CN105390820A - 用于天线系统的馈送网络 - Google Patents

Abstract

根据本发明的馈送网络包括具有宽边和窄边的波导，以及各自包括导体回路的两个微带导体。所述导体回路各自从所述窄边中的一个延伸到所述波导，并电连接到所述波导的宽边。在所述窄边上，所述波导包括小开口，所述微带导体通过所述小开口被引导，而它们本身并不与所述波导电接触。这导致感应H场耦合的可能性，所述感应H场耦合对容差导致的微带导体相对于所述波导的机械移位具有低敏感度。通过使用两个导体回路，能够在具有相同电损耗的情况下同时解耦两个信号路径，并且从而使所述波导中的功率分配器的数量减少到一半。

Description

用于天线系统的馈送网络

技术领域

本发明涉及一种用于天线系统(尤其用于在Ka、Ku或X频段下操作的双向卫星通信，用于移动和航空应用)的具有波导和两个微带导体的馈送网络。

背景技术

为了使飞机连接到卫星网络，以传输多媒体数据，需要用于数据传输且具有非常高的数据速率的无线宽带信道。为此目的，需要在飞机上安装天线，所述天线虽然具有用以安装在雷达罩下的小的尺寸，但仍然满足对(例如，在Ku、Ka或X频段下)与卫星进行的定向无线数据通信的传输特性的极端要求，因为必须可靠地排除邻近卫星的任何干扰。

此外，天线在雷达罩下是可移动的，以便在飞机移动时向卫星更新方位。为此目的，天线必须紧凑地构造，以在雷达罩下保持可移动。

有关传输操作的调整要求源自于国际标准。所有这些调整规范旨在确保在移动卫星天线的定向传输操作中不能够发生邻近卫星的干扰。

例如，WO2014005693和WO2014005699示出针对用于所述应用的紧凑天线的解决方案。这些天线由天线阵列构成，所述天线阵列由单辐射器构造并具有合适的馈送网络。它们可以以任何几何结构和任何长度边长比实施，而不因此使天线效率受损。特别是，可实现具有小安装高度的天线阵列。

如果将喇叭形辐射器密集地组装在天线阵列中，那么存在另外一个问题，即必须将有效的馈送网络容纳在喇叭形辐射器阵列后方的可用安装空间中。在WO2014005699中，示出馈送网络可从波导与微带线的组合产生，然而，需要高数量的功率分配器。馈送网络的波导区域中的功率分配器需要安装空间，而安装空间的可使用程度是有限的。

在WO2014005699中示出的馈送网络使得能够：在发送情况下，将和信号以正确的幅度和相位分布到单辐射器上，或相反地，在接收情况下，将单辐射器的信号正确地加到和信号。馈送网络由以下构成：微带导体，其聚集第一单辐射器群组(例如，N×N个或N×M个元件)；以及波导网络，以便再次聚集若干个N*N或N*M群组。

微带导体具有空间需求小的优点，且因此允许高集成度。微带导体的缺点在于与波导相比，具有更高电损耗，然而，与微带导体相比，所述波导需要明显较大的体积。

为了使天线的重量和旋转体积对于给定的孔径表面积而言尽可能地小，寻求了用于最小化波导区段的数量或波导的总体积、而不必接受电气性能降低的方式。

发明内容

本发明的一个目标是为了指出一种在波导与微带线之间具有耦合的馈送网络，其允许功率耦合的高灵活性和较小安装高度。

该目标通过具有权利要求1所述的特征的馈送网络和具有权利要求23所述的特征的天线来解决。在其余权利要求中指出了本发明的有利设计。

为此目的，馈送网络包括具有宽边和窄边的波导，以及各自包括导体回路的两个微带导体。导体回路各自从窄边中的一个延伸到波导中，并电连接到波导的宽边，即，所述导体回路在宽边上与波导发生短路。在窄边上，波导具有小开口，微带导体通过所述小开口被引导，而自身并不与波导电接触。

这导致感应H场耦合的可能性，感应H场耦合对容差导致的微带导体相对于波导的机械移位具有低敏感度，这不同于另一常见的电容性E场耦合。通过使用两个导体回路，能够在具有相同电损耗的情况下针对两个信号路径同时解耦且因此将波导中的功率分配器的数量减少到一半。根据本发明，能够使波导上的带状线的耦合部位的数量最小化。因此，再次减小馈送网络的安装大小。由波导形成的波导馈送网络的简化因此极大地有助于减小天线的重量和体积，根据本发明的馈送网络用于所述天线中。

根据本发明的有利设计，导体回路从相互面向的窄边延伸到波导中。因此，微带导体(考虑到它们自己的馈送网络并具有低损耗的短路径)可经由额外的微带功率分配器可选地连接大量的天线元件。

通过波导与两个微带导体的H场耦合，有利地形成用于经由波导到达的信号的功率分配器。以此方式得到一种类型的“混合”功率分配器，其将来自波导栅极的信号分配到两个微带导体栅极。

根据本发明的另一有利形式，导体回路在波导内具有相等长度。因此，两个微带线上的信号具有相同的相移，并且在激活连续的天线元件时不需要额外的相位均衡。

此外，布置导体带使得它们从窄边延伸到波导的中心是有利的。以此方式，可将最大功率耦合到微带导体，并且可最优化过渡时的适应。微带导体在波导中有利地布置在距离短路波导的端部的λ/4处。

针对不对称的功率分配器的形式，有利的是，两个导体回路到波导的宽边的电连接离宽边的中间点的距离不同。这导致两个导体回路遍布的回路表面积大小不同。由此设定的、两个导体回路的遍布了磁场的表面积的比例决定了功率的配比率。因此针对宽带能够在50:50至80:20间调整分配比率，结果，能够容易实现所期望的天线的孔径配置。

此外，馈送网络的微带导体中的一个可包括相位均衡弧，其使该微带导体的长度适应另一微带导体的长度，因此导致(尽管导体回路形状的不对称)相等的微带导体长度，并因此导致两个微带导体的信号的相等相移。如果相位均衡弧与微带导体相关联，所述微带导体比另一微带导体在离宽边的中间点更远的距离处电连接到波导，这是尤其有利的。

如果微带线的电连接发生在波导的不同宽边上，那么在两个导体回路的信号之间设置180°相移，而没有其他支出。这可用于几何镜像的天线元件的补偿或用于连续波导网络的可能的相移的均衡。

针对微带导体到波导的阻抗匹配，导体回路有利地不只具有直线形状，而是包括宽度变化和偏移部分。通过明确宽度变化和偏移部分的位置和大小，针对期望的频率范围减少反射。

有利的是，在馈送网络中，使用悬置带状线(SSL)微带导体，以便保持低损耗。微带导体由具有电介质和铜带的印刷电路板构成，所述电介质具有0.1mm至1mm、优选地0.127mm的厚度，所述铜带布置在电路板上，且具有15μm至50μm、优选地17.5μm的厚度。此时，铜带的宽度为0.2mm至3mm，优选地为0.5mm。

根据本发明的有利变型，波导或波导网络至少在一些区段中实施为脊波导。脊波导比“普通”矩形波导允许更大的宽带频率范围，这尤其适于Ka频段。此外，在相同的截止频率时(这也适于较低频率的情况(X频段和Ku频段))，与“普通”矩形波导相比，脊波导允许更紧凑的设计(宽边的减少)，否则在上述频率时的波导尺寸可能更大。

根据本发明的有利设计，导体回路到波导的宽边的电连接是微带线的导体路径与波导边缘的直流直接连接，或是电容性的。在电容性连接的情况下，波导包括其中具有导体回路的印刷电路板所插入的开口。对于电容的形成，通过通孔使印刷电路板的两侧的导体路径彼此连接，并通过绝缘体与波导分离。这里，绝缘体的厚度和导体路径的表面积决定电容，所述导体路径与波导绝缘。

对于非常紧凑的设计，从波导的一端到微带导体的距离有利地仅为λ/8至λ/12，这大大小于λ/4，因为这种情况下将存在最大场强。已显示，在合理损耗的情况下，馈送网络的安装大小可因此再次减小。

馈送网络的波导可包括限制，从而形成脊波导。有利地，导体回路到波导的宽边的电连接不会接触任何限制，而是发生在直线区段。

馈送网络的另一形式提供不对称的功率分配，其由构建不同表面积的导体回路产生。对于阻抗适应，具有较大功率解耦的导体回路的微带线的宽度有利地大于在另一微带导体的情况下的宽度。

根据本发明，能够在天线的框架中实现馈送网络，其中天线包括作为天线元件的若干喇叭形辐射器，其经由微带导体连接到具有宽边和窄边的波导。微带导体各自由导体回路构成，所述导体回路从窄边中的一个延伸到波导中，并电连接到波导的宽边。喇叭形辐射器是非常有效的单辐射器，其被布置在天线阵列中。此外，喇叭形辐射器可被设计用于宽带。

作为结果，天线适用于在7.25-8.4GHz(X频段)、12-18GHz(Ku频段)和27-40GHz(Ka频段)的频段下的车载卫星通信中的双向操作。

此外，本发明的其他优点和特征可从优选实施方案的以下描述可见。如果特征不相互矛盾，那么其中描述的特征可单独实现或与上述特征中的一个或多个组合实现。本文参考附图做出对优选实施方案的以下描述。

附图说明

图1示出具有两个耦合的微带导体的波导的三维图示。

图2示出图1的具有H场的场线的波导。

图3示出具有两个对称的等相微带导体的波导的截面。

图4示出具有两个对称的反相微带导体的波导的截面。

图5示出具有两个不对称的等相微带导体的波导的截面。

图6示出脊波导的截面。

图7示出具有若干喇叭形辐射器和馈送网络的天线。

图8至图13示出具有不同分配比率的并且使用脊波导和电容性短路的馈送网络。

参考标记列表

波导HL

宽边a1,a2

窄边b1,b2

微带导体MS1,MS2

导体回路11,12

宽边的中间点M

相位均衡弧P

天线元件A1...A8

波导的端部AB

传输和接收设备Tx/Rx

短路1

限制RI

宽度变化SP

第一线段距离短路的长度A

第二线段在小波导侧的方向上的长度B

第一线段的宽度C

第二线段的宽度D

两个导体回路之间的距离E

长度宽边A1

波导的端部到微带导体的距离AB1

通孔V

导体路径L

绝缘体I

印刷电路板PL

具体实施方式

图1示出充满空气并具有用于Ku频段的尺寸16mm×6mm或用于Ka频段的尺寸7mm×2.5mm的波导HL。在图1所示的波导HL的上表面上，波导被封闭。在此，波导HL的端部AB处的闭合与两个微带导体MS1、MS2的耦合相距约λ/4。在此，微带导体MS1、MS2从窄边b1、b2延伸到波导HL中。微带导体MS1、MS2由悬置带状线(SSL)构成，悬置带状线(SSL)由在其上涂布铜带、铜层的印刷电路板构成。印刷电路板自身由具有0.1mm至1mm、优选地0.127mm的厚度的电介质构成。位于其上的铜带具有0.2mm至3mm、优选地0.5mm的宽度，和15μm至50μm，优选地17.5μm的厚度。为了使微带导体MS1、MS2能够延伸到波导HL中，在耦合的水平处的窄边b1、b2具有适用于微带导体MS1和MS2的形状的小槽。悬置带状线被金属包围；因此，不存在由于辐射到结构外和由于悬置带状线在所述槽处的穿过而造成的功率损耗。由于将所述槽确定为合适的尺寸，所以对波导HL的场的干扰影响可忽略不计。

在波导HL的宽边a1上，两个微带导体MS1、MS2电连接到波导HL。该连接表示各个微带导体MS1、MS2分别与波导HL的短路1。因此，在波导HL的两侧上，经由各微带导体MS1、MS2形成导体回路11、12，围绕所述导体回路11、12生成H场。

在图2中再次示出感应的H场耦合。在耦合处的剖面上，可看到在靠近短路1的部位处，作为TE模式的H场如何从波导HL耦合到作为TEM模式的两个微带线MS1、MS2中。

双H场通过两个微带导体MS1、MS2耦合的原理导致从波导HL到微带导体MS1、MS2的功率分配。与已知的耦合和解耦相比，这里的功率分配在从波导过渡至微带导体时已经发生。这样减少了对额外的功率分配器的需要，所述分配器通常布置在波导馈送网络中。

现参考图3至图5进一步说明根据本发明的馈送网络，其由两个微带导体MS1、MS2和波导HL构成。

图3中示出波导HL内的导体回路11、12形成两个大小相等的回路，该回路从窄边b1和b2延伸到宽边a1。导体回路11、12的大小相等的表面积表示对称的功率分配。导体回路11、12还包括宽度变化(Breitensprünge)和偏移部分(Versatzstück)，其促进微带导体MS1和MS2对波导HL的条件的适应。这里，分别与宽边a1邻接的导体回路件是最窄，而表示过渡到波导HL外部的微带导体MS1和MS2的导体回路件是最宽的。根据期望的频段来最优化宽度变化和偏移部分的大小和位置。

微带导体MS1、MS2在波导HL的窄边b1、b2中的槽后延续，并形成微带导体网络，借助该微带导体网络供应天线元件，如下文所示。

图4示出与图3相比的变型，其中导体回路11、12的电连接发生在波导HL的相互面向的宽边a1和a2上，由此微带导体MS1、MS2之间的信号产生相移。这里，导体回路11和12的定位又是对称的，但相对于波导HL的上侧和下侧呈镜像倒置。这意味着，再次实现了对称的功率分配，但是一个微带导体MS1上的信号相对于另一微带导体MS2相移了180°。

在根据图5的馈送网络中，绘制出了波导的宽边的中间点M。这使得更容易看到，在图5中实现不对称的功率分配器。在此，与右侧上的导体回路12相比，波导的左侧上的导体回路11遍布的面积更大。因此，与在另一个导体回路12中相比，更多能量在一个导体回路11中解耦。波导内的导体回路11和12的长度因此是不同的。为了相位均衡，具有较低功率解耦的微带导体MS2包括额外的相位弧P，其导致微带导体MS2的长度均衡和与另一微带导体MS1的长度的匹配。

作为功率分配器的不对称的结果(见图4)，可设置从50:50至80:20的分配比率。这虑及了由馈送网络激励的天线的各种孔径配置。由于在两个微带导体MS1、MS2之间设置的相移(见图4)，几何镜像的天线元件或可能的相移可通过连续的波导网络来补偿。

图6示出与如图1中的矩形波导HL相比另一可选的波导形状。该波导HL设置为在宽边a1、a2的中心处分别具有限制RI的脊波导。因此，波导HL变得更宽频。

此外，脊波导HL具有宽度变化SP，其中窄边b1、b2和宽边a1、a2的尺寸跳跃式改变，并且限制RI的长度改变。这用来使反射最小化。

根据图6，在到微带导体MS1、MS2的过渡时使用波导几何结构的这些修改，并且从而对靠近微带导体MS1、MS2的导体回路11、12与波导HL的短路1的波导空间有影响。然而，替代地或额外地，还可在馈送网络的其它区段中的波导网络中使用该波导几何结构。

根据本发明的馈送网络尤其用于具有作为天线元件的若干喇叭形辐射器的天线中。图7进一步示出具有16个天线元件的天线，其中馈送网络能够独自馈送8个天线元件A1至A8。为此，波导HL中心地布置在八个天线元件A1至A8内，并且，在两个窄边上，波导HL的信号在两个微带导体MS1和MS2中解耦。这些微带导体MS1、MS2再次形成微带导体网络，该微带导体网络各自将4个天线元件A1至A4或A5至A8连接到波导HL。波导HL进而形成波导网络的终端。此时仅呈现了一个波导功率分配器。将波导网络自身连接到传输和接收设备Tx/Rx，其从天线接收对应的信号，或将所述信号发送到天线。

此处表述的馈送网络使得能够在网络中以最少的功率配送器来馈送大量天线元件。因此，可演绎出如在X、Ku或Ka频段下的基于飞机的卫星通信中所需要的轻型紧凑的天线。

基于图8至图13，示出了根据本发明的馈送网络的替代实施例，其除了根据图13的实施方案以外，包括具有限制RI的脊波导。

此处，图8示出对称的功率分配器(功率解耦50％/50％)，其中导体回路11、12的电连接正好发生在波导HL的限制RI的左右两边。两个导体回路11、12构建相同的表面积，并具有导体路径的相等宽度。

根据图9的馈送网络尤其适用于小频段，例如，在X频段下。从波导HL的端部到微带导体的距离AB1仅为约λ/10，这明显小于λ/4或宽边a1的长度A1的一半。因此，再次减小馈送网络的安装大小。

图10和图11示出具有66.7％/33.3％或57％/43％的分配比率的不对称分配器，这样设置的原因在于左导体回路11比右导体回路12包围更大的表面积。此外，在这些馈送网络中，导体回路11、12与波导HL之间的直流电连接在不与限制RI接触的情况下发生在波导HL的直线区域中。这在图9中图示。从波导端部AB来看，限制RI于微带导体MS2之后立刻开始。如从图10中可见，具有较大功率解耦的左导体回路11的宽度D大于右导体回路12的宽度。因此，左导体回路11比右导体回路12具有更低阻抗，并进行满意的匹配。

除了被设置用于功率分配的表面积外—该表面积大质上由第一线段距离短路A的长度和第二线段在较小的波导侧B的方向上的长度决定(所述较小的波导侧B构建各自线路回路11、12)，根据图12的微带导体MS1、MS2的低反射适应也需要考虑导体回路11、12的剩余尺寸C、D、E。根据低反射适应所需的导体回路的阻抗来选择第一线段C的宽度、第二线段D的宽度。与具有较低功率解耦的另一导体回路相比，根据图12中的指定的具有较大功率解耦的导体回路具有较大宽度C、D的微带线—见图10。

除了上文示出的导体回路11、12到波导HL的直流连接外，电容性连接也是可能的。在根据图13的电容性连接的情况下，波导HL包括开口，具有在表面上形成导体回路的导体路径L的印刷电路板PL插入该开口中。对于电容的形成，印刷电路板PL的两侧的导体路径L通过通孔V彼此连接。在插入状态中，波导HL和导体路径L通过绝缘体I分离。绝缘体I由电绝缘涂层(例如，阻焊剂)形成。由铜构建导体路径L，并且由铝构建波导HL。

Claims (23)

1.一种用于天线系统的馈送网络，其具有：波导(HL)，所述波导具有宽边(a1、a2)和窄边(b1、b2)；

两个微带导体(MS1、MS2)，每个所述微带导体均由导体回路(11、12)构成，该导体回路(11、12)从所述窄边(b1、b2)中的一个延伸到所述波导(HL)中并电连接到所述波导(HL)的宽边(a1、a2)。

2.根据权利要求1所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)从对向的窄边(b1、b2)延伸到所述波导(HL)中。

3.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中将波导(HL)与微带导体(MS1、MS2)的耦合用作经由所述波导(HL)到达的信号的功率分配器。

4.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)在所述波导(HL)内具有相等长度。

5.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)从所述窄边(b1、b2)延伸到所述波导(HL)的中心。

6.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述两个导体回路(11、12)到所述波导(HL)的所述宽边(a1、a2)的所述电连接离所述宽边(a1、a2)的中间点(M)的距离不同。

7.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中至少一个微带导体(MS2)具有相位均衡弧(P)，所述相位均衡弧使所述微带导体(MS2)的长度适应另一所述微带导体(MS1)的长度。

8.根据前述权利要求所述的馈送网络，其中具有所述相位均衡弧(P)的所述微带导体(MS2)比另一所述微带导体(MS1)在离所述宽边(a1、a2)的所述中间点更远的距离处电连接到所述波导(HL)。

9.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)的所述电连接发生在所述波导(HL)的不同宽边(a1、a2)上。

10.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)并非排它性地定形成直线，而是包括宽度变化和偏移部分。

11.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述微带导体(MS1、MS2)实施为SSL(悬置带状线)。

12.根据前述权利要求所述的馈送网络，其中所述微带导体(MS1、MS2)包括由电介质和铜带制成的印刷电路板，所述电介质具有0.1mm至1mm、优选地0.127mm的厚度，且所述铜带布置在所述印刷电路板上，并具有15μm至50μm、优选地17.5μm的厚度，以及0.2mm至3mm、优选地0.5mm的宽度。

13.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述微带导体(MS1、MS2)将所述波导(HL)连接到若干天线元件(A1…A8)，其中所述天线元件(A1…A8)是喇叭形辐射器，且所述微带导体(MS1、MS2)布置在距离所述波导(HL)的端部(AB)约λ/4处。

14.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述波导(HL)是波导馈送网络的连接到传输和接收设备(Tx/Rx)的部分。

15.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述波导(HL)至少在一些区段被实施为脊波导。

16.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)到所述波导(HL)的所述宽边(a1、a2)的电连接直流或电容性地发生。

17.根据前权利要求16所述的馈送网络，其中针对电容性连接，所述波导(HL)包括其中插入具有所述导体回路(11、12)的印刷电路板(PL)的开口，其中形成导体回路(11、12)的导体路径(L)在所述印刷电路板(P)的两侧上经由通孔(V)彼此连接，并通过绝缘体(I)从所述波导(HL)分离。

18.根据权利要求1至12中任一项所述的馈送网络，其中从所述波导(HL)的端部(AB)到所述微带导体(MS1、MS2)的距离(AB1)是λ/8至λ/12。

19.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)到所述波导(HL)的所述宽边(a1、a2)的电连接发生在所述波导(HL)的直线区段上，并且不接触限制(RI)。

20.根据前述权利要求的任一项所述的馈送网络，其中所述导体回路(11、12)构建不同的表面积，并设置不对称的功率分配器。

21.根据权利要求20所述的馈送网络，其中具有较大功率解耦的所述导体回路(11)的微带线(MS1)的宽度(D)大于另一导体回路(12)的情况下的宽度。

22.一种具有作为天线元件(A1…A8)的若干喇叭形辐射器的天线，其经由微带导体(MS1、MS2)连接到具有宽边(a1、a2)和窄边(b1、b2)的波导(HL)，

每个所述微带导体(MS1、MS2)均由从所述窄边(b1、b2)中的一个延伸到所述波导(HL)中并电连接到所述波导(HL)的宽边(a1、a2)的导体回路(11、12)构成。

23.根据前述权利要求所述的天线，其针对X、Ka或Ku频段下的车载卫星通信进行双向操作。