CN105531872B - 用于抛物面天线的馈源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于抛物面天线的馈源(S)，包括适于生成sigma信道的sigma辐射组件(1S、1C、1L)和适于生成delta信道的delta辐射组件(2S、2C、2L)，sigma辐射组件(1S、1C、1L)包括位于所述馈源(S)的主发射/接收轴线(A)上的sigma辐射元件(11)和用于为所述sigma辐射元件(11)馈电的sigma馈电电路(12)，delta辐射组件包括delta馈电电路(22S、22C、22L)和8个delta辐射元件(21S、21C、21L)，delta辐射元件(21S、21C、21L)被布置在所述馈源(S)的主发射/接收轴线(S)周围。

Description

用于抛物面天线的馈源
技术领域
本发明涉及用于置于抛物面天线的焦点处的超高频馈源。
背景技术
在遥测技术中使用的天线通常包括抛物面反射器和位于抛物面反射器的焦点处的馈源。馈源适于向目标(诸如卫星或例如飞行器)发送信号或者接收由目标所发射的信号。反射器的作用在于将馈源发送的信号转发至目标或者将目标所发射的信号聚集到馈源。
用于发送或接收信号的频带取决于目标的类型。每个馈源通常适于在与目标类型对应的给定频带中发射信号。
因此，为了能够与不同类型的目标交换数据，有必要拆卸天线的馈源并且在合适位置安装新的馈源。这些拆卸与装配操作花费时间并且可能在馈源和反射器的对准时的引起误差，该误差改变天线的辐射图。
同样存在双频带天线，其包括第一馈源、第二馈源、主反射器以及具有二向色表面的副反射器，第一馈源能够以第一频带发射信号，第二馈源能够以第二频带发射信号。第一馈源被置于主反射器的焦点处，而第二馈源被置于副反射器的焦点处。副反射器包括二向色表面，该二向色表面适于使第一频带的辐射穿过并且反射第二频带的辐射。目标以第一频带发射的信号通过穿过副反射器来被主反射器反射到第一馈源。目标以第二频带发射的信号相继由主反射器和副反射器反射到第二馈源。
然而，这种双频带天线价格高昂，特别是因为其需要使用具有二向色表面的反射器。
文件US2011/029903也公开了一种多频带馈源，该多频带馈源适于以三个频带同时接收或发送信号。更准确地说，馈源能够以频带L(1GHz至2GHz)、S(2GHz至4GHz)和C(4到8GHz)发射信号。馈源包括中心圆柱波导和三个同轴传导圆柱体，这三个同轴传导圆柱体在中心圆柱波导周围延伸并且形成了三个单独的同轴波导。包围中心波导的三个波导中的每一个由两个连续的圆柱体来界定。
中心圆柱波导适于生成C频带中的总信道辐射(或sigma信道)。包围中心波导的第一圆柱波导适于选择性地生成C频带中的信道辐射差(delta)或生成S频带中的和信道辐射。包围第一波导的第二圆柱波导适于选择性地生成S频带中差信道辐射或生成L频带中的和信道辐射。最后，包围第二波导的第三圆柱波导适于生成L频带中的差信道辐射。
波导由通过多个输入端口的同轴跃迁来馈电。这些波导特别地难以激励，以致要确定它们的尺寸是非常复杂的。为了使反射损耗最小，文献US2011/0291903特别地提供了一种包含有被布置在波导内的辐射脊的馈源，每个脊被耦接至输入端口和圆柱体。
同样，由于同一波导被用于以两个频带生成辐射，这种类型的馈源无法对不同的频带进行解耦。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于抛物面天线且易于设计的馈源。
这个目的在本发明范围内通过一种用于抛物面天线的馈源得以实现，该馈源包括：
-sigma辐射组件，其包括sigma辐射元件和sigma馈电电路，sigma辐射元件位于馈源的主发射/接收轴线上，sigma馈电电路用于为sigma辐射元件馈电以使得sigma辐射元件生成sigma信道辐射，以及
-delta辐射组件，其包括delta馈电电路以及8个delta辐射元件，delta辐射元件被布置在馈源的主发射/接收轴线周围，delta馈电电路用于为delta辐射元件馈电以使得delta辐射元件生成delta信道辐射。
在如此馈源中，delta信道辐射的独立于sigma信道辐射来生成。
此外，使用8个delta辐射元件提高了sigma和delta信道辐射之间的解耦。
该馈源还可具有下述特征：
-sigma辐射元件在与馈源的主发射/接收轴线垂直的平面内延伸，
-sigma辐射元件包括辐射贴片和具有耦合槽的接地平面，耦合槽以绕馈源的主发射/接收轴线旋转90度的恒定设计来布置。
-delta辐射元件被布置在以馈源的主发射/接收轴线为圆心的圆上，
-delta辐射元件被布置成连续的两个delta元件之间呈45度的角距，
-每个delta辐射元件包括经由馈电点连接至delta馈电电路上的辐射贴片，全部的贴片和贴片的馈电点以绕馈源的主发射/接收轴线旋转45度的恒定设计来布置，
-delta辐射元件在与馈源的主发射/接收轴线垂直的同一平面内延伸，
-delta辐射元件相对于馈源的主发射/接收轴线被径向极化，
-每个delta辐射元件包括四分之一波长辐射贴片，
-每个delta辐射元件包括半波长辐射贴片和寄生贴片，
-每个delta辐射元件在与馈源的主发射/接收轴线平行的平面内延伸，
-每个delta辐射元件相对于馈源的主发射/接收轴线被切向极化，
-每个delta辐射元件包括半波偶极子，
-delta辐射元件包括以四个delta辐射元件为一组的两组delta辐射元件，每一组由处于TE21模下的delta馈电电路馈电，一组的delta辐射元件相对于另一组的delta辐射元件以90度的相移来馈电；
-所述馈源包括三个sigma辐射组件和三个delta辐射组件，每个sigma辐射组件以不同的频带工作，每个delta辐射组件以所述频带之一工作，所述三个sigma辐射组件的sigma辐射元件被分层布置并且以馈源的主发射/接收轴线为中心，以较高频带工作的sigma辐射元件沿着电磁波传播的方向被分层布置在以较低频带工作的sigma辐射元件上方；
-以较低频带工作的sigma辐射元件与以较高频带工作的sigma辐射元件的接地平面进行结合。
本发明还涉及一种天线，其包括具有焦点的抛物面反射器以及如之前限定的馈源，该馈源被置于抛物面反射器的焦点处。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优势将从下述参照了以说明而非限制性方式给出的附图的详细描述中体现出来，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的馈源的视图；
图2是馈源的视图，其中突出显示了第一sigma辐射组件和第一delta辐射组件；
图3是馈源的视图，其中突出显示了第二sigma辐射组件和第二delta辐射组件；
图4是馈源的视图，其中突出显示了第三sigma辐射组件和第三delta辐射组件；
图5是馈源的前视图；
图6是sigma辐射元件的示意图；
图7是第一delta辐射组件的一片delta辐射元件的示意图；
图8是第一delta辐射组件的极化图；
图9是第二delta辐射组件的一片delta辐射元件的示意图；
图10是第三delta辐射组件的一片delta辐射元件的示意图；
图11是第二或第三delta辐射组件的极化图；
图12是包含有馈源的主发射/接收轴线的平面中的剖面图。
具体实施方式
参照图1到5，抛物面天线的馈源S包括机械基座3和分别针对三个频带C、S和L提供sigma图的三个sigma(Σ)辐射组件1C、1S和1L，以及分别针对三个频带C、S和L提供delta(Δ)图的三个delta辐射组件2C、2S和2L。辐射组件被附接于机械基座上。
辐射组件包括：
第一sigma辐射组件1L，其适于针对第一频带L生成sigma辐射图，
第一delta辐射组件2L，其适于针对第一频带L生成delta辐射图，
第二sigma辐射组件1S，其适于针对第二频带S提供sigma辐射图，
第二delta辐射组件2S，其适于针对第二频带S生成delta辐射图，
第三sigma辐射组件1C，其适于针对第三频带C提供sigma辐射图，以及
第三delta辐射组件2C，其适于针对第三频带C提供delta辐射图。
delta辐射图提供了一种目标相对于天线轴线的偏离的单调信号函数，而sigma图给出了该轴线上的最大信号。这些图通过符号和归一化测量来产生偏离测量值。通过在形成sigma图相对于delta图关于幅值和相位的比率来获得偏离测量函数。该偏离测量函数的斜率在sigma图的中心部分几乎不变。众所周知，可以从天线针对全部频带L、S和C在天线的sigma和delta这两个信道上同时接收的两个信号中来提取目标的位置和天线轴线之间的角度偏离。
馈源具有主发射/接收轴线A。三个sigma辐射组件1C、1S和1L中的每一个在与馈源S的主发射/接收轴线A垂直的平面内延伸。
三个sigma辐射组件1C、1S和1L中的每一个包括sigma辐射元件11和sigma馈电电路12，辐射元件11位于馈源S的主发射/接收轴线上，sigma馈电电路12用于为sigma辐射元件11馈电以生成sigma信道辐射。
三个sigma辐射组件1C、1S和1L与图6中通常所示的sigma辐射组件1相符。
参照图6，每个sigma辐射元件11包括圆形辐射贴片(或铺片)111以及具有耦接槽113的接地平面(plan de masse)112。sigma辐射元件11包括三层金属化层和两个基底。sigma辐射元件11和sigma馈电电路12由接地平面112分开，在接地平面112中刻蚀电磁耦接槽113以确保向sigma辐射元件11馈电。
每个sigma辐射元件11借助于耦合槽113在耦接点125处与sigma馈电电路12耦接。根据绕馈源S的主发射/接收轴线A旋转90度的恒定设计来布置耦接槽113和耦接点125。这种配置的对称性使得交叉极化最小化。
四个耦接槽113被交叉布置。换言之，根据以馈源的主发射/接收轴线为中心上的两个垂直轴线来成对地布置耦接槽113。每个sigma馈电电路12包括两个馈电端口127a和127b，馈电端口127a和127b中的每一个位于两个介电层中的圆形辐射贴片111的一侧上的两层之上。这两个馈电端口127a和127b是同相的。每个馈电端口127a和127b分别为两个馈电支路128a1和128a2以及128b1和128b2馈电，馈电支路128a1和128a2以及128b1和128b2位于圆形辐射贴片111的两侧并且在四个耦接点125a1、125a2、125b1和125b2处耦接至辐射贴片。每个馈电端口127a和127b产生直线极化模式，两个馈电支路的直线极化模式成对地正交并且在相位上正交，从而能够在左右两个方向上产生圆极化。
sigma信道的辐射元件11均在两个正交轴上具有对称性，这使得能够在具有直线和正交极化的馈电端口127a和127b之间良好解耦。
delta辐射组件2S、2C、2L中的每一个包括delta馈电电路(分别为22S、22C、22L)和8个delta辐射元件(分别为21S、21C、21L)。同一个组件的delta辐射元件21S、21C、21L被布置在以馈源S的主发射/接收轴线A为圆心的圆上。同样地，delta辐射元件21S、21C、21L以两个连续的delta辐射元件21S、21C、21L之间呈45度角距来布置。
delta辐射元件21S、21C、21L中的每一个包括辐射贴片(或铺片)211S、211C、211L，辐射贴片211S、211C、211L经由馈电点225S、225C、225L连接至相关的delta馈电电路22S、22C、22L。根据绕馈源S的主发射/接收轴线A旋转45度的恒定设计来对同一个delta辐射组件2S、2C、2L的所有贴片211S、211C、211L和它们的馈电点225S、225C、225L进行布置。
第一delta辐射组件2L的delta辐射元件21L中的每一个在与馈源S的主发射/接收轴线A相平行并且与以馈源S的的主发射/接收轴线A为轴心的回旋柱体相切的平面中延伸。
第一delta辐射组件2L的8个delta辐射元件21L中的每一个包括贴片211L，贴片211L包括矩形介电基底2111L和通常采用铜制作的一层金属导体2113L。
参照图7，金属导体2113L具有第一部分21131L和第二部分21132L，第一部分在馈源轴线的方向上延伸，第二部分在与馈源轴线相垂直的方向上延伸，并且第一部分和第二部分包含在delta辐射元件21L的平面内。第二部分的长度基本等于第一波段L的平均波长λ的一半。针对8个贴片211L中的每一个，第一delta辐射组件2L的delta馈电电路22L包括在位于贴片中心的馈电点225L处为贴片211L馈电的馈电线228L。馈送至每条线228L上的电流是反相的，以使得电流贴片中心处最大。第一delta辐射组件2L的delta辐射元件21L的8个贴片211L中的每一个作为偶极子进行半波谐振。参照图8，第一delta辐射组件2L的delta辐射元件21L沿着与布置有delta辐射元件21L的圆相切的方向被极化。
第二delta辐射组件2C的delta辐射元件21C在与馈源S的主发射/接收轴线A相垂直的同一平面内延伸。
第二delta辐射组件2S的delta辐射元件21S也在与馈源S的主发射/接收轴线A相垂直的同一平面内延伸。
参照图9，第三delta辐射组件2C的8个delta辐射元件21C中的每一个包括接地平面211C、与接地平面211C相接触的第一介电基底212C、形成于第一介电基底212C上并短接至接地平面213C上的铜制四分之一波长梯形贴片211C。四分之一波长梯形贴片211C由同轴电缆216C在馈电点225C处进行馈电。
参照图10，第二delta辐射组件2S的8个delta辐射元件21S中的每一个包括接地平面213S、与接地平面相接触的第一介电基底212S、由沉积在第一介电基底212S上的铜制成的半波长梯形贴片211S、位于与第一介电基底212S相平行的平面中的第二介电基底214S以及由沉积在第二介电基底214S上的铜制成的寄生贴片215S。半波长梯形贴片211S由同轴电缆216S在馈电点225S处进行馈电。寄生贴片215S起导向作用并且对半波长梯形贴片211S所辐射的场进行修改。
参照图11，第二delta辐射组件2S和第三delta辐射组件2C的delta辐射元件21S和21C相对于馈源S的主发射/接收轴线A径向极化。
第一、第二和第三delta辐射组件的delta辐射元件21S、21C、21L包括两组delta辐射元件21S、21C、21L，每一组由四个delta辐射元件21S、21C、21L构成，每一组由处于TE21模下的delta馈电电路22S、22C、22L馈电，一组的delta辐射元件21S、21C、21L相对于另一组的delta辐射元件21S、21C、21L的馈电相位是正交的。每个delta辐射组件的delta辐射元件21S、21C、21L生成的电磁场图等同于存在于波导中的TE21模下的电磁场图。
同一delta辐射组件的delta辐射元件被等幅地馈电，以致于8个delta辐射元件所处的圆的半径小于与delta辐射组件的频带的最大频率相对应的波长。
与中心对称的sigma辐射元件相关的delta辐射元件21S、21C、21L的中心对称性对sigma图和delta图进行解耦。这样所形成的优势在于，sigma图和delta图在不同的频带L、S和C中的生成是独立发生的。此外，这导致不同频带L、S中的sigma和delta图被解耦。
可以对不同频带中的不同工作辐射元件进行互锁并针对三个不同的频带生成sigma和delta图而不对辐射造成干扰，并且通过避免使用由大型且昂贵的波导制成的结构来在更小的空间中进行。
第一、第二和第三sigma辐射组件1S、1C、1L的sigma辐射元件1S、1C、1L分层布置并且以馈源的主发射/接收轴线为中心，每个频带中的辐射贴片用作上级sigma辐射元件1S、1C、1L的接地平面，sigma辐射元件1S、1C、1L在电磁波传播的方向上根据它们的工作频带(即从最低频率到最高频率)层叠。
参照图12，辐射组件1C、1S、1L和2C、2S、2L的不同辐射元件在馈源S的轴线A上层叠。当沿着与电磁波传播方向相反的方向经过馈源轴线时，不同元件从顶部到底部依次按照下述顺序布置：
-第三sigma辐射组件的圆形辐射贴片111C；
-第三sigma辐射组件的接地平面112C，该接地平面上沉积有馈电电路12C的端口的支路；
-第三delta辐射组件2C的四分之一波长梯形贴片213C，其被置于第三delta辐射组件2C的接地平面211C上；
-第二delta辐射组件2S的圆形辐射贴片111S，其位于第三delta辐射组件2C的四分之一波长梯形贴片213C的中心；
-第二sigma辐射组件的接地平面112S，该接地平面的每个面上沉积有馈电电路12S的端口的支路；
-第一sigma辐射组件的圆形辐射贴片111L；
-寄生贴片215S，其位于第一sigma辐射组件的接地平面112L处，第一sigma辐射组件的接地平面112L以及馈电电路12L位于第二delta辐射组件2S的半波长梯形贴片211S的中心。
第一辐射组件2L的辐射元件位于第二辐射组件2S的周围。
对不同介质212C、214S、212S、12S、12C、12L的介电常数进行选择以遵循网络的最大半径。
馈源的特征在于体积小、质量小以及指向性、品质因数G/T和多频带天线对移动目标的跟踪良好。此外，这种类型的多频带馈源同样非常适用于配备在小直径而非大直径的抛物面主焦点处。馈源能够在三个频带L、S和C中同时接收信号并且还能同时地执行对单脉冲类型的跟踪。
对放置有辐射元件2C、2S、2L的圆的直径进行最小化产生了明显的跟踪斜率，然而跟踪斜率越大跟踪越好。另一方面，在所述的馈源中，跟踪斜率或偏离测量值在所有平面内是均匀的并且不会因接收信号的极化而降低。
所述的馈源特别地适于工作在频带L＝[1.4；1.55GHz]、S＝[2.2；2.4GHz]和C＝[5.0；5.25GHz]中。例如，所述的馈源将现存的接收系统维持在S频带中并且为之后的C频带而与配备该系统。此外，通过使用所述的馈源，不再需要通过更换馈源来更换频带，馈源更换操作需要装置、操作时间和调试。
本发明还能够被应用于生成远程通信、遥测的其他频带或任何其他接收频带。
所述的多频带馈源被置于主抛物面反射器的焦点处。所述的多频带馈源避免使用通常被称为卡塞格林安装的具有两个反射器(主反射器和子反射器)的装置，尤其避免安装在小直径天线上。因此不需要使用二向色子反射器，并且这也避免了分离馈源之间的耦合问题。
该馈源在三个频带L、S和C中同时进行接收和移动目标的单脉冲跟踪，并且该馈源轻便紧凑。

Claims (16)

1.一种用于抛物面天线的馈源(S)，包括：
-sigma辐射组件(1S、1C、1L)，其适于生成sigma信道，所述sigma辐射组件包括sigma辐射元件(11)和sigma馈电电路(12)，所述sigma辐射元件(11)位于所述馈源(S)的主发射/接收轴线(A)上，所述sigma馈电电路(12)用于为所述sigma辐射元件(11)馈电，以及
-delta辐射组件(2S、2C、2L)，其适于生成delta信道，所述delta辐射组件包括8个delta辐射元件(21S、21C、21L)以及delta馈电电路(22S、22C、22L)，所述delta辐射元件(21S、21C、21L)被布置在所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)周围，
其中，所述delta辐射元件被布置在一个圆上，所述圆的圆心在所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)上，并且，所述delta辐射元件被布置成两个连续的delta辐射元件之间呈45度的角距。
2.根据权利要求1所述的馈源，其中，所述sigma辐射元件(11)在与所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)垂直的平面中延伸。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，其中，所述sigma辐射元件(11)包括辐射贴片(111)和具有耦合槽(113)的接地平面(112)，所述耦合槽(113)以绕所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)旋转90度的恒定设计来布置。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，其中，每个delta辐射元件包括经由馈电点(225S、225C、225L)连接至delta馈电电路(22S、22C、22L)上的辐射贴片(211S、211C、211L)，全部的所述辐射贴片(211S、211C、211L)和所述辐射贴片(211S、211C、211L)的馈电点(225S、225C、225L)以绕所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)旋转45度的恒定设计来布置。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，其中，所述delta辐射元件包括第一delta辐射元件(21C)和第二delta辐射元件(21S)，所述第一delta辐射元件(21C)和所述第二delta辐射元件(21S)在与所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)垂直的同一平面内延伸。
6.根据权利要求5所述的馈源，其中，所述第一delta辐射元件(21C)和所述第二delta辐射元件(21S)相对于所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)被径向极化。
7.根据权利要求5所述的馈源，其中，每个第一delta辐射元件包括四分之一波长辐射贴片(213C)。
8.根据权利要求5所述的馈源，其中，每个第二delta辐射元件包括半波长辐射贴片(211S)和寄生贴片(215S)。
9.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，其中，所述delta辐射元件还包括第三delta辐射元件(21L)，每个所述第三delta辐射元件(21L)在与所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)平行的平面内延伸。
10.根据权利要求9所述的馈源，其中，所述第三delta辐射元件(21L)相对于所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)被切向极化。
11.根据权利要求9所述的馈源，其中，每个所述第三delta辐射元件(21L)包括半波偶极子(211L)。
12.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，其中，所述delta辐射元件(21S、21C、21L)包括四个一组的两组delta辐射元件(21S、21C、21L)，每一组由处于TE21模下的所述delta馈电电路(22S、22C、22L)馈电，一组的delta辐射元件(21S、21C、21L)相对于另一组的delta辐射元件(21S、21C、21L)以90度的相移来馈电。
13.根据权利要求1和2中任一项所述的馈源，包括三个sigma辐射组件(1S、1C、1L)和三个delta辐射组件(2S、2C、2L)，每个sigma辐射组件以不同的频带工作，每个delta辐射组件以所述频带之一工作，所述三个sigma辐射组件(1S、1C、1L)的所述sigma辐射元件(11)被分层布置并且以所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)为中心，以较高频带工作的所述sigma辐射元件(11)沿着电磁波传播的方向分层布置在以较低频带工作的所述sigma辐射元件(11)上方。
14.根据权利要求3所述的馈源，包括三个sigma辐射组件(1S、1C、1L)和三个delta辐射组件(2S、2C、2L)，每个sigma辐射组件以不同的频带工作，每个delta辐射组件以所述频带之一工作，所述三个sigma辐射组件(1S、1C、1L)的所述sigma辐射元件(11)被分层布置并且以所述馈源(S)的所述主发射/接收轴线(A)为中心，以较高频带工作的所述sigma辐射元件(11)沿着电磁波传播的方向分层布置在以较低频带工作的所述sigma辐射元件(11)上方，其中，以较低频带工作的所述sigma辐射元件(11)与以较高频带工作的sigma辐射元件(11)的所述接地平面相结合。
15.根据权利要求3所述的馈源，其中，所述辐射贴片(111)是铺片或平板。
16.根据权利要求4所述的馈源，其中，所述辐射贴片(211S、211C、211L)是铺片或平板。
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