CN105406198A - 带有附加沟槽的脊喇叭辐射器 - Google Patents
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Abstract
本发明的单辐射器具有脊喇叭辐射器,其在开口侧被经由沟槽(N)与脊喇叭辐射器分开的单辐射器边缘包围。该单辐射器边缘(R)以距开口表面的距离与单辐射器相连。脊喇叭辐射器的脊部降低截止频率,从而针对具有卫星通信规定的波长的信号减少安装高度。沟槽改善了匹配情况并减少了不希望的横向偏振。这种布置造成了来自脊喇叭辐射器的波与来自沟槽的波的重叠,其中,沟槽的尺寸规定为使导入沟槽的并且在沟槽端处反射的波与来自脊喇叭辐射器的波结构性重叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种尤其用于天线系统的具有脊喇叭辐射器的单辐射器,该脊喇叭辐射器经由沟槽与喇叭辐射器边缘R分隔开,所述天线系统支持用于移动和航空应用的、在Ka、Ku或X频段下操作的双向卫星通信。
背景技术
飞机乘客对多媒体服务的需求增加,为此,飞机必须与陆地上的数据源或者通信网络无线连接。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。
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。为了使飞机仅产生少量的额外的耗油量,天线应该是轻量的。
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安装在飞机上的、向卫星发送信号的移动天线的定向传输操作中不发生邻近卫星的干扰。
例如,WO2014005693利用作为单辐射器的脊喇叭辐射器示出针对用于航空卫星通信的紧凑天线的解决方案。这些单辐射器布置在一个天线场中,并通过合适的具有高频信号的馈送网络馈送。根据WO2014005693,还利用脊喇叭辐射器内的分级,来改善脊喇叭辐射器对自由空间的适应。然而,这些分级,例如5个分级导致了结构高度的增加。
DE3146273、DE2152817和US404006中说明了单辐射器的可选的安装形式,其中,喇叭辐射器的壁中设有沟槽,以增加喇叭辐射器的带宽。为此,沟槽被相继以同轴环的形式设置到喇叭辐射器的边缘中。这一措施并不减少结构高度。US4897663示出一种带有多个沟槽(扼流槽)的喇叭辐射器,这些沟槽适用于优化用于多频的单辐射器的指向特性。
发明内容
本发明的任务在于提供一种单辐射器,该单辐射器支持低的结构高度以及在良好的匹配的情况下的宽频率范围。
该任务通过具有权利要求1的特征的单辐射器以及具有权利要求16特征的天线来解决。其他权利要求说明了本发明的有利的设计方案。
本发明的单辐射器具有脊喇叭辐射器,该脊喇叭辐射器在开口侧被经由沟槽与脊喇叭辐射器分开的单辐射器边缘包围。在此,单辐射器边缘以距开口表面的距离与单辐射器相连。当多个这样的单辐射器并排布置时,适于形成天线,其中,相邻的单辐射器则具有相同的单辐射器边缘。
脊喇叭辐射器的脊部(限制)降低截止频率,从而针对具有卫星通信规定的波长的信号降低结构大小。沟槽改善了匹配性并减少了不希望的横向偏振。这种布置造成了来自脊喇叭辐射器的波与来自沟槽的波的重叠,其中,规定沟槽的尺寸使得导入沟槽的波和在沟槽端处反射的波与发出自脊喇叭辐射器的波结构性重叠。
针对用于车载卫星通信的由多个单辐射器构成的天线,用于单辐射器的结构空间强制性地受限于开口的平面及其深度。单辐射器也应该尽可能的小。设置沟槽看上去是不利的,因为通过开口平面中的沟槽,又损失了用于单辐射器开口的结构空间,单辐射器开口变得更小。而单辐射器开口更小又意味着提高截止频率,即限制了带宽。为了弥补这种情况,本发明的脊喇叭辐射器是有利的,因为这样再一次增加了带宽。本发明利用沟槽,以在给定的匹配情况下减少结构深度,天线变得较平坦,或者在给定结构深度情况下,改善匹配情况。
优选的,单辐射器边缘具有矩形轮廓,在该轮廓的中间布置有脊喇叭辐射器。由此能够轻量地并且无空间损失地组合多个这样的单辐射器。在单辐射器边缘具有正方形轮廓的情况下,简化了单辐射器的两个方向上的组合。在将脊喇叭辐射器布置于中心的情况下,实现了辐射特性的对单辐射器中心的定向。考虑到在E场耦合的情况下,辐射特性向E场耦合的侧面的轻微倾斜应该得到补偿,也可以将脊喇叭辐射器的布置稍微向中心处移位。
根据本发明的另一优选设计方案,沟槽具有与开口表面大致垂直的壁,即,沟槽直接向开口表面开口并且避免倾斜,否则导致平行于开口表面的增加的空间需求。
所需的脊部数量与支持的偏振数量一致。脊喇叭辐射器具有至少两个脊部(在两个偏振的情况下具有四个脊部),这些脊部各自对准脊喇叭辐射器的中心点并十字交叉地布置。通常为对称的布置,使得两个脊部间的角距为180°或90°。
为了推迟在不使用的频率范围内,来自沟槽的辐射与来自脊喇叭辐射器的辐射之间的不期望的共振,根据本发明的另一优选的设计方案,脊喇叭辐射器的轮廓(在沟槽方向上)具有沟槽侧的脊部,这些沟槽侧脊部影响沟槽的体积以及周向的边缘长度。沟槽侧脊片易于制造。沟槽的尺寸越宽,则所支持的带宽越大,但寄生模式的风险也增加。脊喇叭辐射器和沟槽的总宽度又被所支持的最高频率的波长限制。
如果单辐射器的沟槽不足以产生希望的匹配,则优选地给脊喇叭辐射器设置匹配台阶。然而比起没有槽的类似的脊喇叭辐射器,能够明显减少匹配台阶的数量。
当用以连接单辐射器边缘与脊喇叭辐射器的距开口表面的距离约为1/4λ时,能实现良好的匹配,其中λ是使用频段中的中心频率,。
在使用两个偏振的情况下,当使用分级的沟槽时,能够频率选择地将两个偏振互相分开。对于每个偏振,沟槽被分别设置为优化的各中心频率的λ/4。即,开口表面的沟槽的短路端的距离沿着沟槽而变化。优选地,在单辐射器边缘的相对置的两侧上的距离是相同的。
在使用匹配台阶时,建议通过铣削铝型材来简化制造工序,建议将脊喇叭辐射器的匹配台阶形成为与单辐射器边缘及脊喇叭辐射器的连接部有相同的距开口表面的距离。于是该距离可以和铝型材的厚度一致,单辐射器的一个单独制造的具有其他结构的铝型材与上述铝型材相连。
为了将信号耦合到脊喇叭辐射器中,优选地使用微带导体,其中,在支持两个偏振的情况下,使用两个微带导体,其将相互垂直的偏振的信号成分耦合到脊喇叭辐射器中。微带导体的位置又优选地预先确定两个铝型材之间的过渡。
另外,通过使脊喇叭辐射器在短路端具有预定脊部长度的对准偏振的脊部,来节省空间地促进耦合。于是对于两个偏振形成了不同的短路端,其中两个微带导体的垂直于开口表面的间距与脊部长度一致,且其中一个微带导体至脊喇叭辐射器的短路端的距离与另一个微带导体至脊部的距离分别为λ/4。
当脊喇叭辐射器充满电介质时,截止频率和结构高度可以额外再降低,但也需要承受损失。另外,沟槽也可以充满电介质。
通过组合多个这样的相邻布置的单辐射器形成了本发明的具有多个单辐射器的天线,其中单辐射器由微带网络馈送。因此,该天线适合于用在7.25-8.4GH(X频段)、12-18GHz(Ku频段)以及27-40GHz(Ka)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从对优选实施方式的下列说明中获得。本文描述的特征能够单独地或者与一个或多个上述特征相组合地来实现,只要这些特征不相互矛盾。在此,参照附图进行优选实施方式的下列说明。
附图说明
图1示出根据本发明的单辐射器的俯视图;
图2示出根据本发明的单辐射器的截面图;
图3示出具有周期布置的单辐射器的天线中的单辐射器的E场分布;
图4示出根据本发明的可选的单辐射器的俯视图;
图5示出具有多个单辐射器和一个馈送网络的天线系统。
参考标记列表
开口表面a
微带导体MS1、MS2
脊喇叭辐射器A1、A2……Ax
脊喇叭辐射器的短路端AB
发送/接收装置Tx/Rx
单辐射器边缘R
沟槽N
沟槽深度l、l1、l2
脊喇叭辐射器的脊部S1……S4
脊喇叭辐射器中心点M
匹配台阶AP
波导HL
脊喇叭辐射器端的脊部S
脊部长度ls
微带导体的间距ls'
沟槽侧脊部s1……s4
具体实施方式
图1示出具有正方形轮廓的单辐射器,该正方形轮廓经由喇叭辐射器边缘R构成。在单辐射器的轮廓内部的中心布置有脊喇叭辐射器A1。脊喇叭辐射器A1自身为带有稍微的倒圆角以及凸出部分的大致正方形的形状。这些圆角和凸出部分在根据图4的实施方式中进一步说明。脊喇叭辐射器A1与喇叭辐射器边缘R由沟槽N分开,沟槽N自身具有大致正方形的形状,并与脊喇叭辐射器A1一样充满空气。脊喇叭辐射器A1的表面、沟槽N的表面和喇叭辐射器边缘R的表面构成开口表面a。
脊喇叭辐射器A1的特征在于四个在脊喇叭辐射器中心点M的方向上并且成十字的脊部S1-S4。由此,该单辐射器能够支持两个相互垂直的偏振。两对由两个对置的脊部构成的脊部对S1和S3以及S2和S4各自支持一个偏振。如在图2中另外说明的,在脊喇叭辐射器A1内部有两个微带导体MS1、MS2,这两个微带导体在发送状态下将高频信号耦合到脊喇叭辐射器A1中,并在接收状态下将高频信号从脊喇叭辐射器A1中解耦。
在下文描述的脊喇叭辐射器A1的信号与沟槽N的信号间的重叠构成了单辐射器的辐射特性。脊喇叭辐射器A1发出的信号的一部分耦合到沟槽N中。在λ/4(其中λ是信号的波长(在宽带信号的情况下约为带宽的中心频率))槽深处以90°穿入沟槽N中、直到沟槽N的末端的信号,在沟槽N的末端处通过短路而旋转180°(零点,与具有固定端点的绳波类似),并且又以90°返回直至开口表面a,在开口表面a处该信号以360°相位增加到来自脊喇叭辐射器A1的信号。因此,在沟槽N中产生驻波。
图2中以3D形式说明本发明的单辐射器,其中,脊喇叭辐射器A1、沟槽N和喇叭辐射器边缘R的结构垂直地竖立于开口表面。脊喇叭辐射器A1与喇叭辐射器边缘R的连接部具有距开口表面a的距离l,该连接部形成沟槽N的终端(短路)。这里,距离l约为λ/4。大约在与沟槽N的深度(终端)相同的高度上,在脊喇叭辐射器A1的内部布置有匹配台阶AP,在该匹配台阶中,脊喇叭辐射器A1进一步收缩。在本脊喇叭辐射器中仅布置有一个匹配台阶AP。
在喇叭辐射器边缘R中嵌有侧开口,通过这些开口引入微带导体MS1、MS2。微带导体MS1和MS2与开口表面平行并且互相垂直地布置,并且在开口表面的方向上彼此间隔开。微带导体MS1与MS2之间的间距ls'与另一附加的脊部S的长度ls一致,脊部S布置于脊喇叭辐射器A1的短路端AB处,并且从该处向脊喇叭辐射器A1内延伸。脊部S被如此定向,使得其作为脊喇叭辐射器终端用于其中一个偏振。微带导体MS2、MS1由此分别与脊部S和脊喇叭辐射器A1的短路端AB各自相距λ/4地布置。
微带导体MS1、MS2由悬置带状线(SSL)构成,悬置带状线则由其上设有铜带(铜层)的电路板构成。电路板本身由厚度为0.1mm至1mm,优选为0.127mm的电介质构成。位于其上的铜带具有0.3mm至1mm,优选为0.5mm的宽度,以及15μm至20μm,优选为17.5μm的厚度。为了使微带导体MS1、MS2能够伸入脊喇叭辐射器A1中,在耦合处高度上的开口形成为狭缝,并适应微带导体MS1、MS的形状。悬置带状线(SSL)被金属包围,由此不存在由于辐射到结构外和在所述狭缝处穿过造成的功率损耗。通过将所述狭缝确定为合适的尺寸,对脊喇叭辐射器A1的场的干扰可忽略不计。
图3示出根据本发明的由周期布置的多个单辐射器形成的天线中的单辐射器的模拟E场分布。信号通过微带导体MS1耦合到脊喇叭辐射器A1中,并在脊喇叭辐射器A1的短路端AB处反射。注意,沟槽N是如何作为针对来自脊喇叭辐射器A1的信号的反射器运行的。来自辐射的脊喇叭辐射器A1的场以及来自沟槽N的被反射成分相加得到平面的波前。
图4示出根据本发明的可选的单辐射器。该单辐射器用于X频段下的带有圆形偏振(使用曲径-偏振滤波器(Meander-Polarisationsfilter))的天线,Rx(接收设备):7.25GHz-7.75GHz(LHCP),Tx(发送设备):7.90GHz-8.40GHz(RHCP)。
与图1示出的单辐射器不同,沟槽深度l1,l2有所变化。在此,沟槽N的相对置的区段具有相同的深度l1及l2,其中根据由喇叭辐射器边缘R的相邻区段支持的偏振来确定深度l1及l2的尺寸。能够通过分级的沟槽N将两个偏振优化地调整为频率选择性地互相分离。对于每个偏振,沟槽N设置为不同的优化的λ/4。另外,根据图4,单辐射器还具有沟槽侧的脊部s1-s4,该沟槽侧脊部从脊喇叭辐射器朝沟槽N方向延伸,并导致沟槽N的宽度变化。因此,推迟了在天线不运行的频率范围内,来自脊喇叭辐射器和沟槽N的波形之间的不期望的共振。
根据本发明的单辐射器尤其用于具有多个单辐射器的天线中,该多个单辐射器布置在同一个开口表面中。图5示出具有16个单辐射器的天线,其中,由微带导体MS1、MS2组成的馈送网络能够独自馈送8个单辐射器A1-A8。为此,在8个单辐射器A1-A8的内部中央布置有波导HL,且信号在波导HL的两个窄边处解耦到两个微带导体MS1和MS2。微带导体MS1和MS2又形成了微带导体网络,其分别将4个单辐射器A1至A4,以及A5至A8与波导HL相连。而波导HL又形成了波导网络的终端。这里仅说明一个波导功率分配器。波导网络在其侧与向天线发送相应信号和从天线接收相应信号的发送/接收装置Tx/Rx相连。
这里说明的具有双H场耦合的馈送网络能在波导网络中以最少的功率分配器馈送大量天线元件。
借由这样的馈送方式以及对本发明的单辐射器的使用,能够得到如在X、Ku或Ka频段下的基于飞机的卫星通信所需的轻量紧凑的天线。
Claims (17)
1.一种具有开口表面(a)的单辐射器,该单辐射器用于具有多个单辐射器的天线,其中:
所述单辐射器具有至少一个脊喇叭辐射器(A1);
所述单辐射器(A1)在开口侧被经由沟槽(N)与所述脊喇叭辐射器(A1)分开的单辐射器边缘(R)包围;
所述单辐射器边缘(R)以距所述开口表面(a)的距离(l)与单辐射器(A1)相连。
2.根据权利要求1所述的单辐射器,其特征在于,所述单辐射器边缘(R)预先规定了所述单辐射器的矩形轮廓,在该矩形轮廓的中心布置有所述脊喇叭辐射器(A1)。
3.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述沟槽(N)具有与所述开口表面(a)垂直的壁。
4.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述单辐射器边缘(R)预先规定了单辐射器的正方形轮廓。
5.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述脊喇叭辐射器(A1)具有至少两个脊部,优选地具有四个脊部(S1……S2),所述脊部分别对准脊喇叭辐射器中心点(M)并且十字交叉地布置。
6.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述脊喇叭辐射器(A1)的轮廓具有沟槽侧脊部(s1……s4)。
7.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述脊喇叭辐射器(A1)形成为具有匹配台阶(AP)。
8.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,距所述开口表面(a)的距离(l)为λ/4,其中λ是使用频段中的中心频率,在所述距离(l)中,至少一个单辐射器边缘(R)与脊喇叭辐射器(A1)相连。
9.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,距所述开口表面(a)的距离(l、l1、l2)沿着所述沟槽(N)变化,在所述距离(l、l1、l2)中,至少一个单辐射器边缘(R)与脊喇叭辐射器(A1)相连。
10.根据前述权利要求所述的单辐射器,其特征在于,在所述单辐射器边缘(R)的相对置的侧上的距离(l1、l2)相同。
11.根据权利要求7所述的单辐射器,其特征在于,所述脊喇叭辐射器(A1)的匹配台阶(AP)形成为与单辐射器边缘(R)和脊喇叭辐射器(A1)的连接部有相同的距开口表面(a)的距离。
12.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,借助微带导体(MS1、MS2)来实现信号进入脊喇叭辐射器(A1)的耦合。
13.根据前述权利要求所述的单辐射器,其特征在于,设有两个微带导体(MS1、MS2),该两个微带导体将相互垂直地偏振的信号成分耦合到所述脊喇叭辐射器(A1)中。
14.根据前述权利要求所述的单辐射器,其特征在于:
所述脊喇叭辐射器(A1)在短路端(AB)具有对齐偏振的脊部(S),所述脊部(S)具有脊部长度(ls);
所述两个微带导体(MS1、MS2)的距离(ls')与所述脊部长度(ls)一致;并且
所述一个微带导体(MS1)距所述脊喇叭辐射器(A1)的短路端(AB)的距离,与所述另一个微带导体(MS2)距所述脊部(S)的距离分别为λ/4。
15.根据前述权利要求之一所述的单辐射器,其特征在于,所述脊喇叭辐射器(A1)充满电介质。
16.一种具有多个根据前述权利要求之一所述的单辐射器(A1……Ax)的天线,其中所述单辐射器(A1……Ax)由微带网络馈送,且相邻的单辐射器(A1,A2)具有相同的喇叭辐射器边缘(R)。
17.根据前述权利要求所述的天线,其被双向操作,用于X、Ka或Ku频段下的车载卫星通信。
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