CN107039764A - 天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明的盖用于特定波长的电磁辐射的天线，包括单元凸起的层。当从层的上侧或下侧观看时，凸起内部的层以与波长的大约1/4相对应的距离从凸起外部的层隔开。凸起形成了伪三层结构的类型，其实际上仅包括一层材料。由于凸起，两个虚拟内层和外层各自具有比固体材料低的有效介电常数，这对于抑制反射的程度和可实现的带宽具有有利的影响。

Description

天线罩

技术领域

本发明涉及一种用于天线的盖，其特别用于移动卫星通信的天线系统。

背景技术

在恶劣的环境条件下所使用的天线，如在移动卫星通信中的天线系统的情况下所使用的天线，无论它们是便携式的还是安装在飞机或其它车辆上，都应该被覆盖，以防止污染或损坏。

专利文献DE102010019081A1示出了这种类型的天线，其被设计为喇叭天线阵列。

依据使用天线的方式，关于需要哪种保护的条件范围可以包括湿度、雨、沙、灰尘、化学品、闪电、与鸟类的碰撞(在飞机的情况下)等等。天线的天线罩(盖)的电气性能或高频性能能力与关于前述环境因素的保护功能同样重要。这由电损耗和交叉极化(cross-polarization)的抑制来指示。

电损失本质上是反射损失和耗散损失。而耗散损失是使用的材料的介电性能所引起的，反射是高频设计的质量所限定的。对材料的几何形状和结构的巧妙选择能够使得对于期望的使用区域和频率范围的反射损失最小化。

根据现有技术，选择不同复合材料和类似材料的多层夹层结构用于天线的盖(天线罩)。例如，在专利文献DE19902511A1中说明了用于天线的盖的基本设计和功能。

传统的夹层式天线罩具有三个互连的层：内衬、天线罩芯(厚度等于波长的1/4，可容许的最小的介电常数)以及外衬。在两个反射层互相之间以波长的1/4的距离隔开的情况下，所得到的两个子反射彼此抵消，因为两个子波的相位差等于2×波长的1/4，即180°。这将盖处的波的反射保持到低水平。制造这些天线罩需要粘合、层压和复合技术的相应知识，以及不同材料的均衡选择。

在一些应用中，诸如在飞机中，天线罩被弯曲以提高安装在机身上的天线的空气动力学性能。例如，在专利文献WO2014/005691A1中已知，天线罩，即天线的盖，能够显示由于曲率引起的极化各向同性，这能够导致通过天线罩的圆极化信号的轴比的显著变化。在专利文献DE102010019081A1中，已经在空气动力学上优化了天线罩。

从专利文献US20100309089A1中已知了带有一些偶极子元件(dipole elements)的天线。偶极子元件设置有具有蜂窝状结构的盖，从而在偶极子元件和用于每个偶极子元件的单独的天线罩之间形成间隔。

发明内容

本发明的目的是简化关于夹层式设计的盖的结构。利用具有权利要求1的特征的盖来实现该目的。

为此目的，用于特定波长的电磁辐射的天线的盖包括具有均匀布置的多个单元凸起的层。当从层的上侧或下侧观看时，凸起内部的层以与波长的大约1/4相对应的距离从凸起外部的层隔开。盖以及层的下侧随后在天线的辐射方向上以与天线间隔开的关系被安装，由此形成天线的天线罩。

在天线的辐射方向上，即，正交于天线的孔径的方向上，层具有不同轮廓的单元凸起。依据凸起的形状，通常从层的两侧呈现出凸起的不同的视图。然而，还可以想到的是，如果凸起是精确的正方形且被对角线布置或者如果它们是锥形的，则产生盖的相同视图。

通过凸起而获得伪三层结构的类型，即使其实际上仅包括一层材料。由于凸起，两个虚拟的内层和外层各自具有比固体材料低的有效介电常数，这对于抑制反射的程度和可实现的带宽具有有利的影响。凸起的深度或伪内/外层的间距(如在传统的夹心天线罩中)设置为波长的大约1/4，以便使反射最小化。盖能够被双向操作；即盖的下侧或上侧能够面向天线孔径，或能够实现类似微弱反射用以发射和接收操作。

盖稍微从天线的表面隔开；即，盖的下侧不在天线上，而是以如下方式隔开：天线的发射的波在盖的区域中基本上是平面。通常，这是当隔开空间是波长的1/4时的情况。

如果要在天线与盖之间放置极化滤波器(极化层)，则天线与盖之间的中空空间将必须更大。例如，那么该距离将有利地为波长的至少1/2。

为了避免在天线的边缘处的失真，盖应该在x和y方向上超过天线地突出。在与大约一个波长同样小的突出的情况下，该失真变得能够忽略不计。

上侧有利地以小于波长的1/4从下侧隔开。因此，层是非常薄的；具体地，层的厚度在0.5mm与3mm之间。此处，在机械稳定性(尽可能厚的层)和在层的下侧和上侧上的低耗散损耗或叠加反射(层尽可能薄)之间选择最佳值。

根据本发明的另一有利实施例，凸起在上侧和下侧的x和y方向上是对称地成形的，并且/或者它们互相被布置成在上层和/或下侧的x和y方向上产生凸起的对称分布。从而，盖还适合于圆极化的电磁辐射。在圆极化中，必须相同地处理两个正交场分量，否则会发生不期望的交叉极化效应。对于纯线性极化，不对称的，例如矩形的凸起或凸起组可能是有益的。

如果层的上侧和下侧的面积总和近似相等，则存在本发明的额外的进一步发展。因此，在凸起内部和外部反射的信号强度近似相等，这优化了抵消效果。

为了在维持大的稳定性程度的同时保持层尽可能薄，有利的是在凸起周围，除了侧壁之外，在上侧与下侧之间，还设置至少一个强化部。该强化部在凸起之间连接上侧和下侧。另一生产相关的优点在于，强化部在凸起处的宽度比其在远离凸起处的宽度宽。这使得易于通过弯曲而铣削盖，并且改善了凸起之间的力的耗散。用于盖的可选的制造工艺包括深拉、注射成型或3D打印，其中，为此目的，在上侧与下侧之间的侧壁有利地被略微锥形化。

由于凸起的均匀布置，盖特别良好地适用于由喇叭天线阵列制成的天线。因此，凸起和喇叭天线能够相互定向。为了朝着喇叭天线的中心定向喇叭天线的辐射图，有利的是将强化部或侧壁布置在喇叭天线的中心。强化部或侧壁含有较大体积的层材料。作为替代，在x和y方向上相邻的凸起之间的层的点(中点)被定向至喇叭天线的中心。

能够相对自由地选择凸起在x和y方向上的尺寸，并且其代表电气性能与机械稳定性之间的折衷。凸起越大，伪芯(凸起内的中空空间)的有效介电常数越低，反射越低，重量越低，但是在某个时间点处的结构越脆弱。

通过如本发明中所示的适当的机械强化部，能够达成机械稳定性与高的电气性能之间的良好的折衷。本文引入的天线罩使用了与蜂窝或蛋箱相似的形状，以在轻重量下实现最大可能的机械稳定性。

为了最小化在整个喇叭天线阵列上的盖上的反射并且使它们均匀地分布，有利的是，喇叭天线在x和y方向上的尺寸等于一个单元凸起的尺寸，或者是等于一个单元凸起的尺寸多倍甚至是其分数。

有利的是，凸起基本上是方形的，但是它们也可以在侧壁与上侧和/或下侧之间或者在侧壁之间的过渡区域中具有与生产相关的弯曲部，以使其更易于利用铣削而制造。

已经发现层能够由诸如聚丙烯，聚乙烯或聚酰胺这样的合成材料而构成，并且特别地，从这组材料中选择具有低介电常数的材料。

对于测试的应用，这里强调的天线被安装在用于X波段(7.25GHz-8.40GHz)的便携式卫星终端上，已经证明有利的是，每平方米布置多于1000个凸起；例如，对于X频带，这意味着在1000与1200之间。对于被优化到X频带的中心频率的盖，凸起宽度为大约3cm。在用于卫星通信的该类型的应用中，盖被安装在天线的辐射元件阵列上，特别地在喇叭天线阵列上，从而形成密封。然而，盖还能够被用于其它类型的天线。此处引入的天线罩被优化用于X频带中的便携的、移动的应用；然而，其能够被重新调节用以其它频率范围。

天线与盖之间的中空空间通常被空气填充。为了获得大程度的机械稳定性，该中空空间还能够是泡沫。

对于便携卫星接收器/发射器，盖的侧壁垂直于天线，因为没有特别的空气动力学需求。在盖被定位在气流中的飞行器上的应用中，可能有利的是，上侧的凸起填充有导致光滑表面的材料，并且同时具有接近于空气的介电常数。

到目前为止，盖的形状已经被描述为基本上为平面并且平行于天线。对于前述的在飞行器上的应用，有利的是，将盖弯曲成在空气动力学上更有利的形状，例如抛物面。

通过在层的上侧上涂覆具有无金属颗粒的抗UV保护漆层而提供盖层的附加保护。清漆的介电常数应该特别低，优选地甚至小于该层的介电常数。

附图说明

图1示出根据本发明的带有盖的天线。

图2示出根据本发明的带有盖的天线的细节。

图3示出盖的结构轮廓以及喇叭天线阵列的结构轮廓的主视图。

图4-6示出盖的单元凸起的不同视图。

图7-8示出带有多个凸起的盖的细节。

图9示出在X频带中的盖的反射行为。

附图标记

盖 1

层 2

支撑部 2a

凸起 3

上侧 4

下侧 5

侧壁 7

弯曲部 6

强化部 8

喇叭天线的中心 9

天线 10

喇叭天线 11

辐射元件阵列 12

极化器 13

单辐射元件边缘 14

收缩部 15

波纹 16

卫星接收器 20

距离(隔开) d

频率 f

反射系数 r

波长 λ

具体实施方式

图1示出根据本发明的带有盖1的天线10的立体图。图示出了天线10的特别带有多个喇叭天线11的辐射元件的阵列12。同样属于天线10的馈送网络将各个喇叭天线11连接到发射和接收单元(未示出)。

将盖1以如下方式安装到天线10，即维持了大于或等于天线的波长的1/2的空间并且形成密封，从而环境影响不会影响天线10的操作。盖1基本上是平面的并且由下面进一步说明的聚四氟乙稀层(Teflon layer)2和相同材料的支撑部2a组成。支撑部将层2从天线10分开，使层2与辐射元件阵列12平行对准并产生密封。层2在其上侧4上具有清漆的保护涂层。

曲折型极化层(未示出)能够被引入到辐射元件阵列12与盖1之间示出的中空空间中。曲折型极化层将线性极化波转换为圆形极化波。

层2和辐射元件阵列12基本上是平面的，但是两者都具有垂直于该平面的结构。通过铣削形成这些结构。

它们在图2中示出。辐射元件阵列12的喇叭天线11被实施为具有附加波纹16的脊状喇叭天线。然而，还可以使用其它形式的喇叭天线。

脊状喇叭天线在孔径端处(朝向喇叭天线11的开口)由单辐射元件边缘14围绕，该单辐射元件边缘14通过波纹16从脊状喇叭天线分离。这里，单辐射元件边缘14以与孔径表面间隔开的关系连接到单辐射元件。

脊状喇叭天线的脊部(收缩部)15降低截止频率，使得能够减小用于此处感兴趣的频率范围的安装尺寸。波纹16提高了匹配度并且降低了不期望的交叉极化。该布置的结果是来自脊状喇叭天线的波与来自波纹16的波叠加；此处，以如下方式确定波纹16的尺寸：使得进入波纹16并且在波纹的端部处被反射的波在结构上被来自脊状喇叭天线的波叠加。

单辐射元件边缘14具有矩形形状(具有制造相关的圆角)，该矩形形状的中心处布置了脊状喇叭天线。从而，能够容易地组合若干这种类型的单辐射元件，以在不损失空间的情况下形成喇叭天线阵列12。单辐射元件边缘14的正方形轮廓在两个方向上简化了这种组合。利用脊状喇叭天线的中心化布置，将辐射图定向到单辐射元件的中心。考虑到在电场耦合的情况下可以补偿该辐射图到电场耦合侧的轻微倾斜，脊状喇叭天线的布置也可以稍微偏离中心。

波纹16具有相对于孔径区域大致垂直的壁；即，波纹16直接向孔径区域开口并且避免了倾斜，否则将导致平行于孔径区域的空间需求增加。

需要的脊部的数量取决于所支持的极化的数量。根据图2的脊状喇叭天线具有四个交叉布置的脊部，其中每个脊部都面向脊状喇叭天线的中心。该布置大致是对称的，使得两个脊部之间的角距离是180°或90°。在专利文献DE102014112825A1中能够得到脊状喇叭天线上的其它细节。

在图3中示出了辐射元件阵列12上的盖1的可能的排列。下面参考喇叭天线11的中心9来说明盖1的凸起3的轮廓。根据图3，不是凸起3被定向到喇叭天线11的中心9，而是在凸起3之间的圆形交叉形式的补充部被定向到喇叭天线11的中心9。以该方式，下面说明的强化部8位于单辐射元件边缘14上。该布置有助于相邻的喇叭天线11的辐射图的解耦，并且还在中心9处提供了高材料密度的层2。

可选择地，凸起3之间的强化部8能够被定向到喇叭天线的中心9。此处，盖的增强的材料密度能够使得喇叭天线的辐射图被定向到中心9。

在图4至6中图示出层2的前述单元凸起3。与层2的距离d相比，层2相对薄，在此情况下是1.2mm，所述距离d是通过层2的上侧4与下侧5之间的凸起3产生的。

从上侧4观看(图4)，能够看到强化部8在凸起3的侧壁7之间，朝向相邻的凸起(未示出)。侧壁7与层2的上侧4和下侧5垂直。在从强化部8到凸起3的侧壁7的过渡区域中，强化部8较宽。弯曲部6不仅设置在从强化部8到侧壁7的过渡部处，而且设置在凸起3中的侧壁7之间(见图5)。

在图5中描绘的凸起3中，能够较清晰地看见凸起3的方形的基本形状。层2的上侧4(图4)和下侧5(图5)都是平面，但是该上侧4和下侧5因凸起3的深度(距离d，图6)和层2的厚度而分开。

图6示出了层2的厚度明显小于从凸起3内侧的层2的下侧5到凸起3内侧的距离d，在当前情况下层2的厚度例如为1.2mm。距离d通过天线的电磁辐射的波长而确定。对于频率带，例如，X频带中的7.25GHz-8.4GHz，选择中心频率，此处为f＝7.825GHz，来确定距离d。距离d由波长λ的1/4产生，因此在这种情况下d＝c/4×f，近似1cm，其中c是光速。

图7和图8示出了从上侧4(图7)和下侧5(图8)观察的具有多个凸起3的层2的远视图。不仅凸起3自身在平面层2的x和y的两个延伸方向上是对称的；凸起3的布置，即，单元凸起之间的距离在x和y两个方向上在整个表面上也保持恒定。每平方米的凸起3的数量在1000至1200之间，如果在本情况下，每个喇叭天线11选择一个凸起3。作为替代，一个凸起3也可以覆盖4、9、16个等的喇叭天线11，或者反过来，也可以为每个喇叭天线11设置4、9、16个等的凸起。

因此，尽管仅具有一个层2，但是为天线10提供由间隔了1/4波长λ的两个部分组成的虚拟多层结构。并且，由于凸起3内部的高空气含量，使得得到了显著低于层2的材料的有效介电常数，这表示在X频带的带宽上的低反射(图9)。

在确定凸起3的尺寸时，注意上侧4的层2的面积(意味着凸起3内的上侧)的总和等于下侧5的层2的面积(凸起3的外侧)的总和。从而，两个反射区域具有在层2处反射的光束的大致相同的比例，并且可以彼此抵消。

图9示出所示的盖的反射系数r。在7.25GHz-8.4GHz的范围内的反射量<-30dB，这意味着小于0.1％的天线功率被反射。在该情况下反射损失基本上是零；只剩下取决于材料的内部耗散损耗。

这里示出了用于X频带的天线的非常有效的盖(天线罩)，其能够用于移动卫星通信中的便携式天线。然而，根据指定的设计标准，该盖还能够被重调尺寸用于其它频带。

Claims (15)

1.一种用于波长(λ)的电磁辐射的天线(10)的盖(1)，包括：

层(2)，该层(2)具有多个单元凸起(3)，

其中，

当从所述层(2)的上侧(4)观看时，在所述凸起(3)内的所述层(2)以距离(d)从所述凸起(3)的外侧的层(2)隔开，所述距离(d)相当于波长的大约1/4；并且

所述层(2)的下侧(5)以在辐射的方向上从所述天线(10)隔开的关系而被布置。

2.根据权利要求1所述的盖(1)，其中所述上侧(4)以小于所述波长(λ)的1/4而从所述层(2)的下侧(5)分开，并且具体地，所述层(2)的厚度在0.5与3mm之间。

3.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述凸起(3)在所述上侧(4)的x和y方向上是对称地成形的。

4.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述凸起(3)相对于彼此布置成在所述上侧(4)的x和y方向上产生所述凸起(3)的对称分布。

5.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中凸起(3)内部的区域部分的总面积大约等于所述层(2)的凸起(3)的外部的总面积。

6.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中在所述凸起(3)周围在所述上侧(4)与所述下侧(5)之间，除了侧壁(7)，还设置了至少一个强化部(8)，以在两个凸起(3)之间连接所述上侧(4)与下侧(5)，其中，所述强化部(8)在所述凸起(3)处的宽度比所述强化部(8)在远离所述凸起(3)处的宽度宽。

7.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述天线(10)包括喇叭天线阵列。

8.根据权利要求6和7所述的盖(1)，其中在x和y方向上相邻的凸起(3)之间的强化部(8)或所述层(2)的点被定位到喇叭天线(11)的中心(9)。

9.根据权利要求7或8所述的盖(1)，其中所述喇叭天线(11)在x和y方向上的尺寸等于一个单元凸起(3)的尺寸，或者是单元凸起的尺寸的倍数或者分数。

10.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述凸起(3)是大致方形的，特别地在从侧壁(7)到所述上侧(4)和/或下侧(5)的过渡部或在所述侧壁(7)之间具有制造相关的弯曲部(6)。

11.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述层(2)由聚丙烯，聚乙烯或聚酰胺组成。

12.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中每平方米布置了用于X频带的多于1000个凸起(3)，特别地布置1000至1200个凸起(3)。

13.根据前述权利要求之一所述的盖(1)，其中所述层(2)是平面并且涂有保护涂层。

14.一种用于卫星通信的天线(10)，包括辐射元件阵列(12)和根据前述权利要求的任意一项所述的盖(1)，所述盖用于密封所述辐射元件阵列(12)，并且被安装成相对于所述辐射元件阵列隔开。

15.根据权利要求14所述的天线(10)，其中所述天线(10)被安装在用于X频带的便携卫星终端(20)上。