CN104852139A - 利用曲折型波导产生双极化信号的天线阵列系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明描述了一种利用曲折型波导产生双极化信号的天线阵列系统。天线阵列系统可以包括具有馈电波导长度的馈电波导、与馈电波导信号通信的至少两个定向耦合器、沿着馈电波导长度的至少两对平面耦合缝隙、以及至少两个喇叭天线。

Description

利用曲折型波导产生双极化信号的天线阵列系统
技术领域
本发明总体涉及微波装置，并且更具体地，涉及天线阵列。
背景技术
在当今的现代社会中，卫星通信系统已成为共同的区域。如今在围绕地球的各个轨道中有许多类型的通信卫星发送和接收大量的信息。通信卫星被用于微波无线电中继和移动应用，如，例如，乘船与船只、车辆、飞机、个人移动终端、因特网数据通信、电视和无线电发射的通信。作为另一实例，对于因特网数据通信，同样存在对洲际和国内航班上的飞行中的因特网连通性的增长的需要。令人遗憾地，因为这些应用，存在对更多的通信卫星的利用和每个这些通信卫星的带宽能力的增加的不断增加的需要。
解决这个需要的显而易见的问题是单独卫星通信系统的制造、置于环地轨道中、以及操作和维护都是非常昂贵的。解决这个需要的另一个问题是在增加新的通信卫星的带宽能力上存在限制的设计因素。这些限制设计因素中之一是通信卫星的相对紧凑的物理尺度和重量。通信卫星设计受现代的卫星运载系统(即，火箭系统)能够负载并且输送到轨道的尺寸和重量参数限制。通信卫星的尺寸和重量局限性限制可包括在通信卫星中的电气、电子、发电和机械子系统的类型。因此，这些子系统的类型的限制同样是增加卫星通信的带宽能力的限制因素。
本领域技术人员理解，通常，增加通信卫星的带宽能力的限制因素由通信卫星的转发器、天线系统和处理系统确定。
对于天线系统(或多个系统)，大部分通信卫星天线系统包括一些类型的天线阵列系统。在过去，反射器天线(如抛物盘)与不同的许多馈送阵列元件(如馈电喇叭天线)一起应用。令人遗憾地，通常这些反射器天线系统利用机械手段而不是电子手段扫描它们的天线波束。这些机械手段通常包括相对大的、体积大的、并且重的机构(即，天线万向架)。
近年来，已存在利用非反射器相控阵天线系统设计的卫星。这些相控阵天线系统与先前的反射器式的天线系统相比能够增加天线系统的带宽能力。此外，这些相控阵天线系统有时能够在不机械移动相控阵天线系统的情况下引导并转向天线波束。通常，动态相控阵天线系统在不物理移动相控阵天线系统的情况下利用可变移相器移动天线波束。另一方面，固定的相控阵天线系统利用固定的相位移相器产生相对于相控阵天线系统的正面固定的天线波束。因此，固定的相控阵天线系统需要整个天线系统(与例如，天线万向架一起)的移动以引导并转向天线波束。
令人遗憾地，尽管与固定的相控阵天线系统相比更期望动态的相控阵天线系统，但它们同样更复杂并昂贵因为它们需要专门的有源元件(如功率放大器和有源移相器)和控制系统。因此，需要能够电子扫描天线波束的新型的相控阵天线系统，该相控阵天线系统是实用的、高效的、紧凑的，并且解决了先前描述的问题。
发明内容
根据本发明描述一种用于引导并转向天线波束的天线阵列系统。在实施方式的实例中，天线阵列系统可包括：具有馈电波导长度的馈电波导，与馈电波导信号通信的至少两个定向耦合器，沿着馈电波导长度的至少两对平面耦合缝隙，以及至少两个喇叭天线。馈电波导可具有馈电波导壁，沿着馈电波导长度的至少一个转弯，馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端。馈电波导被配置为在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号。
至少两个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于馈电波导的波导壁的底壁，并且每个定向耦合器被配置为从第一输入信号产生第一耦合信号，并且从第二输入信号产生第二耦合信号。至少两对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应，并且至少两对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应。此外，第一对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第一定向耦合器的相邻的底壁中，并且第二对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第二定向耦合器的相邻的底壁中。
至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与第一定向耦合器信号通信，并且至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与第二定向耦合器信号通信。第一喇叭天线被配置为接收来自第一定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号，并且第二喇叭天线被配置为接收来自第二定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号。此外，第一喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，并且第二喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，其中第一喇叭天线的第一极化信号与第一喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且第二喇叭天线的第一极化信号与第二喇叭天线的第二极化信号交叉极化。此外，第一喇叭天线的第一极化信号在与第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且第一喇叭天线的第二极化信号在与第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
在操作的实例中，天线阵列系统执行以下方法，该方法包括在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号，其中第二输入信号在与第一输入信号相反方向上传播。将第一输入信号耦合到将至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器，其中第一定向耦合器产生第一定向耦合器的第一耦合输出信号，并且将第一输入信号耦合到至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器，其中第二定向耦合器产生第二定向耦合器的第一耦合输出信号。该方法还包括将第二输入信号耦合到第二定向耦合器，其中第二定向耦合器产生第二定向耦合器的第二耦合输出信号，并且将第二输入信号耦合到第一定向耦合器，其中第一定向耦合器产生第一定向耦合器的第二耦合输出信号。该方法还包括响应于第一喇叭天线接收第一定向耦合器的第一耦合输出信号，从至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线发射第一极化信号，并且响应于第一喇叭天线接收第一定向耦合器的第二耦合输出信号，从第一喇叭天线发射第二极化信号。该方法另外包括响应于第二喇叭天线接收第一定向耦合器的第二耦合输出信号，从至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线发射第一极化信号，并且响应于第二喇叭天线接收第二定向耦合器的第二耦合输出信号，从第二喇叭天线发射第二极化信号。
在实施方式的另一个实例中，天线阵列系统可包括：具有馈电波导长度的馈电波导，与馈电波导信号通信的至少四个定向耦合器，沿着馈电波导长度的至少四对平面耦合缝隙，以及至少两个喇叭天线。馈电波导可具有馈电波导壁，沿着馈电波导长度的至少五个转弯，馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端。馈电波导被配置为在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号。
至少四个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于馈电波导的波导壁的底壁，并且每个定向耦合器被配置为从第一输入信号或者第二输入信号中的任一个产生耦合信号。至少四对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应；至少四对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应；至少四对平面耦合缝隙中的第三对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第三定向耦合器相对应；并且至少四对平面耦合缝隙中的第四对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第四定向耦合器相对应。此外，第一对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第一定向耦合器的相邻的底壁中；第二对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第二定向耦合器的相邻的底壁中；第三对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第三定向耦合器的相邻的底壁中；并且第四对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第四定向耦合器的相邻的底壁中。
至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与第一定向耦合器和第二定向耦合器信号通信，并且至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与第三定向耦合器和第四定向耦合器信号通信。第一喇叭天线被配置为接收来自第一定向耦合器的耦合信号和来自第二定向耦合器的耦合信号，并且第二喇叭天线被配置为接收来自第三定向耦合器的耦合信号和来自第四定向耦合器的耦合信号。此外，第一喇叭天线被配置为从所接收的来自第一定向耦合器的耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的来自第二定向耦合器的耦合信号产生第二极化信号，并且第二喇叭天线被配置为从所接收的来自第三定向耦合器的耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的来自第四定向耦合器的耦合信号产生第二极化信号，其中第一喇叭天线的第一极化信号与第一喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且第二喇叭天线的第一极化信号与第二喇叭天线的第二极化信号交叉极化。此外，第一喇叭天线的第一极化信号在与第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且第一喇叭天线的第二极化信号在与第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
根据下面的附图和详细描述，本发明的其他的装置、设备、系统、方法、特征和优势对本领域内的技术人员将是或变得显而易见。意图是将包括在本说明书内的所有这样的另外的系统、方法、特征和优势包括在本发明的范围内并且由所附权利要求保护。
附图说明
本发明可以通过参照以下附图更好地理解。附图中的部件并不一定是按照比例的，而是强调阐释本发明的原理。在附图中，贯穿不同的视图相同参考数字表示相对应的部分。
图1A是根据本发明的天线阵列系统的实施方式的实例的俯视图。
图1B是在图1A中示出的天线阵列系统的实施方式的实例的前视图。
图1C是图1A和图1B中示出的天线阵列系统的实施方式的实例的侧视图。
图1D是在图1A、图1B和图1C中示出的天线阵列系统的实施方式的实例的后视图。
图2是在图1A、图1B、图1C和图1D中示出的定向耦合器和馈电波导的操作的实例的框图。
图3是根据本发明的(在图1A、图1B、图1C和图1D中示出的)馈电波导的实施方式的实例的俯视图。
图4A是在图3中示出的馈电波导的一部分的透视侧视图，示出TE10模式激发电场和磁场。
图4B是在图3中示出的馈电波导的一部分的透视侧视图，示出沿着与在图4A中示出的激发电场和磁场相对应的宽壁和窄壁的在TE10模式中产生的感应电流。
图5是图3中示出的具有沿着馈电波导的长度的多个激发磁场回路的馈电波导的俯视图。
图6是根据本发明的馈电波导、平面耦合缝隙对和定向耦合器的实施方式的实例的侧切视图。
图7A是根据本发明的用在天线阵列系统上的喇叭天线的实施方式的实例的前透视图。
图7B是示出第一喇叭输入端、第二喇叭输入端和隔板极化器的(在图7A中示出的)喇叭天线的后视图。
图8是五个示例天线发射模式的以分贝为单位的振幅对比以角度为单位的宽边角度的曲线图。
图9A是根据本发明的另一个天线阵列系统的实施方式的实例的俯视图。
图9B是在图9A中示出的天线阵列系统的实施方式的实例的侧视图。
图10是根据本发明的(如果图9A和图9B示出的)馈电波导的实施方式的实例的俯视图。
图11是根据本发明的利用天线阵列系统的反射器天线系统的实施方式的实例的透视图。
图12是在图11中示出的利用反射器天线系统的通信卫星的透视图。
具体实施方式
根据本发明描述一种用于引导并转向天线波束的天线阵列系统。在实施方式的实例中，天线阵列系统可包括：具有馈电波导长度的馈电波导，与馈电波导信号通信的至少两个定向耦合器，沿着馈电波导长度的至少两个对平面耦合缝隙，以及至少两个喇叭天线。馈电波导可具有馈电波导壁，沿着馈电波导长度的至少一个转弯，馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端。馈电波导被配置为在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号。
至少两个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于馈电波导的波导壁的底壁，并且每个定向耦合器被配置为从第一输入信号产生第一耦合信号，并且从第二输入信号产生第二耦合信号。至少两对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应，并且至少两对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应。此外，第一对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第一定向耦合器的相邻的底壁中，并且第二对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第二定向耦合器的相邻的底壁中。
至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与第一定向耦合器信号通信，并且至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与第二定向耦合器信号通信。第一喇叭天线被配置为接收来自第一定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号，并且第二喇叭天线被配置为接收来自第二定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号。此外，第一喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号并且第二喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，第一喇叭天线的第一极化信号与第一喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且第二喇叭天线的第一极化信号与第二喇叭天线的第二极化信号交叉极化。此外，第一喇叭天线的第一极化信号在与第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且第一喇叭天线的第二极化信号在与第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
第一喇叭天线和第二喇叭天线的第一极化信号和第二极化信号的极化可以分别是包括线性极化、圆形极化、椭圆极化等的任何期望的极化方案。举例来说，第一喇叭天线的第一极化信号和第二极化信号可以是第一线性极化信号和第二线性极化信号，其中第一线性极化信号和第二线性极化信号交叉极化(即，极化是正交的)，因为一个可以是“垂直”极化的而另一个可以是“水平”极化的。相似地，第二喇叭天线的第一极化信号和第二极化信号可以是第一线性极化信号和第二线性极化信号，其中第一线性极化信号和第二线性极化信号交叉极化。此外，在这个实例中，第一喇叭天线的第一线性极化信号和第二喇叭天线的第一线性极化信号可以在相同的方向上极化(即，两者均是垂直极化的或两者均是水平极化的)。相似地，第一喇叭天线的第二线性极化信号和第二喇叭天线的第二线性极化信号可以在相同的方向上极化。
在圆形极化的情况下，第一喇叭天线的第一极化信号和第二极化信号可以是第一喇叭天线的第一圆形极化信号和第二圆形极化信号，其中第一圆形极化信号和第二圆形极化信号交叉极化，因为第一喇叭天线的第一圆形极化信号在与第一喇叭天线的第二圆形极化信号相反方向上旋转(即，一个可以是右向圆形极化的而另一个可以是左向圆形极化的)。相似地，第二喇叭天线的第一极化信号和第二极化信号可以是第二喇叭天线的第一圆形极化信号和第二圆形极化信号，其中第一圆形极化信号和第二圆形极化信号交叉极化，因为第二喇叭天线的第一圆形极化信号在与第二喇叭天线的第二圆形极化信号相反方向上旋转。
此外，在这个实例中，第一喇叭天线的第一圆形极化信号和第二喇叭天线的第一圆形极化信号可以在相同的方向上极化(即，两者均相同的方向旋转使得两者均是右向圆形极化(“RHCP”)或均是左向圆形极化(“LHCP”))。相似地，第一喇叭天线的第二圆形极化信号和第二喇叭天线的第二圆形极化信号可以在相同的方向上极化。
在操作的实例中，天线阵列系统执行以下方法，该方法包括在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号，其中第二输入信号在与第一输入信号相反方向上传播。将第一输入信号耦合到将至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器，其中第一定向耦合器产生第一定向耦合器的第一耦合输出信号，并且将第一输入信号耦合到至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器，其中第二定向耦合器产生第二定向耦合器的第一耦合输出信号。该方法还包括将第二输入信号耦合到第二定向耦合器，其中第二定向耦合器产生第二定向耦合器的第二耦合输出信号，并且将第二输入信号耦合到第一定向耦合器，其中第一定向耦合器产生第一定向耦合器的第二耦合输出信号。该方法还包括响应于第一喇叭天线接收第一定向耦合器的第一耦合输出信号，从至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线发射第一圆形极化信号，并且响应于第一喇叭天线接收第一定向耦合器的第二耦合输出信号，从第一喇叭天线发射第二圆形极化信号。该方法另外包括响应于第二喇叭天线接收第二定向耦合器的第二耦合输出信号，从至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线发射第一圆形极化信号，并且响应于第二喇叭天线接收第二定向耦合器的第二耦合输出信号，从第二喇叭天线发射第二圆形极化信号。
在实施方式的另一个实例中，天线阵列系统可包括：具有馈电波导长度的馈电波导，与馈电波导信号通信的至少四个定向耦合器，沿着馈电波导长度的至少四对平面耦合缝隙，以及至少两个喇叭天线。馈电波导可具有馈电波导壁，沿着馈电波导长度的至少五个转弯，馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端。馈电波导被配置为在第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在第二馈电波导输入端处接收第二输入信号。
至少四个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于馈电波导的波导壁的底壁，并且每个定向耦合器被配置为从第一输入信号或者第二输入信号中的任一个产生耦合信号。至少四对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应；至少四对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应；至少四对平面耦合缝隙中的第三对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第三定向耦合器相对应；并且至少四对平面耦合缝隙中的第四对平面耦合缝隙与至少四个定向耦合器中的第四定向耦合器相对应。第一对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第一定向耦合器的相邻的底壁中；第二对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第二定向耦合器的相邻的底壁中；第三对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第三定向耦合器的相邻的底壁中；并且第四对平面耦合缝隙被切入馈电波导的馈电波导壁和第四定向耦合器的相邻的底壁中。
至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与第一定向耦合器和第二定向耦合器信号通信，并且至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与第三定向耦合器和第四定向耦合器信号通信。第一喇叭天线被配置为接收来自第一定向耦合器的耦合信号和来自第二定向耦合器的耦合信号，并且第二喇叭天线被配置为接收来自第三定向耦合器的耦合信号和来自第四定向耦合器的耦合信号。此外，第一喇叭天线被配置为从所接收的来自第一定向耦合器的耦合信号产生第一极化信号，并且第二极化信号从所接收的来自第二定向耦合器的耦合信号产生第二极化信号，并且第二喇叭天线被配置为从所接收的来自第三定向耦合器的耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的来自第四定向耦合器的耦合信号产生第二极化信号。第一喇叭天线的第一极化信号与第一喇叭天线的第二极化信号的相反的方向交叉极化，并且第二喇叭天线的第一极化信号与第二喇叭天线的第二极化信号的相反方向交叉极化。此外，第一喇叭天线的第一极化信号在与第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且第一喇叭天线的第二极化信号在与第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
转向图1A、图1B、图1C和图1D，根据本发明示出天线阵列系统100的实施方式的实例的各个视图。在图1A中，示出天线阵列系统100的实施方式的实例的俯视图。天线阵列100可包括馈电波导102、多个定向耦合器(未示出)、多个喇叭天线104、106、108、110、112和114、以及多个功率放大器(未示出)。馈电波导102包括馈电波导102的第一端118处的第一馈电波导输入端116和馈电波导102的第二端122处的第二馈电波导输入端120，其中第二端122相对于第一端118在馈电波导102的相对端处。馈电波导102可以是包括多个转弯(即，弯曲)124、126、128、130和132的蜿蜒的或曲折型波导。在这个实例中，馈电波导102的物理布局可以通过具有坐标轴X134、Y136和Z138的三维笛卡尔坐标来描述，其中馈电波导102位于由X134和Y136坐标轴限定的平面中。此外，多个喇叭天线104、106、108、110、112和114被示出为与由X134和Y136坐标轴限定的平面垂直，沿着Z138坐标轴延伸。本领域技术人员应理解，尽管仅示出馈电波导102中的六个喇叭天线104、106、108、110、112和114和五个转弯124、126、128、130和132，但这仅是用于图例的目的并且天线阵列系统100可以包括任何偶数的定向耦合器(未示出)、喇叭天线和功率放大器(未示出)，具有需要馈电定向耦合器的相应数量的转弯。作为另一实例，天线阵列系统100可包括60个定向耦合器和喇叭天线，以及59个馈电波导中的转弯。应理解喇叭天线的数目确定定向耦合器的数量，以及馈电波导中的转弯的数量。多个喇叭天线104、106、108、110、112和114中的每个喇叭天线起天线阵列系统100的单独发射元件的作用。在操作中，每个喇叭天线的单独发射模式由于彼此的喇叭天线的发射模式而在振幅和相位上有所不同。每个喇叭天线的发射模式的振幅由控制喇叭天线的激励电流的振幅的功率放大器(未示出)控制。相似地，每个喇叭天线的发射模式的相位由在馈电对应于喇叭天线的定向耦合器中由馈电波导102所引起的相应的延迟的相位确定。
在图1B中，示出天线阵列系统100的实施方式的实例的前视图。在这个前视图中，多个定向耦合器140、142、144、146、148和150被示出为与馈电波导102和多个功率放大器152、154、156、158、160和162信号通信。多个功率放大器152、154、156、158、160和162被示出为分别与多个喇叭天线104、106、108、110、112和114信号通信。在这个实例中，馈电波导102和定向耦合器140、142、144、146、148和150被示出为矩形波导。作为参考，在这个前视图中，天线阵列系统100的物理布局示出由Y136和Z138坐标轴与朝向垂直于两者的方向并且进入Y136和Z138限定的平面的X134坐标轴限定的平面以内。
在图1C中，示出天线阵列系统100的实施方式的实例的侧视图。作为参考，在这个侧视图中，天线阵列系统100的物理布局示出由X134和Z138坐标轴与沿垂直于两者的方向引导并且到Y136和Z138限定的平面以外的Y136坐标轴限定的平面以内。在这个侧视图中，另一个功率放大器164被示出为与喇叭天线114和定向耦合器150信号通信。在这个实例中，定向耦合器150示出为位于与具有两个弯曲166和168的馈电波导102相邻的“U”形状波导结构。第一弯曲166定位为接近第一功率放大器162，并且第二弯曲168位于沿着定向耦合器150的相反的方向上接近第二功率放大器164。具体地，定向耦合器150分别与定向耦合器第一端170处和第二端172处的功率放大器162和164信号通信。
定向耦合器150的弯曲波导结构被称为“E型弯曲”，因为其扭曲电场，与被称为“H型弯曲”馈电波导102中的弯曲(即，转弯)124、126、128、130和132不同，因为它们扭曲磁场。通常，E型弯曲波导可以利用逐渐弯曲构造或通过利用设计成最小化波导中的反射的许多梯级过渡(如图1C所示)构造。相似地，H型弯曲波导同样可以利用逐渐弯曲(如图1A所示)或者通过利用设计成最小化波导中的反射的(在图9A、图9B和图10中示出)许多梯级过渡构造。这些类型的H型弯曲和E型弯曲波导的设计在本领域是众所周知的。
利用定向耦合器150的弯曲波导结构的理由是允许喇叭天线114在远离限定馈电波导102的物理布局结构的X-Y(134和136)平面的标准(即，垂直)方向上发射。应理解如果喇叭天线150被设计成沿限定馈电波导102的物理布局结构的平行于X-Y(134和136)平面的方向发射，那么定向耦合器150同样可以是非弯曲的。
应理解尽管仅示出定向耦合器150、喇叭天线114、功率放大器162和164和馈电波导102转弯128的一个的组合，这个组合同样代表其它定向耦合器140、142、144、146、148和150、多个功率放大器152、154、156、158、160、162和164、喇叭天线104、106、108、110、112和114和馈电波导102转弯124和126的特征。应注意馈电波导102转弯130和132在这个侧视图中不可见，因为它们被馈电波导102的第二端122阻挡。
转向图1D，示出天线阵列系统100的实施方式的实例的后视图。在这个后视图中，多个定向耦合器140、142、144、146、148和150被示出为与馈电波导102和另外多个功率放大器164、174、176、178、180和182两者信号通信。多个功率放大器164、174、176、178、180和182被示出为分别与多个喇叭天线114、112、110、108、106和104信号通信。作为参考，在这个后视图中天线阵列系统100的物理布局示出由Y136和Z138坐标轴与沿垂直于两者的方向引导并且延伸到Y136和Z138限定的平面以外的X134坐标轴限定的平面以内。
在这个实例中，馈电波导102和定向耦合器140、142、144、、148和150两者示出为具有宽壁(如图1A中看出的馈电波导102的和图1B和图1D中看出的定向耦合器140、142、144、146、148和150的)和窄壁(如图1B和图1D中看出的馈电波导102的和在图1C中看出的定向耦合器140、142、144、146、148和150)的矩形波导。在操作中，每个定向耦合器140、142、144、146、148和150利用一对位于并被切入定向耦合器140、142、144、146、148和150的一对平面耦合缝隙(未示出)和邻近于各个定向耦合器140、142、144、146、148和150的宽壁的馈电波导102的宽壁的相应部分
在操作的实例中，馈电波导102起到对多个定向耦合器140、142、144、146、148和150进行馈电的行波曲折型线阵列。天线阵列系统100接收第一输入信号184和第二输入信号186。第一输入信号184和第二输入信号186两者均可以是TE10、或TE01模式传播的信号。第一输入信号184被输入到馈电波导102的第一端118处的第一馈电波导输入端116中，并且第二输入信号186被输入到馈电波导102的第二端122处的第二馈电波导输入端120中。在这个实例中，第一输入信号184和第二输入信号186两者均沿着进入到馈电波导102的相对端的X134坐标轴的方向传播。
一旦在馈电波导102中，第一输入信号184和第二输入信号186在相反的方向沿着馈电波导102传播，那么它们的各自的能量的耦合部分进入到不同的定向耦合器中。因为第一输入信号184和第二输入信号186是行波信号，该行波信号沿着馈电波导102的长度188的相反的方向行进，它们在馈电波导102内的任何给定点处将具有相对于彼此的约180度的相位延迟。通常，馈电波导102的波导长度188是(第一输入信号184和第二输入信号186的工作波长)的几个波长长度，以便足够长以生成同样是第一输入信号184和第二输入信号186的工作波长的多个波长的平面耦合缝隙对之间的长度(未示出)。平面耦合缝隙对(未示出)的这个长度的理由是生成根据频率波束转向天线阵列系统100的天线波束(未示出)所需要的相位增加。举例来说，平面耦合缝隙对之间的长度可以在5至7个波长长度之间。
在这个实例中，随着第一输入信号184从馈电波导102的第一端118行进到馈电波导102的第二端122，第一输入信号184依次将其能量的部分耦合至每个定向耦合器140、142、144、146、148和150，直至剩余能量(如果有的话)的第一剩余信号190被从馈电波导102的第二端122输出。相似地，随着第二输入信号186在相反方向上从馈电波导102的第二端122行进到馈电波导102的第一端118，第二输入信号186依次将其能量的部分耦合至每个定向耦合器140、142、144、146、148和150，直至剩余能量(如果有的话)的第二剩余信号192从馈电波导102的第一端118输出。应理解，通过优化定向耦合器140、142、144、146、148和150的设计，第一剩余信号190和第二剩余信号192两者可减少至接近零。
在这个实例中，当第一输入信号184沿着馈电波导102行进时，其将会将其能量的第一部分耦合至定向耦合器140，该定向耦合器140将会将这个第一耦合的输出信号传递到喇叭天线104。第一输入信号184的剩余部分然后将沿着馈电波导102行进到定向耦合器142，其中其将其能量的另一部分耦合至定向耦合器142，该定向耦合器142将会将这个第二耦合输出信号传递到第二喇叭天线106。这个过程将继续，使得第一输入信号184的另一部分将耦合至定向耦合器144、146、148和150并且分别被传递至喇叭天线108、110、112和114。然后第一输入信号184的剩余部分将作为第一剩余信号190从馈电波导102的第二端122输出。在这个实例中，当第二输入信号186沿着馈电波导102行进时，其将会将其能量的第一部分耦合至定向耦合器150，该定向耦合器150将会将这个第一耦合的输出信号传递到喇叭天线114。然后第二输入信号186的剩余部分将沿着馈电波导102行进到定向耦合器148，其中其将会将其能量的另一部分耦合至定向耦合器148，该定向耦合器148将会将这个第二耦合输出信号传递到第二喇叭天线112。这个过程将会继续，使得第二输入信号186的另一部分将被耦合至定向耦合器146、144、142和140并且分别被传递至喇叭天线110、108、106和104。然后第二输入信号186的剩余部分将作为第二剩余信号192从馈电波导102的第一端118输出。
因此，第一输入信号184和第二输入信号196将促成喇叭天线104、106、108、110、112和114的激发。喇叭天线104、106、108、110、112和114可以被配置为当分别由第一输入信号184和第二输入信号186的耦合部分激励时产生RHCP和LHCP信号。可替换地，喇叭天线104、106、108、110、112和114可以被配置为当分别由第一输入信号184和第二输入信号186的耦合部分激励时产生水平极化信号和垂直极化信号。
应理解，第一环行器、或其他隔离装置，(未示出)可以连接至第一端118以使第一输入信号184与输出的第二剩余信号192隔离并且第二环行器、或其他隔离装置，(未示出)可以连接至第二端122以使第二输入信号186与输出的第一剩余信号190隔离。本领域技术人员应理解，从馈电波导102到各定向耦合器140、142、144、146、148和150的耦合能量的量是由将得到天线阵列系统100的期望的发射天线模式的预定的设计选择所确定的。
本领域技术人员应理解与天线阵列系统100的或者与天线阵列系统100有关的电路、组件、模块和/或装置被描述为彼此信号通信，其中信号通信指的是允许电路、组件、模块和/或装置从另一个电路、组件、模块和/或装置传递和/或接收信号和/或信息的电路、组件、模块和/或装置之间的任何类型的通信和/或连接。通信和/或连接可以沿着允许信号和/或信息从一个电路、组件、模块和/或装置传递到另一个的任何信号路径，并且包括无线或有线信号路径。信号路径可以是物理的，如，例如，导线、电磁波引导件、电缆、附接的和/或电磁的或机械耦合的端子、半导体的或介电的材料或装置、或其他类似的物理连接或耦合。此外，信号路径可以是非物理的，如自由空间(在电磁传播情况下)或通过数字组件的信息通路，其中通信信息在不通过直接电磁连接的情况下以变化的数字格式从一个电路、组件、模块和/或装置传递到另一个。
图2是在图1A、图1B、图1C和图1D中示出的定向耦合器和馈电波导的操作的实例的框图。如先前描述的，第一输入信号200被引入到馈电波导内(未示出)。然后馈电波导将第一输入信号200传递到定向耦合器202，该定向耦合器202产生“正向”耦合信号204并且将其传递到第一喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第一输入信号206传递到定向耦合器208，该定向耦合器208产生另一个正向耦合信号210并且将其传递到另一个喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第一输入信号212传递到定向耦合器214，该定向耦合器214产生另一个正向耦合信号216并且将其传递到另一个喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第一输入信号218传递到定向耦合器220，该定向耦合器220产生另一个正向耦合信号222并且将其传递到另一个喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第一输入信号224传递到定向耦合器226，该定向耦合器226产生另一个正向耦合信号228并且将其传递到另一个喇叭天线(未示出)。最终，将剩余的第一输入信号230传递到定向耦合器232，该定向耦合器232产生另一个正向耦合信号234并且将其传递到另一个喇叭天线(未示出)。然后第一剩余信号234从馈电波导输出。相似地，第二输入信号236被引入到馈电波导(未示出)内。然后馈电波导将第二输入信号236传递到定向耦合器232，该定向耦合器232产生“反向”耦合信号238并且将其传递到将正向耦合信号234传递至的相同的喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第二输入信号240传递到定向耦合器226，该定向耦合器226产生另一个反向耦合信号242并且将其传递到将正向耦合信号228传递至的相同的喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第二输入信号244传递到定向耦合器220，该定向耦合器220产生另一个反向耦合信号246并且将其传递到将正向耦合信号222传递至的相同的喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第二输入信号248传递到定向耦合器214，该定向耦合器214产生另一个反向耦合信号250并且将其传递到将正向耦合信号216传递至的相同的喇叭天线(未示出)。然后将剩余的第二输入信号252传递到定向耦合器208，该定向耦合器208产生另一个反向耦合信号254并且将其传递到将正向耦合信号210传递至的相同的喇叭天线(未示出)。最终，将剩余的第二输入信号256传递到定向耦合器202，该定向耦合器202产生另一个反向耦合信号258并且将其传递到将正向耦合信号204传递至的相同的喇叭天线(未示出)。然后第二剩余信号260从馈电波导输出。
转向图3，根据本发明示出馈电波导300的实施方式的实例的俯视图。馈电波导300包括宽壁302和分别组织成平面耦合缝隙对328、330、332、334、336和338的多个平面耦合缝隙304、306、308、310、312、314、316、318、320、322、324和326。在这个实例中，平面耦合缝隙被切入馈电波导300的宽壁302，并且每个平面耦合缝隙对328、330、332、334、336和338具有彼此间隔约四分之一波长的间隔340的一对平面耦合缝隙(328、330、332、334、336和338)。在这个实例中，平面耦合缝隙是将能量从馈电波导300发射到外面的发射缝隙。应理解馈电波导300是由如金属的导电材料构造的并且限定具有可以充满空气、介电材料、或两者的馈电波导300的内部空腔的长度342的矩形管。
在操作的实例中，当第一输入信号344和第二输入信号346被引入(输入)到馈电波导300内时，它们刺激馈电波导300内的磁场和电场两者。这在与磁场成直角的馈电波导300的壁(即，宽壁302和窄壁(未示出))中产生了感应电流。举例来说，在图4A中，示出(图3的)馈电波导300的部分400的透视侧视图。在这个实例中，第一输入信号402被引入到在第一馈电波导输入端406处(馈电波导300的第一端408处)的馈电波导300的空腔404内。如果第一输入信号402是TE10模式信号，其将感应沿着馈电波导300的窄壁412的垂直方向引导的电场410和垂直于电场410并且沿着传播方向416形成回路的磁场414，该回路平行于宽壁的顶部302和底部418并且与侧壁(即，窄壁412)相切。应理解对于TE10模式，电场410根据沿着传播方向的距离以正弦波的形式改变。在图4B中，将(图3的)馈电波导300的部分400的透视侧视图与由第一输入信号402产生的沿着宽壁302和窄壁412的以TE10模式产生的感应电流420一起示出。基于该理念扩展，在图5中，将馈电波导500的俯视图与沿着馈电波导500的长度的多个激发磁场回路一起示出。磁场回路由沿着馈电波导500的长度的第一输入信号344的传播所引起。
应注意在图4A、图4B和图5中，与第一输入信号(344和402)相关联描述实例；然而，应理解根据相互性，相同的实例对于描述第二输入信号346的沿着馈电波导的电磁场和感应电流(300和500)同样适用。仅有的差异是极性将是相反的，因为第二输入信号346相对于第一输入信号(344和402)在相反的方向上传播。
转回到图3(参考图4A和图4B)，每个平面耦合缝隙304、306、308、310、312、314、316、318、320、322、324和326被设计成中断馈电波导300的宽壁302中的感应电流420的电流并且因此产生对内部的电场410和磁场414的干扰，使得能量从馈电波导300的空腔404辐射到馈电波导300的外部环境，即，将馈电波导300的能量耦合到外部环境。转回到图1A至图1D和图2，这些对的平面耦合缝隙对328、330、332、334、336和338，将来自馈电波导300的能量耦合到图1A至图1D和图2中示出的各个定向耦合器。
本领域技术人员应理解，图4A、图4B和图5将输入信号描述为TE10模式信号；然而，信号可以由本领域技术人员同样众所周知的TE01模式信号代替。在TE10模式信号情况下，馈电波导内的感应电流和电场(300和500)将是不同的，并且每个平面耦合缝隙将不同于上述TE10模式实例的缝隙。然而，设计理论是类似的，每个平面耦合缝隙依然设计成中断馈电波导的宽壁中的感应电流的电流。
转向图6，在图6中，馈电波导600的实施方式的实例的侧切视图，根据本发明示出一对平面耦合缝隙602和604和定向耦合器606。定向耦合器606通过一对平面耦合缝隙602和604耦合至馈电波导600，该一对平面耦合缝隙602和604将馈电波导600的能量耦合到定向耦合器606。在这个实例中，应理解馈电波导600具有被切入馈电波导600的顶部宽壁608的一对平面耦合缝隙，而且定向耦合器具有相应的被切入定向耦合器606的底部宽壁610的一对平面耦合缝隙。馈电波导600的一对平面耦合缝隙和定向耦合器606的一对平面耦合缝隙放置在彼此的上面以形成结合的一对平面耦合缝隙602和604，以便允许能量从馈电波导600的内部的空腔612耦合至定向耦合器的内部的空腔614。定向耦合器606与第一功率放大器616和第二功率放大器618信号通信。与在图1C中示出的定向耦合器150相似，定向耦合器606被示出为位于与具有两个弯曲620和622的馈电波导600相邻的“U”形状的波导结构。第一弯曲620定位为接近第一功率放大器616，并且第二弯曲622位于沿着定向耦合器606的相反的方向上接近第二功率放大器618。具体地，定向耦合器606分别与定向耦合器第一端624处和第二端626处的功率放大器616和618信号通信。在这个实例中，第一弯曲620和第二弯曲622示出为与在图1C中示出的弯曲166和弯曲168不同的非梯级过渡弯曲。如先前论述的，基于天线阵列系统的设计目标可以在定向耦合器中应用各种类型的已知的E型弯曲。
在操作的实例中，第一信号628(对应于第一输入信号)沿着馈电波导600传播。当第一信号628到达一对平面耦合缝隙602和604时，大部分功率将如所示的继续沿着馈电波导600传播，如由剩余第一输入信号630示出的；然而，小部分的第一信号628将通过一对平面耦合缝隙602和604从馈电波导600耦合到定向耦合器606。这个耦合能量被示出为正向耦合信号632。然后将正向耦合信号632传递到第一功率放大器616，该功率放大器616将信号的振幅放大并且将放大的第一耦合信号634传递至喇叭天线的输入馈电(未示出)。
相似地，第二信号636(对应于第二输入信号)沿着馈电波导600在第一信号628的相反方向上传播。当第二信号636到达一对平面耦合缝隙602和604时，大部分功率将继续沿着馈电波导600将继续沿着馈电波导600传播，如由剩余第二输入信号638示出的；然而，小部分的第二信号636将通过一对平面耦合缝隙602和604从馈电波导600耦合到定向耦合器606。这个耦合能量示出为反向耦合信号640。然后将反向耦合信号640传递到第二功率放大器618，该第二功率放大器618放大信号的振幅并且将放大的第二耦合信号642传递至喇叭天线的另一个输入馈电。然后喇叭天线可以利用放大的第一耦合信号634产生并发射RHCP信号，并且利用放大的第二耦合信号642产生并发射LHCP信号。可替换地，然后喇叭天线可以利用放大的第一耦合信号634产生并发射水平极化信号，并且利用放大的第二耦合信号642产生并发射垂直极化信号。
在这个实例中，一对平面耦合缝隙602和604相隔约四分之一波长的间隔644。四分之一波长的间隔的理由对于定向耦合器在本领域是众所周知的，但是可总体陈述为使得第一信号628将馈电波导600的能量在一个方向上耦合至定向耦合器606的同时使得第二信号636将馈电波导600的能量在相反方向上耦合至定向耦合器606。这个的理由总体上是在双向上传播耦合信号，然而，由平面耦合缝隙602和604所引起的相位延迟将使得耦合信号中的一个在一个方向上消除同时在另一个方向上增加相位。具体地，当第一信号628到达第一平面耦合缝隙602时，第一信号628的部分能量(即，耦合信号)将通过第一平面耦合缝隙602耦合到定向耦合器606。当剩余第一信号到达第二平面耦合缝隙604时，剩余第一信号的另一部分能量将通过第二平面耦合缝隙604耦合到定向耦合器606。因为这两个耦合信号在相同的方向上传播(即，向着第一功率放大器616)，所以它们是同相位的，并且有助益地添加相位以产生正向耦合信号632。然而，在相反方向上耦合的任何能量(即，向着第二功率放大器618)将有助益地抵消，因为向着第二功率放大器618行进的来自第一信号628的耦合信号(由第一平面耦合缝隙602产生的)将来自剩余第一信号的耦合信号(由第二平面耦合缝隙604产生的)在相位上引导约180度。这个结果是因为，采用第一平面耦合缝隙602作为参考，到第二平面耦合缝隙604的耦合信号必须在馈电波导600中行进另外的四分之一波长，并且然后在定向耦合器606中再次后退四分之一波长。因此沿着第二功率放大器618的方向的两个耦合信号互相抵消。应理解，因为设计定向耦合器606的不完善，实际上少量功率(即，能量)将到达第二功率放大器618。然而，这可以通过本领域技术人员已知的适当的设计技术来最小化。应理解相同的耦合过程可适用于第二信号636使得反向耦合信号640是有助益地增加的结果，同时抵消来自在第一功率放大器616的方向上的第二信号636的耦合信号。
在图7A中，根据本发明示出用在天线阵列系统上的喇叭天线700的实施方式的实例的前透视图。通常，喇叭天线700是由像喇叭形状的漏斗金属702波导组成的天线，以便以波束引导无线电波。
在这个实例中，喇叭天线700包括在喇叭天线700的馈电输入端708处的第一喇叭输入端704和第二喇叭输入端706。在这个实例中，喇叭天线700包括隔板极化器710。本领域技术人员应理解，隔板极化器710是被配置为将第一喇叭输入端704和第二喇叭输入端706处的线性极化信号转换成进入到喇叭天线孔径714中的波导的输出端712处的圆形极化信号。然后喇叭天线700将圆形极化信号716发射到自由空间中。图7B是示出第一喇叭输入端704、第二喇叭输入端706和隔板极化器710的喇叭天线700的后视图。在这个实例中，700被示出为隔板喇叭，但喇叭天线700同样可以是基于天线阵列系统的需要的设计参数的另一个类型的喇叭天线。喇叭天线的其他类型的实例可以用作喇叭天线700包括，例如，角锥形喇叭、锥形喇叭、指数曲线型喇叭和脊形喇叭。
在操作的实例中，馈电到第一喇叭输入端704的线性信号可以转变成波导的输出端712处的RHCP信号，同时馈电到第二喇叭输入端706中的线性信号可以转变成波导的输出端712处的LHCP信号。然后RHCP或LHCP信号可以被传输为到自由空间中的圆形极化信号716。
可替换地，可以利用不同的喇叭天线设计从馈电到第一喇叭输入端(未示出)和第二喇叭输入端(未示出)中的线性信号产生线性极化信号，而不是圆形极化信号。然后可以将垂直极化信号和水平极化信号，而不是RHCP和LHCP信号，传输到自由空间中。在这个实例中，在每个元件处可以利用正交模式转换器(“OMT”)而不是隔板极化器。
图8中，曲线800为以分贝(“dB”)为单位的五个示例天线发射模式804、806、808、810和812的振幅802与以度为单位的宽边角度814的对比。天线发射模式804、806、808、810和812是实例性60元件的天线阵列系统与频率的对比。举例来说，第一曲线804是在19.7GHz下的天线波束图案，第二曲线806是在19.825GHz下的天线波束图案，第三曲线808是在19.95GHz下的天线波束图案，第四曲线810是在20.075GHz下的天线波束图案，并且第五曲线812是在20.2GHz下的天线波束图案。
转向图9A和图9B，根据本发明示出天线阵列系统900的另一实施方式的实例的各个视图。在图9A中，示出另一天线阵列系统900的实施方式的实例的俯视图。天线阵列900可以包括馈电波导902、多个正向定向耦合器904、906、908、910、912和914、多个反向定向耦合器916、918、920、922、924和926、多个喇叭天线928、930、932、934、936和938、以及多个功率放大器940、942、944、946、948、950、952、954、956、958、960和962。在这个实例中，馈电波导902与多个正向定向耦合器904、906、908、910、912和914和多个反向定向耦合器916、918、920、922、924和926信号通信。正向定向耦合器904、906、908、910、912和914分别与功率放大器940、944、948、952、956和960信号通信。相似地，反向定向耦合器916、918、920、922、924和926分别与功率放大器942、946、950、954、958和962信号通信。喇叭天线928与两个功率放大器940和942信号通信。喇叭天线930与两个功率放大器944和946信号通信。喇叭天线932与两个功率放大器948和950信号通信。喇叭天线934与两个功率放大器956和958信号通信。最后，喇叭天线938与两个功率放大器960和962信号通信。
馈电波导902包括馈电波导902的第一端966处的第一馈电波导输入端964和馈电波导902的第二端970处的第二馈电波导输入端968，其中第二端970相对于第一端966在馈电波导902的相对端处。馈电波导902可以是包括多个转弯(即，弯曲)972、974、976、978、980、982和984的蜿蜒的或曲折型波导。在这个实例中，馈电波导902的物理布局可以通过具有坐标轴X985、Y986和Z987的三维笛卡尔坐标来描述，其中馈电波导902位于由X985和Y986坐标轴限定的平面中。此外，多个喇叭天线928、930、932、934、936和938同样示出为在由X985和Y986坐标轴限定的平面中延伸。
再次，本领域技术人员应理解，尽管仅示出馈电波导902中的六个喇叭天线928、930、932、934、936和938和七个可见转弯972、974、976、978、980、982和984、以及六个不可见转弯，但这仅是为了图例的目的，并且天线阵列系统900可以包括任何偶数个的定向耦合器、喇叭天线和功率放大器，具有需要馈电定向耦合器的相应数量的转弯。作为另一实例，天线阵列系统900可包括120个定向耦合器和60个喇叭天线，以及121个馈电波导中的转弯。此外应理解喇叭天线的数目确定定向耦合器的数量，以及馈电波导中的转弯的数量。再次，多个喇叭天线928、930、932、934、936和938中的每个喇叭天线起到天线阵列系统900的单独发射元件的作用。在操作中，每个喇叭天线的单独发射模式通常由于彼此的喇叭天线的发射模式而在振幅和相位上有所不同。每个喇叭天线的发射模式的振幅由控制喇叭天线的激励电流的振幅的功率放大器控制。相似地，每个喇叭天线的发射模式的相位由在馈电与喇叭天线相对应的定向耦合器中由馈电波导902所引起的相应的延迟的相位确定。
在图9B中，示出另一天线阵列系统900的实施方式的实例的侧视图。作为参考，在这个侧视图中天线阵列系统900的物理布局示出在由X985和Z987坐标轴与沿垂直于两者的方向引导并且到Y985和Z987限定的平面以外的Y986坐标轴限定的平面以内。在这个侧视图中，反向定向耦合器926示出为位于相邻的馈电波导902的矩形波导结构。具体地，反向定向耦合器926通过功率放大器962与喇叭天线938信号通信。
在操作的实例中，当第一输入信号988
当被引入到第一馈电波导输入端964中时，第一输入信号988将沿着馈电波导902行进并且将其能量的第一部分耦合到正向定向耦合器904，该正向定向耦合器904通过功率放大器940将这个第一耦合输出信号传递到喇叭天线928。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器916，该反向定向耦合器916将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器916被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到正向定向耦合器906并且将其能量的第二部分耦合到正向定向耦合器906，该正向定向耦合器906通过功率放大器944将这个第二耦合输出信号传递到喇叭天线930。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器918，其中该反向定向耦合器916将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器918被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到正向定向耦合器908并且将其能量的第三部分耦合到正向定向耦合器908，该正向定向耦合器908通过功率放大器948将这个第三耦合输出信号传递到喇叭天线932。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器920，其中该反向定向耦合器920将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器920被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到正向定向耦合器910并且将其能量的第四部分耦合到正向定向耦合器910，该正向定向耦合器910通过功率放大器952将这个第四耦合输出信号传递到喇叭天线934。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器922，其中该反向定向耦合器922将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器922被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到正向定向耦合器912并且将其能量的第五部分耦合到正向定向耦合器912，该正向定向耦合器912通过功率放大器956将这个第五耦合输出信号传递到喇叭天线936。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器924，其中该反向定向耦合器924将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器924被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到正向定向耦合器914并且将其能量的第六部分耦合到正向定向耦合器914，该正向定向耦合器914通过功率放大器960将这个第六耦合输出信号传递到喇叭天线938。然后第一输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到反向定向耦合器926，其中该反向定向耦合器926将不耦合任何能量，因为反向定向耦合器926被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902行进并且通过第二馈电波导输入端968作为第一剩余信号990输出。应理解，通过优化正向定向耦合器904、906、908、910、912和914的设计，第一剩余信号990可以减少至接近零。
相似地，当第二输入信号992被引入到第二馈电波导输入端968中时，第二输入信号992将沿着馈电波导902(在第一输入信号988的相反方向上)行进，并且将其能量的第一部分耦合到反向定向耦合器926，该定向耦合器926通过功率放大器962将这个第一耦合输出信号传递到喇叭天线938。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器914，其中该正向定向耦合器914将不耦合能量，因为正向定向耦合器914被设计成仅耦合在相反方向(即，第一输入信号988的方向)上行进的信号。因此，第二输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到反向定向耦合器924并且将其能量的第二部分耦合到反向定向耦合器924，该反向定向耦合器924通过功率放大器958将这个第二耦合输出信号传递到喇叭天线936。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器912，其中该正向定向耦合器912将不耦合任何能量，因为正向定向耦合器912被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第二输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到反向定向耦合器922并且将其能量的第三部分耦合到反向定向耦合器922，该反向定向耦合器922通过功率放大器954将这个第三耦合输出信号传递到喇叭天线934。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器910，其中该正向定向耦合器910将不耦合任何能量，因为正向定向耦合器910被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第二输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到反向定向耦合器920并且将其能量的第四部分耦合到反向定向耦合器920，该反向定向耦合器920通过功率放大器950将这个第四耦合输出信号传递到喇叭天线932。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器908，其中该正向定向耦合器908将不耦合任何能量，因为正向定向耦合器908被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第二输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到反向定向耦合器918并且将其能量的第五部分耦合到反向定向耦合器918，该反向定向耦合器918通过功率放大器946将这个第五耦合输出信号传递到喇叭天线930。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器906，其中该正向定向耦合器906将不耦合任何能量，因为正向定向耦合器906被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第二输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902沿着到反向定向耦合器916并且将其能量的第二部分耦合到反向定向耦合器916，该反向定向耦合器916通过功率放大器942将这个第六耦合输出信号传递到喇叭天线928。然后第二输入信号的剩余部分将沿着馈电波导902行进到正向定向耦合器904，其中该正向定向耦合器904将不耦合任何能量，因为正向定向耦合器904被设计成仅耦合在相反方向上行进的信号。因此，第一输入信号的剩余部分将继续沿着馈电波导902行进并且通过第二馈电波导输入端964作为第二剩余信号994输出。此外，应理解，通过优化反向定向耦合器916、918、920、922、924和926的设计，第二剩余信号994可以减少至接近零。
此外，应理解，第一环行器、或其他隔离装置，(未示出)可以连接至第一端966以使第一输入信号988与输出的第二剩余信号994隔离并且第二环行器、或其他隔离装置，(未示出)可以连接至第二端970以使第二输入信号992与输出的第一剩余信号990隔离。本领域技术人员同样理解从馈电波导到各个定向耦合器904、906、908、910、912、914、916、918、920、922、924和926的耦合能量的量由将产生天线阵列系统900的期望的发射天线模式的预定设计选择确定。
转向图10，根据本发明示出(图9A和图9B的)馈电波导902的实施方式的实例的俯视图。馈电波导902包括宽壁1000和分别组织成平面耦合缝隙对1004、1006、1008、1010、1012、1014、1016、1018、1020、1022、1024、1026、1028和1030的多个平面耦合缝隙1002。在这个实例中，平面耦合缝隙被切入馈电波导902的宽壁1000并且每对平面耦合缝隙1004、1006、1008、1010、1012、1014、1016、1018、1020、1022、1024、1026、1028和1030具有约等于天线阵列系统900的工作波长的四分之一波长的平面耦合缝隙对之间的空间。同样在这个实例中，馈电波导902可以包括13个H型弯曲1032、1034、1036、1038、1040、1042、1044、1046、1048、1050、1052、1054和1056。此外，馈电波导902可以由如金属的导电材料构造，并且限定具有可以充满空气、介电材料、或两者的馈电波导902的内部空腔的长度1058的矩形管。应注意与馈电波导102、300、500和600(图1A、图3、图5和图6中示出的)不同，馈电波导902(图9中示出的)具有非连续的转弯1032、1034、1036、1038、1040、1042、1044、1046、1048、1050、1052、1054和1056、以及12个馈电波导902的直的路径之间的共用的窄壁；然而，应理解馈电波导902可以设计成以与馈电波导102(图1B、图1C和图1D中)被设计成利用先前描述的原理将能量耦合到定向耦合器140、142、144、146、148和150基本上相同的方式将能量耦合到定向耦合器904、906、908、910、912、914、916、918、920、922、924和926。
在图1-图6中所示的天线阵列系统100的第一实施方式与天线阵列系统900的第二实施方式之间的不同之处是第二实施方式需要两倍的定向耦合器。在第二实施方式中，如果馈电波导902中行进的信号是在正确的方向上行进，那么定向耦合器904、906、908、910、912、914、916、918、920、922、924和926仅可将耦合信号传递到喇叭天线928、930、932、934、936和938。因此，被配置为将第一输入信号988传递到喇叭天线928、930、932、934、936和938的定向耦合器904、906、908、910、912和914称作正向定向耦合器，而被配置为将第二输入信号992传递到喇叭天线928、930、932、934、936和938的定向耦合器916、918、920、922、924和926称作反向定向耦合器。
在第一实施方式中，每个定向耦合器140、142、144、146、148和150被设计成耦合来自第一输入信号184和第二输入信号186两者的信号，与行进方向无关。两个耦合信号通过从定向耦合器到喇叭天线的不同的馈电被传递到各个喇叭天线104、106、108、110、112和114。
应理解，图1-图6、图9A、图9B和图10中示出的曲折型波导本身可以双模方式来操作，其中曲折型波导的端部可以由馈电器OMT馈电以便将垂直极化波或水平极化波发射到曲折型波导本身中。然后这些垂直极化波和水平极化波可以由各个定向耦合器耦合到不同的喇叭中以便在喇叭处产生设计的极化输出。
作为操作的实例，天线阵列系统的第一实施方式和第二实施方式两者皆可以用为独立的天线系统(即，直接发射系统)或作为反射器天线系统的部分。转向图11，根据本发明示出反射器天线系统1100的实施方式的实例的透视图。反射器天线系统1100可以包括天线阵列系统1102和圆柱形反射元件1104。天线阵列系统1102可以是天线阵列系统100(图1至图6中示出的)的第一实施方式或者是天线阵列系统900(图9至图10中示出的)的第二实施方式中的任一种。在操作中，天线阵列系统1104担当反射元件1104的馈电阵列，并且向着反射元件1104引导射线1106，射线1106随后被反射到自由空间中以形成反射器天线系统1100的天线波束1108。反射器天线系统1100可以用于许多不同的应用。此外，本领域技术人员应理解反射器天线系统1100是天线阵列系统的可选择的实施方式。另一个实例(未示出)包括被用作在没有反射系统的情况下的直接发射系统的独立天线系统的天线阵列系统。
在图12中，示出利用图11中示出的反射器天线系统的通信卫星1200的透视图。在这个实例中，通信卫星1200可以包括用于发送的两个反射器天线系统1202和1204和用于接收的信号反射器天线系统1206。
将理解在不背离本发明的范围的情况下可以改变本发明的各个方面或细节。其并不是详尽的并且不将要求保护的发明限制为公开的精确的形式。此外，上述描述仅为了举例说明，而不是为了限制。考虑到上述描述，变形和变化是可能的或者可以从实践本发明中获得。权利要求和它们的等同物限定本发明的范围。

Claims (14)

1.一种天线阵列系统，用于引导并转向天线波束，所述天线阵列系统包括：
馈电波导，具有
馈电波导壁，
馈电波导长度，
沿着所述馈电波导长度的至少一个转弯，
位于所述馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及
位于所述馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端，
其中，所述馈电波导被配置为在所述第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在所述第二馈电波导输入端处接收第二输入信号，以及
与所述馈电波导信号通信的至少两个定向耦合器，
其中，所述至少两个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于所述馈电波导的所述波导壁的底壁，并且
其中，每个定向耦合器被配置为从所述第一输入信号产生第一耦合信号，并且从所述第二输入信号产生第二耦合信号；沿着所述馈电波导长度的至少两对平面耦合缝隙，
其中，所述至少两对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与所述至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应，并且所述至少两对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与所述至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应，
其中，所述第一对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第一定向耦合器的相邻的底壁中，并且所述第二对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第二定向耦合器的相邻的底壁中；以及至少两个喇叭天线，
其中，所述至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与所述第一定向耦合器信号通信，并且所述至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与所述第二定向耦合器信号通信，
其中，所述第一喇叭天线被配置为接收来自所述第一定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号，并且所述第二喇叭天线被配置为接收来自所述第二定向耦合器的第一耦合信号和第二耦合信号，
其中，所述第一喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，并且所述第二喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，
其中，所述第一喇叭天线的第一极化信号与所述第一喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且所述第二喇叭天线的第一极化信号与所述第二喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且
其中，所述第一喇叭天线的第一极化信号在与所述第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且所述第一喇叭天线的第二极化信号在与所述第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
2.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括至少四个功率放大器，
其中，所述至少四个功率放大器中的第一功率放大器与所述第一定向耦合器和所述第一喇叭天线信号通信，并且被配置为放大来自所述第一定向耦合器的第一耦合信号，
其中，所述至少四个功率放大器中的第二功率放大器与所述第一定向耦合器和所述第一喇叭天线信号通信，并且被配置为放大来自所述第一定向耦合器的第二耦合信号，
其中，所述至少四个功率放大器中的第三功率放大器与所述第二定向耦合器和所述第二喇叭天线信号通信，并且被配置为放大来自所述第二定向耦合器的第一耦合信号，并且
其中，所述至少四个功率放大器中的第四功率放大器与所述第二定向耦合器和所述第二喇叭天线信号通信，并且被配置为放大来自所述第二定向耦合器的第二耦合信号。
3.根据权利要求1所述的天线阵列系统，其中，所述馈电波导是具有宽壁和窄壁的矩形波导。
4.根据权利要求3所述的天线阵列系统，其中，所述馈电波导壁是所述宽壁。
5.根据权利要求4所述的天线阵列系统，
其中，所述第一对平面耦合缝隙中的第一平面耦合缝隙和第二平面耦合缝隙定位为相隔约四分之一波长，并且
其中，所述第二对平面耦合缝隙中的第一平面耦合缝隙和第二平面耦合缝隙定位为相隔约四分之一波长。
6.根据权利要求5所述的天线阵列系统，还包括
所述第一喇叭天线中的第一隔板极化器和所述第二喇叭天线中的第二隔板极化器，
其中，所述第一喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，并且所述第二喇叭天线被配置为从所接收的第一耦合信号产生第一极化信号，并且从所接收的第二耦合信号产生第二极化信号，
其中，所述第一喇叭天线的第一极化信号是所述第一喇叭天线的第一圆形极化信号，并且所述第一喇叭天线的第二极化信号是所述第一喇叭天线的第二圆形极化信号，
其中，所述第二喇叭天线的第一极化信号是所述第二喇叭天线的第一圆形极化信号，并且所述第二喇叭天线的第二极化信号是所述第二喇叭天线的第二圆形极化信号，
其中，所述第一喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第一喇叭天线的第二圆形极化信号相反的方向旋转，并且所述第二喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第二喇叭天线的第二圆形极化信号相反的方向旋转，并且
其中，所述第一喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第二喇叭天线的第一圆形极化信号相同的方向旋转，并且所述第一喇叭天线的第二极化信号以与所述第二喇叭天线的第二圆形极化信号相同的方向旋转。
7.根据权利要求6所述的天线阵列系统，其中，所述馈电波导是曲折型波导。
8.根据权利要求7所述的天线阵列系统，还包括第一环行器和第二环行器，其中，所述第一环行器与所述第一馈电波导输入端信号通信，并且所述第二环行器与所述第二馈电波导输入端信号通信。
9.根据权利要求1所述的天线阵列系统，还包括与偶数多个喇叭天线信号通信的反射器。
10.一种用于利用天线阵列系统引导并转向天线波束的方法，所述天线阵列系统具有馈电波导、与所述馈电波导信号通信的至少两个定向耦合器、沿着馈电波导长度的至少两对平面耦合缝隙以及至少两个喇叭天线，所述馈电波导具有第一馈电波导输入端、第二馈电波导输入端以及馈电波导长度，所述方法包括：
在所述第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在所述第二馈电波导输入端处接收第二输入信号，其中，所述第二输入信号在所述第一输入信号的相反方向上传播；
将所述第一输入信号耦合到所述至少两个定向耦合器中的第一定向耦合器，其中，所述第一定向耦合器产生所述第一定向耦合器的第一耦合输出信号；
将所述第一输入信号耦合到所述至少两个定向耦合器中的第二定向耦合器，其中，所述第二定向耦合器产生所述第二定向耦合器的第一耦合输出信号；
将所述第二输入信号耦合到所述第二定向耦合器，其中，所述第二定向耦合器产生所述第二定向耦合器的第二耦合输出信号；
将所述第二输入信号耦合到所述第一定向耦合器，其中，所述第一定向耦合器产生所述第一定向耦合器的第二耦合输出信号；
响应于第一喇叭天线接收所述第一定向耦合器的第一耦合输出信号，从所述至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线发射第一极化信号；
响应于所述第一喇叭天线接收所述第一定向耦合器的第二耦合输出信号，从所述第一喇叭天线发射第二极化信号；
响应于第二喇叭天线接收所述第二定向耦合器的第一耦合输出信号，从所述至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线发射第一极化信号；并且
响应于所述第二喇叭天线接收所述第二定向耦合器的第二耦合输出信号，从所述第二喇叭天线发射第二极化信号；
其中，所述第一喇叭天线的第一极化信号与所述第一喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且所述第二喇叭天线的第一极化信号与所述第二喇叭天线的第二极化信号交叉极化，并且
其中，所述第一喇叭天线的第一极化信号在与所述第二喇叭天线的第一极化信号相同的方向上极化，并且所述第一喇叭天线的第二极化信号在与所述第二喇叭天线的第二极化信号相同的方向上极化。
11.根据权利要求10的所述方法，还包括放大来自所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器两者的第一耦合输出信号以及来自所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器两者的第二耦合输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一输入信号和所述第二输入信号是通过所述馈电波导在相反的方向上传播的TE10模式信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述馈电波导是曲折型波导并且进一步包括利用所述曲折型波导延迟所述第一输入信号和所述第二输入信号。
14.一种用于引导并转向天线波束的天线阵列系统，所述天线阵列系统包括：
馈电波导，具有
馈电波导壁，
馈电波导长度，
沿着所述馈电波导长度的至少五个转弯，
位于所述馈电波导的第一端处的第一馈电波导输入端，以及
位于所述馈电波导的第二端处的第二馈电波导输入端，
其中，所述馈电波导被配置为在所述第一馈电波导输入端处接收第一输入信号并且在所述第二馈电波导输入端处接收第二输入信号，以及
与所述馈电波导信号通信的至少四个定向耦合器，
其中，所述至少四个定向耦合器中的每个定向耦合器具有邻近于所述馈电波导的所述波导壁的底壁，并且
其中，每个定向耦合器被配置为从所述第一输入信号或者所述第二输入信号产生耦合信号；
沿着所述馈电波导长度的至少四对平面耦合缝隙，
其中，所述至少四对平面耦合缝隙中的第一对平面耦合缝隙与所述至少四个定向耦合器中的第一定向耦合器相对应，所述至少四对平面耦合缝隙中的第二对平面耦合缝隙与所述至少四个定向耦合器中的第二定向耦合器相对应，所述至少四对平面耦合缝隙中的第三对平面耦合缝隙与所述至少四个定向耦合器中的第三定向耦合器相对应，并且所述至少四对平面耦合缝隙中的第四对平面耦合缝隙与所述至少四个定向耦合器中的第四定向耦合器相对应，
其中，所述第一对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第一定向耦合器的相邻的底壁中，所述第二对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第二定向耦合器的相邻的底壁中，所述第三对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第三定向耦合器的相邻的底壁中，并且所述第四对平面耦合缝隙被切入所述馈电波导的所述馈电波导壁和所述第四定向耦合器的相邻的底壁中；以及
至少两个喇叭天线，
其中，所述至少两个喇叭天线中的第一喇叭天线与所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器信号通信，并且所述至少两个喇叭天线中的第二喇叭天线与所述第三定向耦合器和所述第四定向耦合器信号通信，
其中，所述第一喇叭天线被配置为接收来自所述第一定向耦合器的耦合信号和来自所述第二定向耦合器的耦合信号，并且所述第二喇叭天线被配置为接收来自所述第三定向耦合器的耦合信号和来自所述第四定向耦合器的耦合信号，
其中，所述第一喇叭天线被配置为从自所述第一定向耦合器所接收的耦合信号产生第一圆形极化信号，并且从自所述第二定向耦合器所接收的耦合信号产生第二圆形极化信号，并且所述第二喇叭天线被配置为从自所述第三定向耦合器所接收的耦合信号产生第一圆形极化信号，并且从自第四定向耦合器所接收的耦合信号产生第二圆形极化信号，
其中，所述第一喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第一喇叭天线的第二圆形极化信号相反的方向旋转，并且所述第二喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第二喇叭天线的第二圆形极化信号相反的方向旋转，并且
其中，所述第一喇叭天线的第一圆形极化信号以与所述第二喇叭天线的第一圆形极化信号相同的方向旋转，并且所述第一喇叭天线的第二圆形极化信号以与所述第二喇叭天线的第二圆形极化信号相同的方向旋转。
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