CN1047170A - 多模装介质多级喇叭天线 - Google Patents

Abstract

一种小接收孔径的前向天线，它包含一锥形外壳，其内部形成具有喇叭角01、02的至少第一和第二喇叭形的导电级，经中间圆筒形级相互刚性或套筒式耦合连接。在一种结构中介质涂层用来在所有级上形成锥形光滑的内表面。在另外的结构中一个或多个锥形喇叭级和圆筒形级包含圆锥介质插入物或涂层。在相对于天线输入口可安装在不同位置处的是各种前向聚焦透镜或同质介质散射器。一遥控轴向安装组件置于充有气体的可以安装在屋顶上的天线罩内。

Description

本发明涉及通信天线，尤其涉及介质涂复、多级喇叭角、锥形喇叭天线，它用于点到点间的通信，尤其是家庭和商用卫星间的通讯。

对任何电磁通信系统来说，它的发送和接收天线对它的性能都是很关键的。发送天线用来朝着接收天线方向发射或聚焦发送的能量。接收天线的任务则是以最小的噪声从邻近的方向检出所发射的辐射能量。定向天线的特点它具有相当高的轴向增益和最小的偏轴边瓣（旁瓣，下同）或其它不需要的信号，它大大增强了点到点的通信能力。这种天线的另一特征是具有聚焦或放大自由场辐射的能力，而且不会有交叉极化，这是因为大多数通信通道使用两个其电场相互成直角的线性极化信号。

由于抛物面反射器的单位面积制造成本高，也由于对利用与地球相对位置保持不动的卫星来发展电视广播和/或数据通信系统感兴趣-更不用说卫星通讯雷达和射电天文学了-人们对发展性能改进的天线馈给系统产生了极大的兴趣。考虑到仅存在一个与地球相对位置保持不动的轨道，即赤道轨道，可以预料人们对这一轨道中的卫星位置的要求将继续增加。为了最大限度地利用这个轨道，必须使卫星在轨道上尽可能接近。这反过来要求卫星地面站天线发射具有高增益、低边瓣的高定向性的圆极化椭圆形波束。低的边瓣能避免邻近信号的干扰。

而且，如果交叉极化发射电平也保持低的话，那么反向极化的信号也可接收，便于应用散极化。即发送各种不同极化的信号，以满足各种既定的通信标准。对低交叉极化天线的要求是必须有相等的E（垂直）和H（水平）的天线辐射图。

对于卫星通信和其它特殊应用，定向波束也可能需要控制，因此最好是具有可变波束宽度的天线。射电天文学应用的天线除了高增益和高的定向性以外，还应该具有这样的组合特性，即：低的交叉极化，低的边瓣，波束成形的方便性和宽的频带宽度。

目前用于接收微波和更短波长的天线通常设有相当大的反射抛物面收集器，它具有宽频带增益特性。这种收集器结构能接收和聚焦主信号及旁瓣信号-旁瓣信号之所以也接收到是因为收集器的宽接收角度-，它是在独立的接收喇叭上接收的。这种接收喇叭是一个同轴安装的置于收集器的信号轴及焦点上的且能接收宽波束宽度的后向馈电喇叭天线，它接收聚焦信号并把它送到有关接收器的电子线路里，在那里电子线路将信号作适当的变换和放大供预定用途之用。

申请人发现，在以C和KU微波段为中心的频率上，在相当数量的带宽范围内，一个小孔径、高增益和低旁瓣特性的前向锥形天线，能独立于一个大的包围它的收集器单独应用。而且整个天线尺寸仅相当于目前反射器天线的一个喇叭天线（馈电剌叭），但信号接收孔径窄得多。

关于后面这一点，目前可用的家庭卫星系统主要工作在C-波段频率，使用直径为10到16英尺的、具有大喇叭角的下行天线，这种天线相应要求有相当牢固的安装系统，以防止风和当地的天气条件的破坏。

虽然上述安装问题相当容易克服，但这种天线的尺寸对于居住在相当密的人口面积区的使用者、尤其是高层建筑里的人将产生新的问题。即尽管农村使用者通常有可利用的大的无阻碍的院子，以允许非常自由地安装他们的天线，但市区的使用者不会有足够的地方来毫不显眼地安装天线或不得不与那防碍接收的邻近建筑打交道。而且法令或其它法律限制有可能不利于安装这些装置，这可能对使用者构成更多的问题。

虽然更高的KU波段频率已经被考虑，而且专供卫星通信之用，但到目前为止只有不多几个这样的卫星置入了相对地球静止的轨道。这样的天线胜过C波段设计的优点在于：使用传统的结构，这种抛物面天线的尺寸可以做到2至6英尺的范围之内，（具体究竟多少视卫星所发射的功率大小而定）参见布罗德H·《小抛物面天线大有希望》一文，刊载于《高技术业务》第41-45页（1987年11月）（Brody    H·，Big    Hopos    for    Small    Dishes，High    Technology    Business，PP.41-45（November，1989））。这种天线也是应用传统的抛物面或其它聚焦收集器构成，用以收集和聚焦所谓“远场信号并把它送入后向喇叭天线，这种后向喇叭天线一般安装在天线表面的焦点上。与C波段天线相比，C波段天线重达200磅，而KU波段天线一般仅重100磅。关于后者，申请人也已找到了一篇讨论扁平阵列、KU波段天线设计的文章。参见朗M·，《未来抛物面天线的形状》刊载于《卫星轨道》，第35-38页（1987年，10月）（Long    M·，The    Shape    of    Dishes    to    Come，Satellite    orbit，PP·35-38（October，1987））

与上述相比较，本发明的一个实施例所提出的KU波段的天线结构，其天线孔径仅有12至24英寸范围内，其重量低于5磅。还有不少另外的结构孔径低于10英寸，喇叭长度低于15英寸。这种尺寸的减小是通过下面将要描述的一种独特的多级结构获得的。通过适当的比例换算，这种结构也可以与许多其它频段相兼容。申请人已注意到与本发明主题特征相类似的一些天线设计，例如美国专利号2761141、3518686、3917773和3866234。这些专利公开了种种形状的介质天线透镜。

申请人也注意到了美国专利号2801413、3055004、4246584和4460901，其中公开了使用介质结构的喇叭天线。

关于多喇叭天线设计，申请人也注意到了美国专利号2591486、3898669、4141015、和4442437。虽然在这些专利中揭示了天线喇叭中的分级不连续性，虽然3898669专利公开了多锥形孔（喇叭口）矩形喇叭天线，但没有一个所述专利涉及本发明权利要求书中所提出的组合特征，即本发明的天线适用于多种频率、尤其是KU和C波段，和/或本发明的天线大大减小了天线的尺寸和重量。而且，这种结构可以与大直径的、相邻收集器相结合作为后向喇叭天线应用，而不作为独立的、前向远场天线使用。

本发明的主要目的是提供一种天线结构，它可在点到点的通讯中用于接收和中继（广播）多种频率。

本发明的另一个目的是提供一种天线，它可接收远场、C波段和KU波段的频率，其信号电平可用于卫星的下行系统中。

本发明的又一个目的是提供这样一种天线，它具有低的旁瓣和低的交叉极化以改进天线相对于通信卫星的定向性，且允许方便的阵列结构。

本发明再一个目的是提供一种具有最小尺寸和重量的天线，因此该天线可以不显眼地安装在家庭的房屋和/或屋顶等结构上，甚至于有些结构可以供个人携带。

本发明的再一个目的是提供一种多级喇叭形、介质涂复的天线结构，它具有有用的信号增益和匹配的级阻抗。

本发明的再一目的是提供一种围绕信号接收孔径的前向天线聚焦透镜和/或提供一种介质散射体，其尺寸接近于信号接收孔径并安装在其附近，以提高接收性能。

本发明的再一目的是提供一种可折叠式（collapsible）的天线罩结构。

本发明的再一目的是提供一种可遥控的、不受天气影响的天线罩结构。

本发明的再一目的是：由于抑制了边瓣。提供一种具有所需要的电气性能且具有相当小尺寸的线性阵列或其它阵列结构的天线。

本发明的上述各种目的和优点可从本发明的一个目前较佳的结构获得，这一结构包含一刚性玻璃纤维/聚脂锥形喇叭，其内部包含第一和第二锥形级，其锥形半角彼此位移1至5度，所述锥形级径中间圆筒形级相互耦合连接。复盖天线内部的是均匀薄膜导电层，且在其上插入或沉积一电介质涂层，以便从喇叭孔径到设置在天线顶角的变频器，提供一连续、均匀、光滑的锥形体。介质涂复可选择地涂到一个或多个圆锥形和圆筒形级上。

在另一个实施例中，能透过KU、C波段或其它频率的间隔件，把有一定形状的前向折射同质介质聚焦透镜固定到天线孔径上。该透镜可以包含一其中心比其边缘尺寸厚的凸透镜或一凹透镜，或其它聚焦形状。一球状或其它适当几何形状和密度的介质散射体（一较小直径的球状透镜）也可以耦合到外天线孔径，也可以有适当间隔，可用或不用聚焦透镜，以调谐天线。

在另一实施例中，半球形或抛物线形的反射透镜被用来增大外喇叭孔径并预调焦所接收的信号。

在又一实施例中，天线装置设在可遥控的多轴驱动装置上，整个装置安装在一个硬的、频率穿透的、气体充填的任意几何形状的天线罩内。

另两个实施例公开了一个伸缩式喇叭结构和一线性阵列安装架。

本发明的上述目的、优点和特征及它的详细结构将通过后面参照附图所作的详细描述而变得更为清楚。在描述之前，应该理解的一点是：下面的描述只是本发明的较佳的和几种可供选择的实施例，以及对本发明设想所做的一些变化，而不能理解为是对本发明的精神和范围的限制，本发明的精神和范围应如后面的权项所述。

图1    为本发明天线各级构成总体图。

图2    表明有涂层的天线内部的剖视图。

图3    表示包含折射聚焦透镜天线的透视图。

图4    为机动天线下行组件的部分等比例视图。

图5    表示相对于装在第一级孔径内的介质散射体、在每一级中具有独立安装的介质镶嵌物（插入物）的天线结构剖视图。

图5a是图5天线的信号变换电路的视图。

图6    是安装在第一级中一端扁平的半球散射体的局部剖视图。

图7    是伸缩式（telescoping）天线结构的剖视图。

图8a是本发明的两天线线性相控阵列。

图8b显示了本发明天线的2×3相控阵列。

图9a、9b和9c表示了对表2的具有多种内部喇叭处理的天线结构之一所测得性能数据的极座标波形，也表明了其轴向增益的改进及波束宽度和边波瓣的减少。

参见图1。图中显示了本主题发明的圆锥喇叭天线的各级的总体结构，本发明可用于任何直视通信包括卫星通信系统。如所述，天线装置2包含第一主圆锥级4，它从具有直经“A”的外侧信号接收孔径6以角位移或喇叭角“01”向里逐渐缩小到具有直径为“B”的中间圆筒形耦合级8。其半角 (θ₁)/2 在24至34度范围内，直径A通常低于所接收到的有用信号的3个波长。从耦合级8向后延伸的是第二圆锥级10，它与第一级4处于同轴位置。级10以角位移或喇叭角“02”向里逐渐缩小。“02”一般比01小1到5度。其半角在20度至30度范围内。逐渐缩小的级10同轴地终止于在其输入端具有直径“C”的由圆形到矩形波导过渡区12，该过渡区12与传统的低噪声前置放大器或与下行变频器16相容，该下行变频器16耦合具有适合于接收器18的频率的接收信号。一个向前的反射聚焦透镜14也安装到接收孔径6中，用以改进天线的增益特性。如图1，该透镜14包含具有半径为“R”的半球状反射器凹透镜。此外还有一个具有半径“γ”的同轴球状介质散射器19可与任何反射或折射聚焦透镜14共同使用，或单独应用。通常取γ＜1/4A。反射透镜扩大接收孔镜6并对入射信号进行预聚焦，散射器19则提供介质负载以改进天线增益，且通过沿着纵轴17前后移动即可进行调谐。散射器19及各种介质涂层或插入物，可以改变输入信号的较高次模式的相位，使这些模式加在中心模式上，而不是使这些模式的能量散失到边瓣中去。关于这一点下面将加以详细的叙述。尺寸“D”、“E”和“F”反映了天线级4、8和10的相对长度。根据主接收频率，级4、8和10的每个相对尺寸是可以以实验为基础来决定的。下面表Ⅰ中情况1列出了在KU频带上试验的天线尺寸，而情况2列出的另一KU频带的天线尺寸，我们认为它更接近理论最佳尺寸。情况3列出了用于C频带范围的第三个天线的尺寸。

表Ⅰ

天线测得值

情况    频带    A（厘米）    B（厘米）    C（厘米）    D（厘米）    E（厘米

1    KU    25    5    2.5    43.8    19.1

2    KU    25    5    2.5    52    26

3    C    75    15    7.5    156    78

续表1

情况    频带    F（厘米）    θ1/2（度）    θ2/2（度）    R（度）    γ（度）

1    KU    2    31.8    29.3    22.8    3.2

2    KU    2    27    21.8    30    3.8

3    KU    6    27    21.8    90    11.4

除了通过实验构成的、显示上述尺寸的天线以外，同时也对图1天线结构进行分析评价，且从电气和经济两方面与通常所用的抛物面反射器天线和分层圆锥喇叭天线（corrugated    conical    feedhom    antennas）进行了比较。根据这样的电气性能的研究，证明了本发明天线具有较高的轴向增益、较低的边瓣的电平、相等的E和H平面的波束宽度（即低的交叉极化）和具有波束宽度可变的性能。最后，实验测试所证实的这些研究表明图1的结构，可以以较小的结构尺寸、较轻的重量和较低的制造成本制造出与已有的反射器天线电气性能相同的天线。

现请参阅图2。图中的剖视图显示了天线的电气作用部分3。该图是沿纵向中心轴17剖视的、它显示了图1中天线2的构造。图2特别表明了天线3的内部构造，其中有一层导电薄膜层20涂覆在如图3所示的刚性的外天线壳体32的相应内表面上。本发明的一个最佳实施例中的导电层20包含高纯度铜质的无缝层，它均匀地形成在天线的内表面上，它具有最小的表面不连续性。同其它典型的波导结构一样，层20的厚度是受到控制的，它与信号穿透深度有关，对于本发明考虑的频率，该层厚度小于10微米。或者，高纯度银涂层如无电解银也可以使用。层20可通过已知的电镀、喷镀、或其它薄膜沉积技术形成，它也可以包含导电的叠层的复合层、如在铜导电层上加一层银导电层。以涂复方式涂复在导电层20上的是介质层22，虽然介质材料中有很多，如聚乙稀、聚苯乙稀、陶瓷等都可使用，但在图2实施例中，该层由高纯度的石蜡构成。视介质的类型的不同，把这种介质加上去的方法可以采用从现有的各种涂层技术到使用粘合到天线内部表面的预制结构的各种不相同的方式。对于导电层20和介质层22间的交界面，必须根据结构和粘结方法加以考虑，因为它对天线的电特性是有影响的。

总之，加上去的介质层22必须能获得一个均匀、光滑、不间断的具有喇叭角03的锥表面，在理想情况下，从角顶“V”朝外辐射直到刚好接触第一级4与中间耦合级8的交点“M”。虽然在介质层22中不呈现不连续是最佳的，但经验证明，在角顶“V”和交点“M”处大约有十六分之一英寸的轻微的不连续性是可以允许的，它不会使天线2的信号增益受严重的影响。介质层22的厚度也可稍大些，其最大厚度低于所接收的有用信号的一个波长。如使用预置结构，以方便铸造处理。同样，我们发现介质并不需要复盖所有的级。

应该理解的是对于所接收的频率来说，上面所说的公差是至关重要的，因为所接收信号的波长仅为二分之一至一英寸的数量级，数量级为八分之一到四分之一英寸的少量安装误差会引入有害的反射和使角顶V处的信号增益减少。具体地说，尺寸公差，最好不大于0.1英寸。我们相信，这是能获得而不会太影响整个天线装置的制造成本的。

再回顾一下表Ⅰ中KU波段情况1和2的天线的尺寸，整个天线3，按照目前的结构，在长度上大约为18至24英寸，信号接收孔径处大约为8到10英寸，而已有技术的C-波段天线结构直径大到16英尺，已有技术的KU波段结构在收集器上为2至6英尺。而且天线装置2整体重量在1到2磅的数量级上，而与传统的反射器天线的电气特性上相比，本发明具有与其相同的信号增益，较低的边瓣、较窄的波束宽度和较低的交叉极化。

接着请参看图3，同时请继续对照图1和图2。图3展示了天线装置30的全剖视图，对于上述图1和图2的电气作用的内部结构，外壳32更容易看清楚外壳32用来从机械结构上保护内部形成的导体和介质层20和22。因此，要求外壳32尽可能轻，但要根据用途的不同，提供足够的强度以对付各种使用条件。本发明，外壳32由包括玻璃纤维的内壳的复合结构组成，其内部具有所需要的锥角，表面用树脂/聚脂涂复，图中整个用编号32表示。出于与通讯系统相连的天线装置30的安装和处置的需要，如后面图4中揭示的装置，还设有环状隆起件（环状脊）34或其它凸缘结构（未画出）。

安装到天线30的信号接收孔径6上的是一个间隔装置，它包含圆筒形间隔环36，整个间隔装置对所接收的频率是透明的。固定在该间隔环外端的是一个前向折射聚焦透镜38，该透镜38的焦点与天线30的纵向中心轴17相重合。

图1所示是一围绕接收孔径6的前向部分半球状或凹反射透镜14，它与安装在接收孔径6的球形介质散射器19相结合，而图3中透镜38包含一凸透镜，它从较厚的中心部分朝着较薄的外边缘变薄。或者，其它聚焦透镜形状也可以采用。虽然各种其它适当的介质材料、只要间隔器36能支持住它们并且结合后不降低天线的性能都可使用，但最好透镜38用与层22同质的介质制作。

在后一方面，间隔器36包含一圆筒形介质环部件，它通过粘结剂或机械连接与接收孔径6相结合，或者可构成外壳32的延伸部。如果不用环部件，也可用其中间开孔的从外孔径辐射延伸的多个支柱即支撑件来替代，但这种装置不太理想，因为这样一来，导体层20遭腐蚀的可能性较大，因此间隔器透镜装置36、38组成的组件必须尽可能不让喇叭的内部暴露于腐蚀物质。下面图6示出了一种一端扁平的半球状散射器的结构，它封闭了接收孔径6。

安装到天线30最里端的波导端12处的是圆形-矩形波导过渡区40、-波导耦合器42和它的安装硬件44，它们耦合所接收的信号，把接收器电路18可使用的频率的信号传输给接收器。从图3可见，介质层22仅圆锥形地复盖极8和10。

图1天线结构已证实了工作于8到12.5千兆赫的频率范围。获得了与现有反射器/喇叭天线不相上下的轴向增益值，且与通常的电视接收机和放大器电路18，存在信号的兼容性。具体地说，表1的天线已证明共有30db的信号增益特性，有了这个增益，在比较小的信号接收孔径6上收到的信号，也以足以满足接收器电路18的输入要求。

下面参看图4。图中示出是一定向天线装置49的结构的剖视图，它可用于卫星通信地面线路（下行线路）中。具体地说，图4的装置49包含刚性球形外壳或天线罩[任意的]50，其典型直径低于24英寸，它能透过所需接收的频率。此外壳50可通过一可调节的、与其形状一致的安装环52固定在一安装面上，如屋顶或其它建筑物上。其中外壳50可旋转直到天线30和支撑轴64处于适当的垂直和方向对准为止。一屏蔽的消除应力的导体54、例如一多导体同轴电缆通过气密封口56安装，该密封口56设在后壳表面上。电缆54把由传统结构的低噪声块、下变频器58产生的接收信号耦合到安装在使用者屋内的电视调谐器60和电动机驱动电路62上。

球形天线罩50用来防止喇叭天线30受风雨的损伤和腐蚀。另外，壳50内充有惰性气体如氮，因种种原因也可添加示踪气体，以保护内部元件，尤其是导体层20。由于天线尺寸小，与KU波段相容的组件49所提供的装置，其直径不到30英寸。与球形罩内的天线耦合连接的装置可使天线壳体的纵向中心轴与预定的空间坐标对齐，还设有可调节安装天线罩到支撑表面的装置。

喇叭天线装置30经紧固凸出件34（参见图3）和夹紧环65固定到具有单轴向运动的轴64上（即一个指北赤道固定架）。而轴64则由控制器62加到电动机66的驱动信号，遥控驱动。在本发明的最佳实施例中，控制器62将数字驱动信号加到步进电动机66使其运动。

装置49的正常使用和操作需要将装置49先定位在相对于垂直轴预先确定好的平衡位置上，该平衡位置通过找平装置49及用真正的指北针对准轴64的方位而得到。以这个初始位置为基准，电动机驱动控制器62在微处理器的控制下，转动天线30使进入与天线孔成直视的位于轨道位置中的任一静止通讯卫星的位置座标对准。如果卫星在运动，或天线系统是可以移动的，一种多轴安装架和更复杂的微处理器跟踪控制器能用来使天线30跟踪卫星信号。

请参看图5。该剖视图显示出了一个基本上与图3的天线30相同结构的天线70的结构。下面的表2揭示了用这种结构的多种KU波段天线的相应的尺寸。下面的表3示出了表2中各种天线的测得的增益，这些增益值是从用不同的内部介质处理的天线测得的。图9a至9c进一步说明了表Ⅲ中各种内部介质处理的天线结构（即KU11）所测得的电性能方面的相对改进。表Ⅱ和Ⅲ的天线的全部测量都与图1中的尺寸A-F相对应。

表Ⅱ

类型    A（厘米）    B（厘米）    C（厘米）    D（厘米）

KU11    17    12    2.54    8.83

KU15.1    17.27    11.25    2.54    9.89

KU15.2    16.5    8    2.54    15.54

KU15.3    18.03    8.75    2.54    15.87

KU15.4    16.25    8    2.54    15.5

KU15.5    14.19    11.24    2.54    6.35

KU15.6    13.53    11.24    2.54    4.57

KU18.1    17.75    8    2.54    19

KU18.2    16.25    8    2.54    19

续表Ⅱ

类型    E（厘米）    F（厘米）    G1/2    G2/2

KU11    22.86    2    19.5    14.5

KU15.1    16.96    6.42    17    14

KU15.2    13.18    3.09    15.3    11.6

KU15.3    14.78    5.08    16.3    14.2

KU15.4    16.4    3.2    14.9    11.6

KU15.5    25.67    6.52    12.7    11

KU15.6    24.96    4.32    13.7    11.3

KU18.1    16.25    8.59    14    11.7

KU18.2    16.25    8.6    12.8    11.7

表Ⅲ

类型    增益（db）    频带宽度    电结构

（度）

KU11    24.26    11    外露导体

KU11    25.75    9    插入物80，82

KU11    27（近似）    插入物80，82和密散射体88

KU11    27.29    7    插入物80，82和泡沫散射体88

KU15.1    23.8    外露导体

KU15.6    23.3    外露导体

KU18.7    23.3    外露导体

KU18.8    23.8    外露导体

天线70一般地也包含刚性外壳72，它是制作在由若干层石墨浸渍布组成的适当形状的芯子上的，石墨浸渍布用适当的环氧树脂涂复。通过在芯子上形成外壳，可获得光滑的内壳表面。该内部还可以进一步用已知的抛光技术和研磨技术等各种方法来处理，以便获得一个适当光滑的内表面。

均匀涂复在外壳72的内表面的是导体层74，该导体层可从铜、银和铝等良导体中选用。对表2的结构，该导体层74包含一深度在3到5微米范围的无电解银的喷射层。除了KU11结构外，该导体层74都是直接加到外壳72上的。但对于KU11，使用了叠层导体，其中约5微米厚的电镀银层，加在约0.5微米厚的无电解铜层上。

安装在每个内和外圆锥级76和78的内部的是成圆锥形的电介质插入物80和82。每个插入物80、82的外表面的结构与圆锥级76、78的锥度相配合。插入物80、82的内端表面的喇叭角θ4、θ5相对于插入物外表面逐渐倾斜2至5度。虽然表2结构的插入物是用整个插入物结构上密度均匀的聚乙烯材料模压制成的，但如上所述，其它的介质材料也可使用。插入物的喇叭角也可以相互不同。

中心圆筒形级84的导体层74上没有涂复。然而在种种天线构造中，它也可以包含一个适当壁厚（未画出）的筒形介质插入物。业已证明这样的插入物能减少E-H平面的交叉极化。

安装在外端级78里面的是个球状散射体88，它的结构直径基本上与接收孔径86的直径A相同。这样的散射体结构与图1中较小散射体19的结构相对照。

申请人发现，通过对介质插入物80、82及散射体88的相对长度、厚度和密度的控制，能改善天线的轴向增益和方向性。而且，在增益改善的同时，信号交叉极化及边瓣也下降。这些电气性能的改进从表Ⅲ和图9a至9c中可以得到证明。

极坐标波形图9a至9c具体地揭示了KU11天线结构的测得的相对电增益和边瓣数据。图9a是在外露导体层20情况下测得的，虽然所示增益可用于某些应用，但存在小的边瓣。在插入两个喇叭状锥形介质插入物80、82后，轴向增益增加且边瓣下降如图9b所示。波束宽度也变窄了，它是在中心垂直轴两侧的3db点上测量的。加上一介质部件如泡沫状散射体88（图9c）后，轴向增益进一步改善，且波束宽度进一步变窄。这种介质部件对于所接收的电磁波信号具有非均匀密度。从这些波形图明显可见，变化圆锥级4、8和10的内部介质处理会引响并改善轴向增益，波束宽度变窄且边瓣基本上减少到零。由此可确信：如对本发明其它天线结构作类似的内部处理，也可获得类似的结果。

虽然在适当条件下它们是可以改变的，但目前这些插入物80、82和介质部件如散射体88的介质材料都是同质的。在结构之间或每个结构之内，可能发生它们是不同的情况。同样每种材料的相对密度也是可以适当改变的。关于这后一点，申请人发现，与使用同样形状的实心介质相比，泡沫状或气泡化的介质散射体88可以提高天线增益。然而对所有插入物和散射体88的复合介质常数，取1.5到2.5的范围被认为是最佳的。

取介质部件如散射体88的尺寸接近接收孔径86的大小的进一步的目的是可以在接收孔径86中安置散射体88的全部或主要部分。这样安装的优点在于天线70的内部可以和外界隔离（密封）避免污染导体层74的任何暴露部分。请回忆一下，导体层是可以有各种各样的暴露的，或如所述在中心级84，或者，天线使用长度比所述为短的插入物80和82。采用这样的密封安装，也可以形成气体密封并用适当的惰性气体填入喇叭状内部，从而可免去安装天线罩50。

请参看图5a。图中安装到天线70的最里端的是信号变换电路90，对表2的天线，它包含：圆形到矩形的过渡部分92，由两个90度部分94组成的H-平面弯曲部分93和低噪声块接收器96。目前申请人使用由加利福尼亚放大器厂制造的型号为KU117    HMT的接收器。

参看下一个图6，它是图5天线（不完全无导体层74）的部分剖视图，其中介质散射体100包含一一端扁平的半球结构。即它不是完全球状的散射体88，而是内侧表面102和外侧表面104是扁平的半球形散射体100。散射体100也是由气泡化聚乙烯材料做成的。虽然在散射器和插入物82之间出现小空隙106，但是散射器的形状可适当做些变化来消除任何这样的空隙106。

再参看图7，它是套筒式（伸缩式）天线结构110的剖示图，这种天线的结构与图5的天线相类似。不同的是外部玻璃纤维壳112由两个套筒部分114和116构成。套筒部分114、116一个配置在另一个上形成与外壳72部分相似的复合天线外壳结构。适当制成的耦合环118（图中以槽表示）设在部分116的里端，它（116）与114部分的外端120（图中以珠点表示）相配。“O”形环密封（图中未画出）或其它传统密封装置可用于该接合处，以确保连接处不透风雨。一夹紧式连接器（未画出）也可用来进一步加强接合处。进而互锁槽可以制作在外壳部分114、116上，当将部分116向前拉时，槽就彼此互相锁住。如果不用涂复的导体层，也可在天线部分114和116的内表面上加上柔软的导电层122。例如，可以使用各种金属丝织物或金属化的塑料叠层片。条件是任何材料都必须在微波频率上显示出合适的表面导电性。或者，柔性导体层122附着（粘结）在天线部分114和116的内部，只有一个柔性接合处124在天线部分彼此耦合处或其附近。

图8a和8b是本天线结构的阵列结构126和127，其中几个相同的天线128的喇叭接收孔径分别设置成一直线和一2×3的二维阵列。把每个天线与另一天线并以适当结构方式和块接收器96相连接的是波导130。这种组合天线装置的波束的相位彼此相互重叠，从而获得较强的信号增益，且波束宽度减小。而且，由于天线128具有小的尺寸、窄的波束宽度和低的边瓣，可以预料：阵列126和127可以形成较小的结构，且可以和彼此较接近的轨道中的卫星通信而不会受到邻近天线的干扰。

虽然本发明就多个较佳实施例作了描述，但应该理解，参照本发明的实施例，对本技术领域熟悉的人还可以据以提出其它实施例。因此，本发明的专利保护应包括在下面权项的总的精神实质范围内的所有那些等效的实施例。

Claims (37)

1、一种圆锥形喇叭天线，其特征在于包含：

(a)刚性壳体，其内部包含具有一外孔径的锥形(逐步变小的)第一区，从所述外孔径朝里以第一喇叭角逐步缩小到一圆筒形区，再从所述圆筒形区的内端边有一第二锥形区以第二喇叭角由大变小地延伸到一内孔径，其中，每个所述区与其它区相对于一纵向中心轴是同轴的；

(b)有导体复盖所述壳体的全部表面；且

(c)一锥形介质层，它有一至少与所述第一和第二锥形区之一的一部分配合的外侧表面，且还有一从所述外侧表面以逐渐缩小的第三喇叭角沿平面辐射的内侧锥形表面。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包含从所述内孔径向后延伸的圆形-矩形波导过度装置。

3、如权利要求1所述装置，其特征在于还包含安装在所述外孔径的介质聚焦透镜。

4、如权利要求3所述装置，其特征在于还包含能透过预定频率的入射电磁波的间隔装置，所述间隔装置用来支撑所述透镜使其相对于所述外孔径有一定的间隔。

5、如权利要求4所述装置，其特征在于所述间隔装置包含一圆筒形环。

6、如权利要求4所述的装置，其特征在于所述间隔装置的圆筒形环还包含多个从所述外孔径径向延伸的支撑件。

7、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包含安装在所述天线四周的、能透过预定频率的入射电磁波的防风雨的罩。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于所述罩是气密的且充有惰性气体。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于还包含与所述天线耦合的、使纵向中心轴与预定的空间坐标对齐的装置。

10、如权利要求4所述的装置，其特征在于所述透镜具有折射的入射表面。

11、如权利要求10所述装置，其特征在于还包含，其半径低于所述外孔径半径的一半的介质球，它沿所述纵向轴被支承离所述外孔径一预定距离处。

12、如权利要求1所述装置，其特征在于还包含同轴地安装在所述外孔径上的反射聚焦透镜。

13、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一区的半喇叭角在24到34度范围内，所述第二区的半喇叭角在20到30度范围内，且所加的介质层形成一连续的内表面，其在所述外孔径处的最大厚度低于介质中的电磁波的一个波长。

14、一喇叭天线，其特征在于包含：

（a）防护壳体部件，其内部包含第一和第二同轴的锥形信号接收级，相互经一中间圆筒形级彼此耦合（连接），且其中所述第二级的喇叭角大于所述第一级的喇叭角;

（b）一导体层复盖所述壳体部件的全部内表面;且

（c）一锥形介质层，它至少复盖第一和第二锥形级之一的一部分导体层，它有以逐渐减小的第三喇叭角平面辐射的内表面，所述介质的最大厚度低于所接收的有用信号的一个波长。

15、如权利要求14所述的装置，其特征在于所述第一级的角位移（半喇叭角）在24到34度范围内。

16、如权利要求14所述装置，其特征在于所述第二级的角位移（半喇叭角）在20到30度范围内。

17、如权利要求14所述装置，其特征在于所述第一级的角位移在24到34度范围内，所述第二级的在20到30度范围内，所加介质涂层形成一连续的内表面、其最大厚度低于所接收的有用信号的一个波长。

18、如权利要求14所述装置，其特征在于所述导体层是从铜、银和铝中选用的一金属。

19、如权利要求14所述装置，其特征在于还包含同轴的、对一定频率电磁入射波聚焦的透镜，该透镜耦合连接到所述第一级的外孔径上。

20、如权利要求1所述装置，其特征在于所述外孔径的直径低于所接收到的有用信号的3个波长。

21、如权利要求1所述装置，其特征在于还包含其半径低于所述外孔径半径一半的介质球，它沿纵向轴被支承在离所述外孔径预定距离处。

22、一锥形喇叭天线其特征在于：包含：

（a）刚性壳体，其内部包含一具有一外孔径的锥形第一区，朝里以24到34度的第一半喇叭角逐渐缩小到一圆筒形中心区，再从所述圆筒形区的内端边，有一第二锥形区以20到30度的逐渐缩小的第二半喇叭角由大变小地延伸到一内孔径，且其中每个所述区相对于一纵向中心轴与其它区是同轴的;

（b）一导体层复盖所述壳体的内表面;和

（c）一锥形介质层，它具有至少复盖第一和第二锥形级之一的一部分的一个表面，还有一以一逐渐缩小的第三喇叭角由大变小地从该一表面辐射的相反表面，介质层的最大厚度低于所接收的有用信号的一个波长。

23、如权利要求22所述装置，其特征在于还包含一介质部件，该部件的最宽部分尺寸上小于所述外孔径，且同轴地安置在所述外孔径上。

24、如权利要求23所述装置，其特征在于包含：

（a）包封所述壳体的充填气体的罩子;

（b）可调节地安装所述罩子到支撑（静止）表面的装置;

（c）在所述罩内支撑所述壳体并轴向地将所述纵向中心轴与预定的空间座标对准的装置。

25、一锥形喇叭天线，其特征在于包含：（a）一刚性壳体，其内部包含具有一外孔径的锥形第一区，朝里以第一喇叭角逐渐缩小到一圆筒形区，再从该圆筒形区的内端边有一第二锥形区以第二喇叭角由大逐渐变小地延伸到一内孔径，其中所述每个区相对于一纵向中心轴与其它区是同轴的;

（b）一导体层复盖所述壳体的整个内表面;和

（c）一介质层至少复盖第一和第二锥形区之一的导体层，且其中介质层的一内表面以第三喇叭角相对于邻接的锥形区作锥形延伸。

26、如权利要求25所述装置，其特征在于还包含：一介质部件，安装在所述第一锥形区的内部，以使导体层基本上被密封而与大气污染隔离。

27、如权利要求26所述装置，其特征在于所述介质部件基本上安装在所述第一锥形区的内部。

28、如权利要求26所述装置，其特征在于所述介质部件对于所接收的电磁波信号具有非均匀密度。

29、如权利要求25所述装置，其特征在于所述导体层包含彼此相互重叠的至少第一和第二导体层。

30、如权利要求25所述装置，其特征在于所述导体层是柔性的，且所述壳体包含若干段（部分）、这些部分（段）相互套筒式地安装。

31、如权利要求25所述装置，其特征在于还包含：多个天线，它们的外孔径相邻地安装在一个平面阵列中;并有用于耦合连接所述每个天线以及和信号接收器连接的装置。

32、如权利要求25所述装置，其特征在于还包含：多个天线，它们的外孔径相邻地安装在一直线上;并有用于相互耦合连接所述每个天线以及和信号接收器连接的装置。

33、如权利要求25所述装置，其特征在于还包含：一筒状介质部件，它与所述圆筒形区的导体部分相配合。

34、如权利要求25所述装置，其特征在于所述介质层包含至少一个具有内、外孔径的介质插入物，一锥形外表面以第一喇叭角从内孔径朝外平面辐射，和一锥形内表面以逐渐缩小的第二喇叭角从第一喇叭角朝外作平面辐射。

35、一锥形喇叭天线，其特征在于包含：

（a）一刚性壳体，其内部包含一具有外孔径的锥形第一区，它以第一喇叭角朝里逐渐缩小到一圆筒形区，再从该圆筒形区的内端边有一第二锥形区以第二喇叭角由大变小地延伸到一内孔径，其中所述每个区相对于一纵向中心轴与其它区是同轴的;

（b）一导体层复盖所述壳体的整个内部;和

（c）第一和第二介质插入物，其中每个包含与第一和第二锥形区的所述导体部分相配合的锥形外表面，还有一锥形内表面以一逐渐减小的喇叭角从所述的外表面作喇叭形延伸。

36、如权利要求35所述装置，其特征在于还包含一将所述导体密封于对电磁波为惰性的惰性气体环境中的装置。

37、如权利要求35所述装置，其特征在于还包含一安装在所述第一锥形区中的第三介质部件。

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