图4d)，
其中λE表示最低有用频率的波长，p1处于0.3与0.4之间，并且p2处于0.25与0.35之间。
在这种情况下，不仅能够实现喇叭天线与有用频带的良好的阻抗匹配，而且能够实现天线系统的整体的良好阻抗匹配。即使有用频带相距很远，这也适用。
如已知的那样，能够实现良好的阻抗匹配，特别是对于K/Ka频带(接收频带：大致18GHz-21GHz，发射频带，大约28GHz-31GHz)，当p1＝0.35,p2＝0.29以及0.5cm<a0<1cm时，a0表示喇叭天线的矩形孔的长缘。
在更有益的实施例中，喇叭天线的孔大致是具有缘长a0的方形。在该情况下，喇叭天线沿着两个正交方向密集，并且天线系统具有非常好的与有用频带的阻抗匹配，如果至少对于一些阶部，对于两个相反的收缩上的第i个阶梯之间的间隔di与在第i个阶梯处的喇叭天线截面的相关的缘长ai(例如，图4d)，
并且同时
其中，p1＝0.35并且p2＝0.29，并且λS表示最高有用频率的波长。
如果天线系统的喇叭天线满足条件(1)和(3)，则实现了在通过天线图形的任意界面上都没有寄生旁瓣(栅瓣)并且可能在所有的有用频带中都具有最大天线增益的天线系统。这样的天线系统特别是对于航空应用是有利的，因为它们允许全球使用。
根据本发明的有益的进一步发展，单辐射元件支持第一偏振和第二偏振，并且两个偏振彼此正交。根据本发明的有利的进一步发展，第一偏振和第二偏振是线偏振。
两个正交偏振的信号布置在分离的馈送网络中，这具有这样的优点：诸如偏振器或90°混合耦合器这样的适当部件能够用于发送和接收线偏振信号和圆偏振信号二者。
为使天线可以具有可能的最小尺寸，并且仍然变得能够以最大光谱功率密度进行符合规定的发射操作，本发明的一个有利的进一步发展还提供至少一些单辐射元件的尺寸为：对于直接相邻的单辐射元件，单辐射元件的相位中心之间的间隔小于、或等于不允许产生寄生旁瓣(栅瓣)的最高发射频率的波长(发射频带中的参考频率)。
如果至少四个相邻的单辐射元件也位于不同的直接相邻的模块中，则通过天线阵列限定至少一个方向，使得对于该方向，单辐射元件的相位中心之间的间隔小于或等于不允许产生寄生旁瓣(栅瓣)的最高发射频率的波长。
然后，在该方向上，优选地沿着天线阵列的直线，直接相邻的单辐射元件是密集的，这意味着在天线图形的对应部分中不能产生寄生旁瓣(“栅瓣”)。否则，这些栅瓣将导致规定允许的光谱功率密度的极大减小。
原则上，合适的单辐射元件是支持两个正交偏振的所有已知辐射元件。举例来说，这些是矩形或圆形的喇叭天线。
如果模块具有至少近似的矩形几何形状，也就是说包含：Ni＝nl×nk个的单辐射元件则更加有利，其中，Ni、n、i、l、k是偶数，记并且N是单辐射元件的总数。这种类型的矩形模块能够以节省空间方式结合到天线阵列。另外，能够利用二值设计的微带线网络相对容易地馈送矩形模块。
为了生产具有尽可能低的消耗性损失的天线，使单辐射元件为喇叭天线的形式是有利的，所述喇叭天线是一些最低损失的天线。在这种情况下，能够使用具有矩形孔口的喇叭天线和具有圆形孔口的喇叭天线二者。如果在天线图形的任意部分中都不产生栅瓣，则具有方孔口的喇叭天线是有利的，然后选择孔口的尺寸，使得直接相邻的喇叭天线的相位中心之间的间隔小于或等于作为参考频率的不允许产生栅瓣的最高发射频率的波长。
还能够有利地将喇叭(喇叭天线)设计成填充了电介质的喇叭。根据填充物的介电性能，喇叭中的有效波长增大，并且喇叭能够支持比不填充的情况大得多的带宽。虽然填充电介质导致通过电介质的寄生损失，但是这些损失比较小，特别是在很小的喇叭的情况下。例如，对于Ka频带中的应用，大约2的介电常数的填充电介质就足够了。在具有几厘米的深度的喇叭的情况下，当使用适当的材料时，这导致<0.2dB的损耗。
如果发射频带宽和接收频带宽处于分开很远的频率上，则根据本发明的更有益的限定，将喇叭天线设定为阶梯状喇叭。设定阶梯的宽度和长度以及阶梯的数量，然后使天线最优地匹配到各个有用频带。
特别是在很小的喇叭天线的情况下，能够通过装备有介质十字膜片或介质透镜的独立喇叭天线实现接收功率的进一步提高。具体地，即使单辐射元件的孔面面积如此小，以至于在没有这些额外的电介质结构的情况下几乎已经完全反射自由空间波，也能够通过这样的结构明显减小接收频带中的插入损耗(S11)。
由于在并行馈送单辐射元件的情况下，例如作为填充电介质的结果而仅出现一次消耗性损失，所以根据本发明的有利的进一步发展来并行馈送天线阵列的喇叭天线。这在微带线和波导构造成二叉树时最为有效，因为在单个辐射元件的总数N和模块Ni中的单辐射元件的任意值的情况下，功率分配器的数量最小化。
在这种情况下，通常情况下二叉树既不完整也不完全对称。
然而，根据本发明的有利的进一步发展，如果其中ni是整数，则对于天线系统的所有模块或至少对于大多数模块，能够进一步减小功率分配器的数量，因为在这种情况下，至少一些二叉树完整。
另外，如果N＝2n，其中n对应于整数，则特别有益。在这种情况下，能够将天线系统的馈送网络设计成完整并且完全对称的二叉树，并且所有的单辐射元件能够具有相同的馈送线的长度，即，包括非常相似的衰减。
如果微带线位于薄基板上并且布线在闭合的金属腔体中也是有利的，腔体通常充满空气。在这种情况下，如果基板的厚度比微带线的宽度小，则通常将基板记为薄的。
与同轴线相似的通常将空气作为填充物的设计导致了比较低损失的高频率线。从而已经发现了这样的线在例如Ka频带的消耗性损失仅比波导的损失高5至10个因子。由于这些线仅用于比较短的距离，所以绝对损耗保持得比较低。因此，这样的线对系统的背景噪声的噪声贡献也保持得相对低。
由于由多个层构成，并且两个正交偏振的微带线网络位于两个不同的层之间，所以能够极大地有助于密集封装的天线系统的生产。然后，能够由一些层组装天线系统的模块。有利地，层由能够使用已知的构造方法(铣削、蚀刻、激光、线侵蚀、水切割等)构造的铝和相似的导电材料制成。微带线网络使用已知的蚀刻方法构造在基板上。
有利地，利用金属层直接构成布线微带线的腔体。如果将腔体设计成位于微带线上方和下方的各个金属层中的切口或凹部，则微带线与其基板一起位于包括两个半壳的腔体中。能够借助设置有电镀通孔(贯穿孔)的基板对腔体的壁进行电封闭。在这种情况下，贯穿孔的“围栏”能够几乎完全防止这样的布置中的电磁功率的损耗。
如果天线的接收频带和发射频带处于分开很远的频率，则可能是标准波导(矩形波导)不再能够支持需要的带宽的情况。在这种情况下，将波导设置有沿着电磁波的传播方向的几何收缩是有利的。这样的收缩能够极大地增加有效带宽。在这种情况下，收缩的数量和布置取决于天线系统的设计。
在很大的有效带宽的情况下，已知双脊波导是有利的，双脊波导能够具有比标准波导明显大的带宽。这些波导具有与支持的偏振方向平行的几何收缩，这防止了产生寄生高次模。
在很高的有用频率或很密集的单辐射元件的情况下，本发明的一个有利的进一步发展包含用于波导馈送网络的电介质填充波导。这样的波导要求比空气填充的波导小的多的安装空间。根据安装空间的需求，在这种情况下，一些或整个波导网络还能够包括电介质填充波导。局部填充也是可以的。
为了进一步处理信号，例如，通过将低噪声放大器(LNA)耦合到接收馈送网络和/或将功率放大器(“高功率放大器”HPA)耦合到发射馈送网络，使馈送网络装备有频率双工器可能是有利的。这样的频率双工器将接收频带从发射频带分离。在这种情况下，波导双工器特别地有利，因为波导双工器能够实现非常高等级的隔离并且具有很低的衰减。
频率双工器插入到馈送网络内的点取决于应用的各个实例。举例来说，可以设想天线阵列的每个模块都使其输出端或输入端直接装备有双工器。然后，这些双工器的输入端或输出端使所有的信号组合处于单纯形式：接收频带中的偏振1、接收频带中的偏振2、发射频带中的偏振1、和发射频带中的偏振2。然后，模块能够通过四个合适的波导网络彼此连接。该实施例具有这样的优点：因为每个波导馈送网络都仅需要对于接收或发射频带中的信号适用，所以波导馈送网络不需要覆盖很宽的频带。
然而，还可以设想将每个频率双工器仅安装在波导网络的输入端或输出端处。这样的实施例节省了安装空间，但是通常要求波导网络的宽带设计。
对于发射和接收在不同偏振中发生的应用，或在发射或接收信号的偏振动态变化(“偏振分集”)的应用的情况下，如果将模块内微带线网络和模块间微带线网络设计成使得它们能够同时支持发射和接收频带是有利的。
如果天线设置有连接到合适的高频交换矩阵的频率双工器，则正交偏振之间的动态转换是可能的(“偏振切换”)。
当天线将要用于使用称为“点波束”技术的卫星服务中时，这样的实施例是特别有利的。“点波束”技术在地球的表面上引起了比较小的表面面积(小区)的覆盖区域(大约200km-300km的Ka带中的典型直径)。为了能够在相邻的小区中使用相同的频带(“频率重复使用”)，相邻的小区仅通过信号的偏振而区别。
当将天线用在快递移动的载体上、特别是用在飞行器上时，则发生很大数量并且很快速的小区改变，并且天线必须能够对接收和发射的信号的偏振快速改变。
相反，如果天线用于卫星服务，在该卫星服务中接收或发射信号的偏振是固定的并且不随着时间和地理位置而改变，则如果第一模块内微带线网络和关联的模块间波导网络设计成用于天线的接收频带，并且第二模块内微带线网络和关联的模块间波导网络设计成用于天线系统的发射频带，是有利的。
该实施例具有这样的优点：能够对于各个有用频带优化各个馈送网络，并且因此，生产了具有高性能的低损失的天线系统。
如果对于两个正交的线偏振设计天线系统的辐射元件，则根据本发明的一个有益限定，馈送网络装备有已知的90°混合耦合器。在这种情况下，90°混合耦合器是将两个正交的线偏振信号转换为两个正交的圆偏振信号的四端口网络，并且反之亦然。然后也能够将这样的布置用于传送和接收圆偏振信号。
可代替地，为了接收和传送圆偏振信号的目的，天线阵列还可以装备有已知的偏振器。通常，这些是位于大约垂直于电磁波的传播方向的一个平面中的适当构造的金属层。在这种情况下，金属结构的效果是其在一个方向上电容性地作用并且在正交的方向上感应地作用。对于两个正交偏振信号，这意味着对两个信号强加相位差。如果在通过偏振器之前将相位差设定为精准的90°，则两个正交的线偏振信号转换为两个正交的圆偏振信号，并且反之亦然。
为了实现大的有用带宽，偏振器有利地包括多个层，该多个层安装在彼此的特殊间隔处(通常安装在四分之一波长的区域中)。
偏振器的一个特别合适的实施例是多层曲流线偏振器。在这种情况下，使用常用的结构化方法以将合适尺寸的金属曲流结构构造在通常的薄基板上。然后将以这种方式构成的基板附着结合到泡沫板上，或堆叠成夹层结构。合适的泡沫的实例是诸如Rohacell或XPS这样的低损失闭孔泡沫。
有利地，在这种情况下，一系列的泡沫板、粘合膜和结构化的基板能够彼此叠置，并且能够利用按压器按压。然后以相对简单的方式得到合适的低重量的偏振器。
根据本发明的更有益的限定，如果偏振器不精确地垂直于电磁波的传播方向安装在天线阵列的前方，而是以稍微倾斜的方式安装，则实现很高的有用带宽和高的交叉偏振隔离。在这种布置中，偏振器与天线阵列的孔表面区域之间的通常间隔位于有用频率的波长区域中，并且相对于孔平面的倾斜角处于从2°到10°的范围中。
在发射频带中，由于天线系统的天线图形必须在符合规定的遮罩下方，并且在小天线的情况下，仅当图形尽可能地接近遮罩时能够利用高的光谱功率密度传送，所以天线系统设置有幅度配置(“孔振幅渐变”)可能是有利的。特别是在平面孔口的情况下，孔的抛物线幅度配置特别适用于此。举例来说，在这种情况下，抛物线幅度配置的特征在于：单辐射元件的功率贡献在天线阵列的边缘向中心增加，得到了抛物线状轮廓。
天线阵列的这样的幅度配置导致抑制了天线图形中的旁瓣，并且因此，导致符合规定的更高的光谱功率密度。
在地球同步卫星服务中的应用的情况下，由于仅需要沿着目标卫星的位置处的地球同步轨道的切线抑制旁瓣，所以天线阵列系统的幅度配置优选地设计成使得其至少沿着天线系统的辐射元件密集的方向有效果。在这种情况下，在单辐射元件的相位中心之间的间隔小于或等于不产生明显的寄生旁瓣(栅瓣)的最高发射频率的波长的方向上，辐射元件是密集的。
另外，通过优选实施例的描述，本发明的进一步的优点和特性变得明显。在这里描述的特性能够单独实施或者与一个或多个的前述特性结合实施。参考附图进行优选实施例的下面的描述。
附图说明
图1a-b示意性地示出发明的包括8×8阵列的单辐射元件的天线模块；
图2a-b示出用于8×8天线模块的示例性的微带线馈送网络；
图3a-d示意性地示出包括天线模块的发明的天线的示例性设计，和利用波导网络的模块的网络联接；
图4a-d示出单个四脊喇叭天线的具体设计；
图5示意性地示出包括四脊喇叭天线的2×2天线模块的具体设计；
图6a-b示出包括填充了电介质的喇叭天线的示意性的8×8天线模块；
图7a-d示出单个填充了电介质的喇叭天线的示例性的具体设计；
图8示意性地示出包括填充了电介质的喇叭天线的2×2模块的具体设计；
图9示出设置有介质格栅以提高阻抗匹配的发明的模块；
图10a-b示出使用层技术的发明的模块；
图11a-d示出使用层技术的发明的模块的具体设计；
图12示意性地示出发明的模块的真空模型；
图13示出由双脊波导构成的波导功率分配器的示例性设计；
图14示意性地示出偏振器的层；
图15a-b通过实例的方式示出发明的天线系统的示意性幅度配置和导致的最大的符合规定的光谱EIRP密度；
图16以块图的方式示出用于发射和接收信号的固定偏振的发明的天线系统的可能的设计；
图17以块图的方式示出使用90°混合耦合器的发射和接收信号的可变偏振的发明的天线系统的可能的设计；
图18以块图的方式示意性地示出使用偏振器的带有发射和接收信号的可变偏振的发明的天线系统的设计。
下面更具体地说明在图中示出的天线及其部件的示例性实施例。
图1a-b示出发明的天线的天线模块的示例性实施例。在这种情况下，将单辐射元件1设计成能够支持两个正交偏振的矩形喇叭天线。
两个正交偏振的模块内微带线网络2、3位于不同的层之间。
天线模块包括布置在8×8天线阵列(Ni＝64)中的总共64个主单辐射元件1。选择单辐射元件的尺寸及其孔径面积的大小，使得各辐射元件的相位中心之间的沿着两个主轴的间隔比λmin小，其中，λmin表示最高有用频率的波长。该间隔确保了在天线图形中的最大有用频率(参考频率)内，在任意方向上不会产生称为“栅瓣”的寄生旁瓣。
在图1a-b所示的天线模块的示例性情况中，由于两个微带线网络将来自64个单辐射元件的信号集合到一起，所以两个微带线网络是64:1功率分配器。图2a-b中示出两个微带线网络的示例性的内部结构。
然而，还可以设想模块包括更少或更多数量的喇叭天线的实施例。例如，对于K/Ka频带天线，4×4模块是最好的。微带线网络是将来自16个单辐射元件的信号集合到一起的16:1功率分配器。在这种情况下，微带线相对短并且因此其噪声贡献维持为小的。
因此，根据应用，模块尺寸的适当设计使得能够建立具有最佳功率参数的天线。有利地，为了能够使用波导来馈送模块，使模块仅为必要的大小。从而使微带线的寄生噪声贡献最小化。
在根据偏振分开的各个情况下，两个微带线网络2、3将已经集合到一起的信号耦合为微带至波导耦合器4、5，如图1b所示。这些波导耦合器4、5使得任意数量的模块能够耦合，以使用波导网络有效地并且低衰减地形成发明的天线系统。
图2a-b示出用于馈送图1a-b中的8×8天线模块的单辐射元件1的两个示例性微带线网络2、3。这两个网络设计成二值64:1功率分配器。
两个相互正交的微带至波导耦合器6、7将正交的偏振信号与8×8模块的各个喇叭天线耦合或者退耦(断开)。总和信号在波导耦合器4a和5a处与波导耦合或退耦。由于两个微带线网络2、3通常重叠地位于两个平面中，所以波导电刷4b和5b同样位于相应的板上，以提供到波导耦合器4a和5a的贯穿和连接。
能够使用所有已知的方法生产微带线网络2、3，低损失的基板特别适用于天线。
图3a-d通过实例的方式示出如何能将各种天线模块8耦合以形成发明的天线系统。
发明的天线系统包括M个模块，M需要至少是2。图3a-d通过实例的方式示出具有Ni＝8×8＝64(i＝1,...,16)个单辐射元件1的模块。M等于16，并且模块布置成8×2阵列(例如图3a)，从而产生具有个单辐射元件的矩形天线。
然而，同样可以设想模块的其它布置和其它模块尺寸。例如，还能够将模块布置成圆。还不需要使所有的模块具有相同的尺寸(单辐射元件的数量)。
然后使用波导网络9、10将模块8彼此连接。为此，将波导网络9、10的相应波导输入耦合点11、12连接到各个模块8的相应的波导耦合器4、5(例如图1b)。
波导网络9、10自身均为M：1功率分配器，使得能够经由总和端口13、14将两个正交的偏振信号馈送到天线系统以及从天线系统退耦。
根据应用和要求的频率带宽，能够将诸如传统的矩形或圆形波导或更加宽带的脊状波导这样的多种波导用作波导网络9、10。还可以设想填充有电介质的波导。
举例来说，波导网络的直接与波导耦合器4、5毗邻的部分填充有电介质是有利的。然后，填充有电介质的波导的尺寸明显减小，因此，这意味着使要求的安装空间最小化。
因此，根据权利要求1设计图3a-d所示的天线：
该天线包括N个单辐射元件1的天线阵列，每个单辐射元件1都能够支持两个独立的正交偏振，并且N表示天线阵列的单辐射元件1的总数。
另外，天线阵列由模块8构成，其中每个模块都包括Ni个单辐射元件，并且记
另外认为在图3a-d中的示例性实施例的情况下，每个模块都包含Ni＝nl×nk个单辐射元件，Ni、n、i、l、k是整数，并且记
单辐射元件1的尺寸(参见图1a-b)为：对于通过天线阵列的至少一个方向，喇叭天线的相位中心之间的间隔小于或等于不允许产生栅瓣的最高发射频率的波长。
对于两个正交偏振中的每个正交偏振，分别通过微带线馈送单辐射元件1(参见图2a-b，微带到波导耦合器6、7)。
一个正交偏振的微带线连接到第一模块内微带线网络2，并且另一个正交偏振的微带线连接到第二模块间微带线网络3。
第一模块内微带线网络2耦合到第一模块间波导网络9，并且第二模块内微带线网络3耦合到第二模块间波导网络10，使得第一模块间波导网络9将第一总和端口13处的一个正交偏振的所有信号集合到一起，并且第二模块间波导网络10将第二总和端口14处的另一个正交偏振的所有信号集合到一起。
另外，在这种情况下，将微带线网络2、3和波导网络9、10设计成完整并且完全对称的二叉树，使得并行地馈送所有的单辐射元件1。
图3c和3d示出相应的天线系统的物理实现。模块8包括单辐射元件1并且具有两个不同的尺寸，即，每个模块8的单辐射元件1的数量对于所有的模块8不是相同的。中间的四个模块8均具有比其它四个模块8多的8个单辐射元件1。这导致了在左手缘和右手缘处的天线系统的高度比中央区域的低。当天线系统需要以最佳方式匹配到气动屏蔽罩时，这样的实施例是特别有利的。
对于每个偏振，分别通过两个波导网络9和10馈送模块8。在这种情况下，波导网络9、10位于模块后面的两个分离的层中，并且模块通过耦合到模块4、5的波导耦合器的输入耦合点11、12连接到波导网络9、10。在这种情况下，两个波导网络9、10实现为铣槽特征(milled-out features)。
如果天线系统的发射和接收频带位于分开很远的频率上，则可能产生如下情况：阵列的单辐射元件1的尺寸需要如此小，以至于两个频带的较低频带接近单辐射元件1的截止频率或甚至低于该截止频率。通过实例的方式，传统的喇叭天线不再能够支持该频带，或该喇叭天线的效率急剧下降。
例如，在K/Ka频带操作的情况下，从而接收频带是大约19GHz-20GHz，并且发射频带是大约29GHz-30GHz。为了满足天线图形在发射带中没有寄生旁瓣(“栅瓣”)的条件，单辐射元件1的孔的尺寸必须不超过1cm×1cm(λmin是1cm)。
然而，因为可接受的匹配自由空间的阻抗是不再可能的，所以例如具有仅1cm×1cm的孔口的传统的双偏振喇叭天线或多或少地在19GHz-20GHz停止操作(λmax＝1.58cm)。另外，需要很接近下截止频率地操作喇叭天线，这可能导致很高的消耗性损失和很低的天线效率。
可以将主单辐射元件1设计成脊状喇叭天线。与传统的喇叭天线相比，这样的喇叭天线具有极大地延伸的频率带宽。
然后，使用天线物理的方法执行这样的脊状喇叭与自由空间的阻抗匹配。在这种情况下，脊状喇叭设计成使其支持两个正交偏振。举例来说，这是利用对称的四脊喇叭实现的。通过分离的微带线网络2、3来回地对正交偏振的信号进行路由。
图4a示意性地示出使用四脊喇叭天线1的实例的装备有对称的几何收缩的喇叭天线的具体设计。喇叭天线1包括三个部分(层)，并且两个微带线网络2、3位于这些部分之间。
喇叭天线1装备有与正交偏振方向一致的对称几何收缩15、16，该几何收缩15、16沿着电磁波的发射方向延伸。
这样的喇叭称为“脊状”喇叭。图4a示出能够基于宽带支持两个正交偏振的示例性的四脊单个喇叭。
如图4b和4c的截面所示，几何收缩是阶梯状设计的，并且收缩15、16之间的间隔在输入和输出耦合点的方向上变短。这使得能够实现很大的频率带宽。特别地，能够生产这样的喇叭天线1，该喇叭天线1能够支持在分开很远的频率上的发射和接收频带，而没有明显的效率损失。这些天线的一个实例是K/Ka频带卫星天线。在这种情况下，接收频带是18GHz-21GHz，并且发射频带是28GHz-31GHz。
阶梯的深度、宽度和长度取决于预期的有用频带，并且能够通过数字模拟方法确定。
信号与微带线网络2、3的耦合和退耦通常发生在各个偏振方向的收缩15、16的允许很宽频的阻抗匹配的最窄点。
图4d示意性地示出两个相反的收缩16的位置处的通过脊状喇叭的纵向截面的部分。收缩16是阶梯状设计，并且相反的阶梯之间的间隔di从喇叭天线的孔(顶端)到喇叭端部(底端)减小。
另外，喇叭自身是阶梯状的(例如，图4a-c)，使得对于每个阶梯，在从喇叭天线的孔到喇叭端部的相应的截面中，喇叭开口的缘长ai同样减小。
现在，间隔di和关联的缘长ai、或无论如何至少它们中的一部分设计成使得：各脊状波导部的关联的下截止频率位于喇叭天线的最低有用频率以下。仅当满足该条件时，相应波长的电磁波才能够进入喇叭天线直到波导至微带线耦合，并且在该点处耦合或退耦。
由于消耗性衰减随着接近下截止频率而极大地增加，所以有利地选择间隔di和关联的缘长ai，使得维持与截止频率的适当间隔，并且衰减不变得太高。
另外，必须容许在包括多个喇叭天线的天线系统中，辐射元件的相互耦合是有效的。
然而，如已经示出地，通过在包括通过喇叭的相关截面中的孔的缘长ai和间隔di分析性地描述了有益实施例。
图5示意性地示出2×2天线模块的发明性设计，包括：四个四脊喇叭天线1；用于微带线网络2、3的四个退耦点17；分别用于两个正交偏振中的每个偏振的两个微带线网络2、3；和从微带线网络2、3到波导耦合器4、5的退耦点。同样地示出喇叭天线1的作为对称脊15、16的收缩。
由喇叭天线1支持接收和辐射的两个正交偏振信号pol1和pol2通过耦合和退耦点17馈送到相关的微带线网络2、3并从相关的微带线网络2、3提取。
微带线网络2、3依次设计成二值4:1功率分配器，并且将总和信号耦合到波导4、5内。
在这种情况下，在垂直方向上的两个相邻的喇叭天线1的相位中心之间的间隔比λmin小，这意味着：至少在该方向上，在天线图形中不会产生意料之外的寄生旁瓣(“栅瓣”)，并且在该方向上喇叭天线密集。
在图5所示的实例中，喇叭天线1的相位中心与喇叭天线1的波束中心一致。然而，通常这不是必须的情况。然而，能够使用数字模拟方法确定任意几何形状的喇叭天线1的相位中心的位置。
微带线的已知的宽带性质使其特别适用于由脊状喇叭天线1支持的信号的耦合和退耦。另外，微带线仅要求很小的安装空间，这意味着高效率，同样能够对于很高的频率(例如，30GHz-40GHz)实现天线图形不具有寄生旁瓣(“栅瓣”)的宽带喇叭天线天线系统。
图6a-b示出本发明的进一步实施例。在这种情况下，天线模块由电介质填充喇叭天线18构成。举例来说，在这种情况下，填充有电介质19的喇叭天线18布置成8×8天线阵列，并且经由微带线网络2、3彼此耦合。
微带线网络2、3将总和信号耦合到波导耦合器4、5内。
图7a-c示出完全填充有电介质的单个喇叭天线18的内部设计。像喇叭天线18自身一样，电介质填充体(电介质)19同样包括通过微带线网络2、3限定的三个部分。
如在图7b-c中通过实例示出的截面中，单辐射元件1具有阶梯状的内部设计，使得单辐射元件1能够支持分开很远的两个频带。最高频带通常由距离单辐射元件1的孔口最远的微带线网络3在最窄或最低点耦合和退耦。下频带在位于朝着孔口较远的点处由微带线网络2耦合和退耦。
阶梯的深度、宽度和长度取决于预期的有用频带，并且在这种情况下也能够使用数字模拟方法确定。
然而，如果微带线网络2、3的两个耦合和退耦点在物理上足够彼此靠近，则喇叭天线1还能够设计成使得两个耦合和退耦点能够支持发射频带和接收频带二者。
电介质填充体19也同样地是阶梯状设计，从而确保相应的精确配合。在孔表面处的填充体19的形状取决于单辐射元件1的天线图形的电磁要求。如图所示，填充体19在孔口处可以是平面设计。然而，也可以是例如向内或向外弯曲的设计。
适合的电介质是多种已知的材料，诸如聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸脂或聚甲基戊烯。例如，为了同时覆盖K和Ka频带，具有大约2的介电常数的电介质就足够了(例如，聚四氟乙烯、聚甲基戊烯)。
在图7a-d所示的示例性实施例中，喇叭天线18完全由电介质19填充。然而，仅局部填充的实施例也是可以的。
使用填充了电介质的喇叭的优点是：喇叭自身具有比脊状喇叭的情况简单得多的内结构。
然而，为了即使在很高的GHz频率下也能够高效地生产天线，例如，还可以设想将四脊喇叭天线填充有电介质。填充有电介质或局部填充的其它喇叭几何形状也是可以的。
图7d示意性地示出具有矩形孔的阶梯状设计的电介质填充喇叭天线的有益实施例。
图7d从上方示出具有孔缘k1和k2的喇叭的视图(平面图)，并且还示出通过喇叭天线的、沿着线A-A’和B-B’的纵向截面。
现在，喇叭天线设计成使得存在通过喇叭的、具有开口的第一矩形截面，该开口具有长缘kE，并且存在通过喇叭的、具有开口的第二截面，该开口具有长缘kS。
如果天线系统的接收频带现处于比发射频带低的频率，并且如果现将缘kE选择成使得具有长缘kE的电介质填充波导的关联的下截止频率、低于天线系统的接收频带的有用频率，则天线系统能够支持接收频带。
另外，如果缘kS选择成使得具有长缘kS的电介质填充波导的关联的下截止频率、低于天线系统的发射频带的最低有用频率，则喇叭天线还能够支持发射频带，并且即使当接收频带和发射频带分开很远时也适用。
在图7d中，由于缘kS相对于缘kE正交定位，由于相应的波导模式相对于彼此线性偏振并且正交，所以这样的喇叭天线同时支持两个正交的线性偏振。
这样的阶梯状设计的喇叭天线还能够在不填充或仅适当局部填充电介质的情况下操作，并且图7d所示的实施例能够扩展为任意数量的矩形喇叭截面，并且因此扩展到任意数量的有用频带。
如果天线系统的喇叭天线是密集的，即，如果在天线系统的天线图形中不产生寄生旁瓣(栅瓣)，则在更有益的实施例中，将喇叭天线的矩形孔的缘长k1和k2选择成使得k1和k2二者都小于或最多等于处于天线的发射频带中的参考频率的波长。
然后，在这种情况下，以最优方式利用可用安装空间，并且得到最大的天线增益。
图8示出包括四个电介质填充喇叭天线18的示例性的2×2天线模块。如图7b-c所示，在这种情况下，微带线网络2、3的耦合和退耦点完全嵌入电介质19中。否则，该模块与相应的包括脊状喇叭天线的模块没有不同，如图5所示，并且微带线网络2、3分别连接到波导耦合器4、5。
图9示出更有益的实施例。在这种情况下，模块装备有越过整个孔口延伸的介质格栅20。通过减小接近单辐射元件1的孔口的有效波长，这种介质格栅20能够极大地提高阻抗匹配，特别是在单辐射元件1的下频带处。
在图9所示的实例中，凭借处于单辐射元件的孔口的中心上方的电介质十字部而实现。然而，诸如圆筒、球体、平行六面体等这样的实施例也是可以的。同样不需要使介质格栅20是规则和周期性的。举例来说，可以设想对于位于天线的边缘处而不是在中心处的喇叭天线1，格栅具有不同的几何形状。因此，例如，将能够使边缘效果模块化。
图10a-b示出使用层技术设计的发明的示例性模块。该技术使得能够特别廉价地生产发明的模块。另外，即使在很高的频率(高容差要求)下也确保了模块的可再现性。
第一层包括用于圆偏振信号的可选偏振器21。根据入射信号的偏振，偏振器21将线偏振信号转换为圆偏振信号，并且反之亦然。从而，入射在天线系统上的圆偏振信号转换为线偏振信号，使得它们能够无损耗地被模块的喇叭天线接收。另一方面，由喇叭天线辐射的线偏振信号被转换为圆偏振信号，并且然后辐射到自由空间。
接下来的两层形成喇叭天线阵列的前部，其包括没有耦合或退耦单元的主喇叭结构22。
随后的层23a、2和23b形成第一线偏振与阵列的喇叭天线的耦合和退耦。第一偏振的微带线网络2和该网络的基板嵌合在金属支持物(层)23a、23b中。支持物23a、23b在微带线经过的位置处具有切口(凹口)(例如，图11d，参考标号25)。
以相同的方式，第二正交偏振的微带线网络3的基板嵌合在支持物23b、23c中。
最后层包含喇叭天线的波导终端24以及波导退耦点4和5。
主喇叭结构22、支持物23a-c以及波导终端24是导电性的，并且能够使用已知的金属加工方法(例如，铣削、激光切割、水切割、电火花加工)廉价地由例如铝生产。
然而，还可以设想由塑料材料来生产层，随后利用导电层整体或局部将层包覆(例如，通过电镀和化学方法)。例如，为了生产塑料层，还能够使用已知的注射成型方法。与由铝或其它金属构成的层相比，这样的实施例具有这样的优点：在能够获得明显的减重，这对于特别是飞行器上的天线系统的应用是有利的。
因此，即使在很高GHz频率的情况下，层技术也提供了一种极高效率和廉价的天线模块。
描述的层技术能够以相同的方式用于包括脊状喇叭的天线模块和包括填充电介质的喇叭的模块。
图11a-d示出嵌合在金属支持物中的微带线网络2、3的具体设计。切口(凹口)25设计成使得微带线网络2、3的微带线26经过闭合的金属腔体内。结果，使微波损失最小化。
对于微带线26的基板(板)的有限厚度，由于在金属层之间存在微波功率能够通过其逃逸的间隙，所以还使基板在切口的边缘处设置有镀有金属的通孔(贯穿孔)27，使得金属支撑物具有电连接，并从而完全电封闭腔体。如果镀覆通孔27沿着微波线26足够密集，则微波功率不能逃逸。
优选地，镀覆通孔27与腔体25的金属壁齐平地终止。另外，如果使用薄、低损失的基板(板材)，则这样的设计的电磁特性与充满空气的同轴线的电磁特性相同。特别地，非常宽带的微波线是可能的，并且寄生高次模不能传播。另外，即使在很高的GHz频率下，容差要求也很低。
在很薄的基板(例如，＜20μm)和相应的低效频率的情况下，有时还能够免除镀覆通孔，因为即使没有镀覆通孔，实际上微波也不可能通过非常窄的狭槽逃逸。
喇叭天线耦合和退耦点6、7直接集成在金属支持物中。
图12示出示例性的8×8天线模块的真空模型。喇叭天线1密集地封装，并且仍然存在比为微带线网络2、3以及对于单辐射元件1的波导终端28和波导耦合器4、5保持的充足的安装空间多的空间。介质格栅20安装在孔平面的前方。
在更有利的实施例中，使模块彼此耦合的波导网络由脊状波导构成。这具有这样的优点：脊状波导能够具有比传统的波导大的多的频率带宽，并且能够对于不同的有用频带而特别设计。
在图13中示意性地示出包括双脊状波导的示例性网络。矩形波导设置有对称的几何收缩29，其位于功率分配器的位置处由垂直收缩30补充。
对于这样的部件，能够根据对于网络的需求而使用数字模拟的方法设计脊状波导和相应的功率分配器。
不是绝对需要使用双脊状波导。例如，单脊或四脊波导也是可以的。
在未示出的实施例中，模块间波导网络的波导全部或局部填充有电介质。对于相同的有用频率，与未填充的波导相比，这样的填充能够大致减小所需的安装空间。然后，结果是对于安装空间优化的非常紧凑的天线，该天线特别适用于飞行器上的应用。在这种情况下，标准波导和具有几何收缩的波导二者都能够填充电介质。
在更有益的实施例中，天线装备有多层曲流线偏振器。图14通过实例的方式示出这样的偏振器的层。
为了实现接近1(0dB)的圆偏振信号的轴比例，使用多层曲流线偏振器。
在未示出的实施例中，是通过图14所示的在平行平面中互相重叠安置的多个层实现的。泡沫材料(例如，Rohacell,XPS)的低损失层位于层之间，该低损失层具有波长的四分之一区域中的厚度。然而，当对轴比例的要求低时，还能够使用较少的层。同样地，如果对轴比例的要求高，则能够使用较多的层。
一个有益布置是4层曲流线偏振器，该4层曲流线偏振器能够用于获得在实际使用中通常足够的1dB以下的轴比例。
曲流线偏振器的设计取决于天线系统的有用频带，并且能够使用这样的结构的数字模拟方法而实现。
在图14的示例性实施例中，曲流线31相对于天线的主轴位于大约45°角处。结果是：沿着主轴进行线偏振的入射信号转换为圆偏振信号。根据信号相对于其线偏振的主轴，产生左圆偏振或右圆偏振信号。
由于曲流线偏振器是线性部件，所以处理是相互的，即，左圆偏振和右圆偏振信号以相同的方式转换为线偏振信号。
对于偏振器，同样可以设想使用除了曲流线之外的几何结构。已知大量的无源导体几何结构，其能够用于将线偏振信号转换为圆偏振信号。应用的实例决定了哪种结构最适用于天线。
如图10a-b所示，偏振器21能够安装在孔口的前方。这提供了一种对于线偏振信号和圆偏振信号二者的相对简单的使用天线的方式，而不需要因此改变内部结构。
在更有益的实施例中，天线装备有抛物线幅度配置，其通过馈送网络的功率分配器的适当设计实现。由于天线图形需要位于符合规定的遮罩下方，所以与没有这种配置相比，这样的幅度配置能够在发射操作期间产生更高的最大许可光谱EIRP密度。特别地，对于具有小孔面面积的天线，因为最大的符合规定的光谱EIRP密度与可实现的数据率直接成正比，并且因此，与相应的使用成本成正比，所以这是很有利的。
图15a示意性地示出这样的幅度配置。单个喇叭天线的功率分布从孔的中心到边缘减小。举例来说，在图15a中通过暗化的不同程度示出(暗：高功率分布，亮：低功率分布)。在这种情况下，功率分布在两个主轴方向(方位角和标高)上减小。对于所有的偏斜(skews)，这导致匹配到管理遮罩的天线图形处于适当的最佳方式。
然而，根据对天线图形的要求，仅在一个方向上配置孔也是足够的。
还可以设想幅度配置仅在天线中心周围的区域中具有抛物线轮廓，而不是随着接近边缘而再次上升，使得存在于天线中心周围的闭合曲面和单辐射元件的功率分布从天线的中心向在该曲线的每个点减小。特别是对于非矩形天线，这样的幅度配置可以是有益的。
图15b通过实例的方式示出了根据围绕主波束轴的偏斜的、最大的符合规定的光谱EIRP密度(EIRP SD)，该密度来自用于矩形的64×20Ka频带天线的在两个主轴方向上为抛物线的幅度配置中的一个幅度配置。在没有抛物线配置的情况下，EIRP SD将在从0°偏斜到大约55°偏斜的范围中低大约8dB，并且在从大约55°偏斜到大约90°偏斜的范围中低大约4dB。
图16-18以块图的形式示出具有不同的功能范围的一系列发明的天线系统的基本设计。
图16所示的具有其基本设计的天线系统特别适用于在K/Ka频带中的应用(大约19.2GHz-20.2GHz的接收频带，大约29GHz-30GHz的发射频带)，在该频带中，发射和接收的信号的偏振预定不变的，并且相对于彼此正交(即，这些信号的偏振方向不改变)。
由于圆偏振信号通常用于K/Ka频带，所以首先设置偏振器21。接下来是天线阵列32，其由四脊喇叭天线或电介质填充喇叭天线构成。在该频率范围中，单个喇叭天线的孔口通常具有比1cm×1cm小的尺寸。
根据本发明，天线阵列32布置成模块，其中每个单辐射元件都具有两个微带线耦合和退耦点33，该两个微带线耦合和退耦点33根据偏振而分开，并且又根据偏振而分开地连接到两个微带线网络36。
由于发射和接收信号的偏振是预定不变的，并且通常相对于彼此正交，所以设置要设计成用于发射频带的一个偏振的微带线网络36和要设计成用于接收频带的另一个偏振的微带线网络36。
这具有这样的优点：接收频带的微带线网络36能够设计成最小损失，并且因此优化了天线的G/T。
在图16的示例性设计中，偏振器21的朝向使得：发射频带34中的信号是基于右手的圆偏振，并且接收频带35中的信号是基于左手的圆偏振。
现在，借助于微带线到波导耦合器37将单个模块的两个微带线网络36的、根据偏振和频带而分开的信号耦合到两个波导网络38内。
同样在这种情况下设置两个被优化的波导网络38，该两个波导网络38用于其所支持的相应频带。
举例来说，能够对于接收频带波导网络和发射频带波导网络使用不同的波导截面。特别地，能够使用放大的波导截面，其能够急剧减小波导网络中的消耗性损失，并且因此大致提高天线的效率。
另外，设置接收频带频率滤波器39，以保护通常直接安装在天线的接收频带输出口处的低噪声接收放大器不因强发射信号而过载。
为了实现发射频带中的规定要求的边带抑制，额外设置了可选发射频带滤波器40。例如，当未示出的发射频带功率放大器(HPA)在其输出端处不具有充足的滤波器时，需要该可选发射频带滤波器40。
对于发明的天线系统，特别是对于卫星天线，图16所示的设计具有进一步的非常重要的优点。由于在微带线的级别(level)处和在波导的级别处，发射频带馈送网络和接收频带馈送网络彼此完全分开，所以能够对于两个网络使用不同的幅度配置。
通过实例的方式，能够同样地配置接收频带馈送网络，即，当将馈送网络设计成完整并且完全对称的二叉树时，天线的所有喇叭天线的功率贡献在接收频带中相同，并且在接收频带微带线网络的级别处和接收频带波导网络的级别处的所有的功率分配器是对称的3dB功率分配器。
由于均质的幅度配置导致最大可能的天线增益，所以由此实现的效果是天线在接收频带具有最大功率，并且天线增益与底面噪声G/T的比例最大化。
另一方面，发射频带馈送网络可以设置有独立于接收频带馈送网络的抛物线幅度配置，使得符合规定的光谱EIRP密度最大化。
虽然这样的抛物线幅度配置减小了天线增益，但是这是不重要的，因为经过设计，其仅保持限于发射频带并且不影响接收频带。
卫星天线的必要性能特征、特别是小尺寸的卫星天线的必要性能特征，是G/T和最大符合规定的光谱EIRP密度。
G/T与能够经过天线接收的数据率直接成正比。最大的符合规定的光谱EIRP密度与能够使用天线发射的数据率直接成正比。
利用设计成如图16所示的发明的天线系统，能够互相独立地优化两个性能特征。
在很小的卫星天线的情况下，这导致了进一步的优点。原因在于，在这种情况下存在的问题是：接收频带中的主波束的宽度能够变得如此之大，以至于不仅能够接收来自目标卫星的信号而且能够接收来自相邻卫星的信号。然后，来自相邻卫星的信号有效地充当额外的噪声贡献，这能够导致有效G/T的明显下降。
在如图16设计的发明的天线系统的情况下，至少能够在一定程度上解决该问题。这是因为：如果接收频带馈送网络不具有均匀的幅度配置，例如，而是具有双曲线的幅度配置，则天线的主波束的宽度减小。在这种情况下，双曲线的幅度配置区别在于：天线阵列的单辐射元件的功率贡献从中心到边缘减小。
因此，至少在天线系统的子区域中，能够通过作为双曲线的幅度配置实现的效果是：由天线从相邻卫星接收的干扰信号的强度减小，并且在这样的干扰情况下的有效G/T增加。
图17以块图的形式示出发明的天线系统的设计，使得允许利用信号的四个可能的偏振组合而同时操作。
例如，天线系统首先包括宽带的天线阵列41、双偏振喇叭天线，即根据本发明的四脊喇叭天线，这是模块化布置的。
然而，与图16所示的实施例相反，在这种情况下不使用偏振器，而是每个喇叭天线都接收和发送两个正交的线偏振信号，然而，即使在利用圆偏振信号的操作期间，这也包含完整的信息。
从而，与图16的实施例的本质不同在于：在馈送网络的级别处，在接收频带馈送网络和发射频带馈送网络中不存在隔离，而是信号仅基于其不同的偏振而隔离。
在退耦点33从天线阵列退耦之后，相同偏振的信号42在第一微带线网络中集合到一起，并且正交偏振43的所有信号在第二微带线网络中集合到一起。
在这种情况下，两个微带线网络36设计成使得它们支持发射频带和接收频带二者。在这种情况下，能够仅在有限的程度上对频带中的一个频带优化馈送网络。然而，代替地，所有的四个偏振组合是能够同时得到的。
在设计发明的微带线网络36(与轴线相同的设计)的同时，通常宽带已经能够同时支持接收和发射频带，如果要求很大的宽带，必须为此在微带到波导转变37之后特殊设计波导网络44。例如，这能够通过图13所示的脊状波导实现。然而，例如，还能够使用电介质填充波导。
为了使接收频带信号与发射频带信号分开，为每个偏振都设置了两个频率双工器45、46中的一个。例如，在这种情况下，频率双工器45、46是低衰减的波导双工器。
在线偏振信号的操作期间，则在两个双工器的输出处，可以同时得到所有的线偏振组合：在接收频带49和发射频带50中的两个分别正交的偏振线性信号。
在圆偏振信号的操作期间，额外设置了两个90°混合耦合器47、48，一个用于接收频带49并且一个用于发射频带50，这些混合耦合器能够用于结合存在于频率双工器45、46的输出端处的来自线偏振信号的圆偏振信号。例如，在这种情况下，90°的混合耦合器47、48是低衰减的波导耦合器。
然后，两个90°混合耦合器47、48的输出同时提供了四个可能的圆偏振信号(在接收频带49和发射频带50二者中的右手和左手圆偏振信号)。
如果适当的HF开关和/或HF耦合器嵌合在双工器45、46与90°混合耦合器47、48之间，并且用于使线偏振信号退耦，则天线系统还能够用于四个不同的线偏振信号和四个不同的圆偏振信号的同时操作。许多其它结合选择和相应的天线构造也是可以的。
图18以块图的形式示出发明的天线系统的设计，其与图16所示的天线具有相同的功能范围，但是布置不同。
在图18所示的设计中，利用圆偏振信号的操作涉及使用偏振器21，而不是图17所示的设计的90°混合耦合器47、48。
馈送网络36、44再一次处理彼此分离的两个正交偏振(在这种情况下是左圆和右圆)，并且对于接收频带和发射频带都是相应的宽带设计。
然后，频率双工器45、46的输出同时直接提供了圆偏振信号的四个偏振组合，第一个圆偏振的频率双工器45提供了接收和发射频带中的信号，并且第二个圆偏振(相对于第一个正交)的频率双工器46提供了接收和发射频带中的信号。
以与图17的设计相同的方式连接到双工器45、46的两个90°混合耦合器(未示出)的使用，还允许了图18所示的设计，该设计用于线偏振信号的操作，或者能够利用相关的转换矩阵同时操作圆偏振信号和线偏振信号。
图18所示的设计的优点是：利用圆偏振信号的操作不需要90°混合耦合器。例如，根据应用，这能够节省安装空间或重量。在一些情况下同样产生了成本优势。
相反，图17所示的设计的优点在于：利用圆偏振信号的操作期间，原则上，借助于在90°混合耦合器47、48的输入端处的各个功率贡献，能够不受限制地设定圆偏振信号的轴比例。
举例来说，如果在屏蔽罩下操作天线，这可以是有利的。已知的是，特别是对于高GHz频率，屏蔽罩材料和屏蔽罩曲率可以意味着屏蔽罩具有偏振各向异性，该偏振各向异性导致圆偏振信号的轴比例根据通过屏蔽罩的通道而变化。
该效果的结果是：交叉偏振隔离能够急剧下降，这能够严重损害可实现的通道隔离，并且最终导致可实现的数据率的下降。
例如，在发射操作期间，图17所示的天线的设计现在允许将圆偏振信号的轴比例设计成补偿使得由通过屏蔽罩的通道产生的随后的偏振畸变。因此，有效地使交叉偏振隔离不恶化。

Claims (34)

1.一种天线系统，
具有至少四个单辐射元件，其中，所述单辐射元件是喇叭天线的形式，并且所述喇叭天线(1)支持两个相互正交的线偏振，并且在两个偏振面中装备有收缩(15、16)，相对的所述收缩(15、16)是对称的，所述喇叭天线(1)的壁部和所述收缩(15、16)是阶梯状设计，所述收缩(15、16)沿着电磁波的传播方向延伸，并且在两个相对的所述收缩(15、16)之间的距离和所述喇叭天线(1)的开口的截面从所述喇叭天线(1)的孔到喇叭端部逐阶减小。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述收缩(15、16)相对于所述喇叭天线中心轴对称。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，在所述喇叭天线(1)的壁中的阶部与在对称的所述收缩(15、16)中的阶部彼此匹配。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，在每个阶部上，与各个阶部相关的喇叭截面的与各个间隔相关的下截止频率低于所述天线系统的最低有用频率。
5.根据权利要求3或4所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线(1)的孔是大致矩形，至少对于一些这些阶部，该阶部设计成使得：对于两个相对的收缩(15、16)中的第i个阶部之间的间隔di、和相关的所述第i个阶部的所述喇叭天线截面的开口的缘长ai，当λE表示所述天线系统的最低有用频率的自由空间波长时，
d i &le; p 1 2 &pi; &lambda; E a i 2 - p 2 a i
p1在0.3和0.4之间，并且p2在0.25和0.35之间。
6.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线(1)的孔是大致方形，至少对于这些阶部中的一些，该阶部设计成使得：对于两个相对的收缩(15、16)中的第i个阶部之间的间隔di、和相关的所述第i个阶部的所述喇叭天线截面的开口的缘长ai，当λE表示所述天线系统的最低有用频率的自由空间波长时，
d i &le; p 1 2 &pi; &lambda; E a i 2 - p 2 a i ,
p1＝0.35并且p2＝0.29，并且当a0表示所述孔的缘长，并且λS表示所述天线系统的最高有用频率的自由空间波长时，
&lambda; S &GreaterEqual; a 0 &GreaterEqual; &lambda; S 2 .
7.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，在所述喇叭天线(1)的壁中和在所述对称的收缩(15、16)中的所述阶部的阶高逐阶变化。
8.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，一些所述喇叭天线(1)或者全部所述喇叭天线(1)都装备有介质十字膜片或介质透镜。
9.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线(1)部分或完全填充有电介质(19)。
10.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，选择至少一些所述喇叭天线(1)的尺寸，使得两个直接相邻的所述喇叭天线(1)的相位中心之间的间隔小于或最多等于所述天线系统的发射频带中的参考频率的波长。
11.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，通过用于第一正交的线偏振的第一微带线和用于第二正交的线偏振的第二微带线来馈送所述喇叭天线(1)，并且用于第一偏振的所述第一微带线和用于第二偏振的所述第二微带线分别形成分离的微带线网络(2、3)。
12.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线(1)朝向一个平面。
13.根据权利要求11所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络(2、3)处于二叉树的形式，使得并行馈送所述喇叭天线(1)。
14.根据权利要求11所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络(2、3)的微带线位于薄基板上，并且布线在腔体中，所述腔体的壁是导电的。
15.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述天线系统由各个层(22、23a、23b、23c、24)构成，并且在这种情况下，用于一个偏振的微带线网络(2)与用于另一个偏振的微带线网络(3)在所述层之间彼此分开定位。
16.根据权利要求15所述的天线系统，其特征在于，不同层(22、23a、23b、23c、24)形成天线模块(8)并且由金属制成，并且所述微带线网络(2、3)的微带线(26)布线在腔体中，所述腔体设计成所述层(23a、23b、23c)中的凹部(25)，一个凹部(25)位于所述微带线(26)上方并且一个凹部位于所述微带线(26)下方。
17.根据权利要求16所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络(2、3)的基板设置有镀有金属的通孔(27)，从而在所述凹部(25)的边缘之间建立电接触。
18.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，馈送网络装备有将发射频带(34)的信号与接收频带(35)的信号分开的频率双工器(45、46)，使得能够进一步分开处理该信号。
19.根据权利要求11所述的天线系统，其特征在于，选择所述微带线网络(2、3)的微带线的尺寸，使得支持所述天线的发射频带和接收频带二者。
20.根据权利要求11所述的天线系统，其特征在于，选择所述微带线网络(2、3)的所述微带线尺寸，使得对于所述天线系统的接收频带设计第一微带线网络(2)，并且对于所述天线系统的发射频带设计第二微带线网络(3)。
21.根据权利要求20所述的天线系统，在所述接收频带中具有均质幅度配置，使得所有的所述喇叭天线(1)的功率贡献大致相等，并且在所述发射频带中具有幅度配置，使得至少一些所述喇叭天线(1)的功率贡献彼此不同。
22.根据权利要求18所述的天线系统，其特征在于，在所述馈送网络中具有90°混合耦合器(47、48)，使得能够从线偏振信号产生圆偏振信号。
23.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线(1)装备有用于接收和发送圆偏振信号的偏振器(21)。
24.根据权利要求23所述的天线系统，其特征在于，所述偏振器(21)设计成多层曲流线偏振器，并且安装在所述喇叭天线(1)的孔的前面。
25.一种天线阵列，该天线阵列具有多个如在前述权利要求中的任意一项所述的天线系统，该多个天线系统通过波导网络(9、10)而彼此耦合。
26.根据权利要求25所述的天线阵列，其特征在于，第一波导网络(9)将第一偏振的所有信号集合到一起，并且第二波导网络(10)将第二偏振的所有信号集合到一起。
27.根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波导网络(9、10)沿着电磁波的传播方向具有至少一个收缩(15、16)。
28.根据权利要求27所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波导网络(9、10)设计成单脊或双脊波导。
29.根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波导网络(9、10)全部或者部分填充有电介质(19)。
30.根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，选择所述波导网络(9、10)的所述波导的尺寸，使得支持所述天线系统的发射频带和接收频带二者。
31.根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，选择所述波导网络(9、10)的所述波导的尺寸，使得对于所述天线系统的接收频带设计第一波导网络(9)，并且对于所述天线系统的发射频带设计第二波导网络(10)。
32.根据权利要求31所述的天线阵列，在所述接收频带中具有均质幅度配置，使得所有的所述喇叭天线(1)的功率贡献大致相等，并且在所述发射频带中具有幅度配置，使得至少一些所述喇叭天线(1)的功率贡献从所述天线阵列的边缘到中心增加。
33.根据权利要求32所述的天线阵列，其特征在于，至少在所述发射频带中，至少在所述喇叭天线(1)密集的方向上，所述幅度配置遵循适当的抛物线轮廓，使得位于所述天线阵列的边缘的所述喇叭天线(1)的功率贡献小于位于所述天线阵列的中心的所述喇叭天线(1)的功率贡献。
34.根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，所述波导网络(9、10)构造成二叉树，使得并行馈送各个所述天线系统。
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