CN105264713B

CN105264713B - 用于带凹面反射器的天线的刚性天线罩

Info

Publication number: CN105264713B
Application number: CN201480031960.2A
Authority: CN
Inventors: A·勒巴永; D·蒂奥
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: WO2014195869A2; WO2014195869A3; CN105264713A; EP2811574A1; EP2811574B1

Abstract

一种旨在被安装于凹面碟形天线(10)上的天线罩(20)，包括第一层(24)和至少一个第二层(30)，至少一个第二层被附接至所述第一层(24)，以便增加所述天线罩(20)的有效厚度，所述第二层(30)的表面面积严格小于所述第一层(24)的表面面积的100％。

Description

用于带凹面反射器的天线的刚性天线罩

技术领域

本发明涉及凹面碟形通信天线，该凹面碟形通信天线具有例如至少一个抛物面部分的形状。这些天线、特别是微波天线，通常在移动通信网络中使用。这些天线在发射器模式或接收器模式中同样都能进行良好地操作，这两种模式对应于两种相反方向的RF波传播。

背景技术

碟形天线与天线罩(radome)相结合，在外部可以有或者没有屏蔽罩的情况下，该天线罩提供了不可渗透的保护表面，密封了由碟形天线所界定的空间。该天线罩可以是柔性的或刚性的。刚性天线罩是当今最常使用的一种天线罩，表现出了很好地抵御诸如雨、风或雪等外部气候环境的优点。

然而，刚性天线罩中所使用的材料的厚度是成问题的，因为厚度是关于天线所使用的频段来确定的。例如，在利用40GHZ的频率进行传输的天线中所使用的刚性天线罩实际上比在利用20GHZ的频率进行传输的天线中所使用的同一种类型的刚性天线罩要薄两倍。要理解的是，为了在例如可以从5GHz至25GHz的范围的宽频段上使用天线，需要使用五个不同厚度的天线罩。针对频率范围中的每种变化，必须移除并且替换这些天线罩。

而且，天线罩必须具有下列性质：

-对可能的最大带宽上的无线电(radioelectric)的极好透明性(transparency)，

-对超过300kg/m²的负荷的良好机械阻力，该负荷对应于250km/h的风，

-在紫外(UV)线、雨、盐雾、以及-45℃至+70℃范围内的温度差异下的足够的稳定性，

-尽可能低的成本，特别是对于大直径的天线罩。

例如，对于利用25GHz频率进行传输的天线，存在具有夹层结构(sandwichstructure)的天线罩，该夹层结构由具有约3mm厚度的中间蜂巢状结构和每个都具有约0.35mm厚度的两个外部平板(plate)组成。这种结构在25GHz频率附近具有优异的无线电性能，但是对于距这一目标较远的各个频率却表现出更一般的性能。

这一现象是因为天线罩的实际厚度与参考厚度之间的差异引起的，参考厚度被调整为在带宽的中心频率处的一个波长的二分之一的值。厚度等于参考厚度的这种天线罩被称作“半波天线罩”。针对相对于天线的中心操作频率的显著差异，并且因此针对与理想厚度的显著差异，天线罩的发射系数可能超过-20dB，这将会影响天线的性能。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种如下的刚性天线罩来消除现有技术的缺点，所提供的刚性天线罩允许抛物面天线在比现有技术更宽的频率范围上具有满意的性能，而无需替换所述天线罩。

更具体地，本发明的目的因而在于提高在天线罩和天线的各个目标频率下的天线性能，而无需替换所述天线罩。

本发明的目标是一种旨在被安装在天线上的天线罩，所述天线罩包括第一层和至少一个第二层，所述至少一个第二层被附接至所述第一层，以便增加所述天线罩在其区域中的至少一部分区域上的有效厚度，所述第二层的表面面积严格小于所述第一层的表面面积的100％。

第一层可以由刚性材料或柔性材料组成，并且具有平坦、弯曲、或锥形形状。

这对于创建轻便、廉价的天线罩是有利的，这种天线罩允许通过对本身就是轻便和廉价的高频天线罩的简单修改来应用极高的频率。

事实上，对于较低的频率，通常使用半波天线罩，这种半波天线罩非常厚，并且因此在材料方面成本很高。本发明实现了，通过避免使用非常厚的“夹层”天线罩或具有锥形或球形形状的天线罩(该天线罩很难利用多层材料来构建)，来将具有“夹层”结构的天线罩适配为在较低的频率使用。

根据一个方面，天线罩的所述第二层由与第一层相同类型的材料构成。

根据另一个方面，利用间隔器(spacer)将天线罩的第二层附接至第一层，以将所述第二层的至少一部分与所述第一层分离。

根据另一个实施例，天线罩展示出如下的间隔器，该间隔器允许10mm和3mm之间、包括10mm和3mm的第一层与第二层之间的分离。

此外，天线罩的第二层的表面可以具有与第一层的表面不同的形状。

根据一种变化，天线罩的第二层的表面是弯曲的，并且天线罩的第一层的表面是平坦的。

根据另一种变化，天线罩的第二层的表面是平坦的，并且天线罩的第一层的表面是弯曲的。

第二层可以由刚性材料或柔性材料组成，并且可以具有平坦形状或碟形形状。

此外，天线罩的第二层可以展示出具有多边形形状的表面，多边形形状诸如举例而言是三角形或六边形、或者甚至是诸如矩形(rectangle)或正方形的四边形、或者甚至是由诸如圆、椭圆、或长方形(oblong)的闭合曲线所界定的表面。

在一个实施例中，第二层的表面面积覆盖第一层的表面面积的至少70％，并且优选地覆盖第一层的表面面积的至少50％。

根据另一方面，第二层以可从第一层被移除的方式进行附接。

在天线罩中，第一层与第二层之间的空间可以由低密度泡沫材料(foam)填充。

根据本发明的第二目标是一种包括根据上述各个方面中的任一个方面的天线罩的天线。

根据一个实施例，天线罩的第二层被设置成与所述天线的一个反射器相对。优选地，第二层被布置在天线罩的、面对波导的内侧上。

根据本发明的第三目标是一种用于天线罩的生产过程，该生产过程包含下列步骤：提供天线罩的第一层，并且将第二层附接到所述天线罩的表面上，以增加所述天线罩的有效厚度，所述第二层的表面面积严格小于所述第一层的表面面积的100％。

根据另一个方面，利用间隔器将第二层附接至天线罩的第一层，以便将所述第二层的至少一部分与所述天线罩的所述第一层分离。

附图说明

在阅读了若干实施例的后续说明之后，本发明的其它特性和优点将变得清楚，这些实施例本质上作为非限制性的示例并且在附图中给出，在附图中：

图1描绘了包括根据一个实施例的天线罩的天线的透视图；

图2描绘了图1中的天线罩的内侧的视图；

图3描绘了根据本发明的一个方面的附接的方法；

图4至6描绘了从中线截面“A-A”示出的天线罩的各种变化；

图7至8描绘了根据现有技术的天线罩和根据本发明的天线罩的无线电性能的比较；

图9至10描绘了根据现有技术的天线罩和根据本发明的天线罩的无线电性能的比较。

在这些附图中，形同的元件用相同的参考编号表示。

具体实施方式

图1中所描绘的实施例示出了配备有附接装置12的天线10，附接装置12例如用于将其附接至天线杆上。天线10包含抛物面反射器14，在反射器14的中央放置了波导(未示出)。通过其边缘而被附接至反射器14的天线罩20覆盖了蝶形。将天线罩20锚定至蝶形的各个点由参考标记22表示。

第一层可以由刚性材料或柔性材料组成，这使得根据具体情况获取平坦形状、蝶形形状或锥形形状成为可能。可以使用诸如注入聚合物或加热成形聚合物(ABS、PS、PVC、PP)之类的各种材料来构造天线罩20。这些材料都具有所传输的和所接收的信号的最小衰减的属性。例如，天线罩20可以包含多层夹层材料，该多层夹层材料包括围绕至少一个中央部分的两个高密度外部平板，至少一个中央部分包含很高比例的空气。外部平板是薄的、平坦的连续平板，外部平板和三维中央部分由相同的聚合物材料组成，优选为聚丙烯(PP)。特别地，天线罩20可以具有“蜂巢状”类型，其中每个巢室都具有大致锥形或“蜂巢”形状。

为了以下描述的目的，无论天线罩20的第一层24的结构是单层还是多层，都将被称为单数“层”。第一层24的组成对于本领域的技术人员是熟知的，并且将不再进一步描述。

为了提高低频率性能，第二层30(后部可见)被附接至所述第一层24。优选地，第二层30被设置成与天线10的波导相对，也就是说，当第二层30被安装在蝶形上时，其位于天线罩20的内表面上。

目标在于使得天线罩对于各个波都是透明的。当一个波遇到天线罩时，当然存在波的透射，但是还存在波的部分反射。通过累积具有精确厚度的各个层，就可以消除在所定义的带宽上的波的反射。事实上，在各个层上所反射的波会彼此叠加，并且在相位之和为空(null)时能够彼此抵消。

现在将考虑图2，其提供了对包括第一层24的天线罩20的内侧的更详细描绘。第二层30被附接至第一层24。

优选地，第二层30由与层24相同类型的材料组成。然而，由于第二层不直接受外部影响，也就是说，不直接受风和UV辐射的影响，因此可以降低它的机械特性。

第二层30的表面面积必须严格小于第一层24的表面面积的100％，并且优选地，第二层30的表面面积必须展示出第一层24的表面面积的至少50％、并且优选展示出第一层24的表面面积的至少70％，以具有显著的无线电影响。

第二层30也可以展示出任何形状，并且优选展示出多边形形状、诸如六边形、三角形、或者诸如平行四边形、正方形、矩形、菱形、梯形之类的四边形等，但是也可以使用圆形形状或长方形形状。出于简化的目的，优选的是正方形形状，因为该形状容易生产且生产成本较低。然而，任何其它的形状也是可以的，只要表面面积的最小比率大于约50％。

可以根据本领域的技术人员已知的各种约束、以任何方法并且通过使用用于这个目的的所有可用手段，来将第二层30附接至第一层24。

具体地，第二层30可以如所示出的那样被附接至锚定点32，或者相对第一层的整个表面被连续压制。此外，锚定点32将第二层30固定为与第一层24的接触，或者锚定点32还可以将第二层30保持与所述第一层24分离。此外，第一层与第二层之间的分离可以变化并且不保持恒定。

优选地，锚定点32应该由抗UV的塑料材料来进行设计，并且具有足够坚固的结构以便将这两个层固定到位。而且，锚定点应该具有小的直径，从而使得锚定点32的集合表现出比天线罩的表面面积的0.05％更小的表面面积。

参考图3，并且根据非限制性的变化，天线罩20的第二层30与第一层24之间的这些锚定点32可以具体是插接件，使得可以容易地将第二层30附接至天线罩20。因此，这些插接件32可以实现容易且快速地移除第二层30。

图4至图6描绘了第一层和第二层24、30的布局的多个可能的变化，也就是说，是根据不同实施例的天线罩的布局的多个可能的变化。

图4描绘了其中第二层30通过所述第二层30的边缘上的锚定点32、以及通过一个或多个中央锚定点32而被附接至天线罩的主层24的一种变化。此外，相同厚度的间隔器44与锚定点32的轴线对齐安装，以在所述第一层与所述第二层之间维持恒定的分离。间隔器44优选具有10mm和3mm之间的、包括10mm和3mm的高度。

图5描绘了其中第二层30通过所述第二层30的边缘上的锚定点32、以及通过一个或多个中央锚定点32而被附接至天线罩的第一层24的一种变化。此外，一个或多个间隔器54仅在所述第一层与所述第二层24、30的中央部分上与锚定点32的轴线对齐安装，以便创建弯曲的形状，并且更具体地，以便给定第二层30相对于第一层24的平坦表面的凸出表面。中央部分的间隔器54优选具有10mm和3mm之间的、包括10mm和3mm的高度。

图6描绘了其中第二层30通过所述第二层30的边缘上的锚定点32、以及通过一个或多个中央锚定点32而被附接至天线罩的第一层24的一种变化。此外，一个或多个间隔器64仅在所述第一层与所述第二层24、30的边缘上与锚定点32的轴线对齐安装，以便将第二层30给出为弯曲的形状，并且更具体地，以便使得第二层30具有相对于第一层24的平坦表面的凹形表面。优选地，间隔器64具有10mm和3mm之间的、包括10mm和3mm的高度。应当注意的是，第二层30的材料可以具有某种抗屈曲(flexion)能力，以便允许获得弯曲的形状。

在图5和6中描绘的变化使得扩展带宽成为可能。事实上，因为第一层与第二层24、30之间的分离影响了天线罩20的调整频率，所以第一层24与第二层30之间的可变差异略微降低了主频率上的性能，但是却有助于扩展带宽。此外，天线罩的非平坦形状使得反射偏离到位于蝶形的焦点处的主源之外。

事实上，作为示例，图7和图8描绘了针对这个天线罩(图8)和已知天线罩(图7)的、相对于天线罩上以GHz为单位的在6至40GHz的频率范围的入射波频率F的、以dB为单位的反射因子R的值或驻波比的值。

已知的天线罩，其被适配为在20-30GHz的频率范围中进行操作，并且与图7中的性能(曲线107)匹配，该天线罩展示出厚度为3.7mm的单个层。频率性能在25GHz附近非常好，但是在该范围的其它频率上中的性能仅仅是可接受。

这是由于频率相对于中心操作频率处的半波长的差异不断增大而引起的，而该天线的尺寸是被标定的该中心操作频率的。与利用具有可调整的厚度的天线罩所获得的结果相关的差异，转换成了天线罩的反射因子，该反射因子在大部分范围上获得超过-20dB的水平，这在回波损耗方面将会导致天线的整体性能上的问题。事实上，对于天线罩的可接受性能的限制对应于由参考线109示出的大约-20dB的反射因子。超过这个值，天线的辐射图和驻波长度将会被破坏。

与图8中所描绘的发射系数值的曲线108对应的天线罩由具有3.7mm厚度的第一层24和具有3.7mm厚度的第二层30组成，其中第一层24和第二层30之间具有5mm的分离。应当注意的是，包括如上所述的天线罩的、针对25GHz附近的最佳响应进行调整后的天线展示出在6GHz和12GHz之间的频率的可接受的性能。

作为另一个示例，图8描绘了针对直径1米的抛物面天线的、相对于天线罩上以GHz为单位的在7.1GHz至8.5GHz的频率范围的入射波频率F的、以dB为单位的回波损耗P的曲线110，该直径1米的抛物面天线具有的天线罩包括上面已经描述的厚度为3.7mm的单个“夹层”层。

应该注意的是，已知的天线罩的效用是有限的。事实上，这种天线罩非常不透明性，因为曲线110显示出超过与18dB的限制值对应的参考线111，这种情况在沿着曲线110的多个位置处发生。

在这个天线罩包括具有3.7mm厚度的第一层24和第二层30、并且第一层和第二层24、30之间具有5mm的分离(与图2中的天线罩类似)的情况中，如图10(曲线112)所示，在从7.1至8.5GHz的频率范围上的性能十分令人满意。通过查看曲线112，在整个频段上都能观察到比18dB更少的回波损耗。

清楚的是，天线的性能被显著提高。注意到在超过了18dB限制的曲线110的各个峰值上有3至4dB的平均增益，这使得在曲线112上，存在位于19dB附近的对于这些峰值而言可接受的值。要理解的是，根据先前描述的实施例的天线罩在比已知天线罩更低的频率范围上是有效的。

实际上，本发明不限于所描述的实施例，而是在不脱离本发明的精神的情况下可以做出本领域的技术人员可获得的许多变化。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想：

-对天线罩的第二层给出不同的形状，

-对天线罩的各个层使用各种材料和结构，

-在第一层和第二层之间布置分离，这可以通过使用低密度泡沫材料的薄板来创建，以允许更规则的分离。

Claims

1.一种旨在被安装于凹面碟形天线(10)上的天线罩(20)，包括：

-第一层(24)；

-至少一个第二层(30)，所述至少一个第二层被附接至所述第一层，以便增加所述天线罩的有效厚度，所述第二层的表面面积严格小于所述第一层(24)的表面面积的100％；

其中利用间隔器(34)将所述第二层(30)附接至所述第一层(24)，以将所述第二层的至少一部分与所述第一层分离,并且所述第二层(30)的表面具有与所述第一层的表面不同的形状。

2.根据权利要求1所述的天线罩，其中所述第二层(30)由与所述第一层(24)所使用的相同类型的材料构成。

3.根据权利要求1所述的天线罩，其中所述间隔器允许10mm和3mm之间、包括10mm和3mm的所述第一层(24)与所述第二层(30)之间的分离。

4.根据权利要求1所述的天线罩，其中所述天线罩的所述第二层的所述表面是弯曲的，并且所述天线罩的所述第一层的所述表面是平坦的。

5.根据权利要求1所述的天线罩，其中所述天线罩的所述第二层的所述表面是平坦的，并且所述天线罩的所述第一层的所述表面是弯曲的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线罩，其中所述第二层(30)具有多边形形状的表面、或者具有由闭合曲线所界定的形状的表面。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的天线罩，其中所述第二层(30)的所述表面面积覆盖所述第一层的所述表面面积的至少70％。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的天线罩，其中所述第二层(30)的所述表面面积覆盖所述第一层的所述表面面积的至少50％。

9.根据权利要求1-5中的任一项所述的天线罩，其中所述第二层(30)以允许所述第二层从所述第一层被移除的方式进行附接。

10.根据权利要求1-5中的任一项所述的天线罩，其中所述第一层(24)与所述第二层(30)之间的空间由低密度泡沫材料填充。

11.一种天线(10)，包括根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的天线罩(20)，其中所述第二层(30)被设置成与所述天线的反射器相对。

12.根据权利要求11所述的天线(10)，其中所述第二层被布置在所述天线罩的、面对波导的内侧上。

13.一种用于制造根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的天线罩(20)的方法，包括下列步骤：

-提供天线罩的第一层，

-将第二层附接到所述第一层的表面，以增加所述天线罩的有效厚度，所述第二层的表面面积严格小于所述第一层的表面面积的100％。

14.根据权利要求13所述的方法，其中利用间隔器将所述第二层附接至所述天线罩(20)的所述第一层，以便将所述第二层的至少一部分与所述天线罩的所述第一层分离。