CN109643855B - 多频段天线的天馈组件和多频段天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多频段天线的天馈组件，该天馈组件包括支持第一频段中的波的传播的第一馈线和支持低于所述第一频段的第二频段中的波的传播的第二馈线，其中：第二馈线同轴围绕第一馈线；并且第一馈线包括介电发射部和介电辐射部；其中，介电发射部和辐射部中的每一个都包括内腔、壁、以及壁的外表面上的亚波长元件。本发明还提供了一种多频段微波天线，包括碟形反射器、副反射器、以及根据前述本发明第一方面的天馈组件。

Description

多频段天线的天馈组件和多频段天线

技术领域

本发明涉及天馈组件和多频段天线。馈线组件和天线封装特别设计用于微波频段和毫米波段。

背景技术

基于抛物面碟面的多频段微波天线具有很长历史，该领域最重要的成就与空间通信和甚小口径终端(very small aperture terminal，VSAT)应用有关，其中，质量和尺寸的限制导致了极高性能微波与毫米波部件的设计与集成。

通常，对于空间通信应用，这些产品和部件的造价并非关键问题。另外，空间通信应用的标准技术要求不如地面通信的严格，在地面通信中，对于目前适用于微波回程的具有专业级和高性能的低成本多频段天线产品(根据ETSI EN 302标准)，宽带性能更难实现。

由于这些原因，传统地面无线链路使用两个或甚至更多个碟形天线用于微波段和毫米波段的独立传输，对塔的建造、安装、以及成本提出了高要求。

如今，尤其在点对点无线链路密度更高的城市环境中，地面无线网络的扩展需要对稀缺的塔资源进行精心管理和优化。这是减少天线部署难度、塔空间和风荷载、塔投资、以及租赁费用的极大动力。

因为需要同时实现高性能和灵活性要求以及满足与地面微波回程和毫米波无线链路相关的最严格的标准要求ETSI EN 302 217，因此多频段馈线天线的限额成本设计是一项挑战性的任务。

因此，需要一种可以低成本生产并具有紧凑型设计的多频段天线。

发明内容

鉴于上述问题和缺点，本发明旨在改进传统方案。本发明的目的在于提供一种多频段馈线组件和一种具有稳定相位中心的多频段天线。

所提出的发明提供了一种由具有非常高增益的单抛物面蝶形反射器制成的多频段天线，该多频段天线可以在不同宽带上发送和接收若干独立的无线信号。

例如，通过使用工作于从几GHz到高达几百GHz的频率范围内的不同频段的辐射器，根据本发明的天线的性能符合ETSI EN 302。

本发明基于这样的观察：相位中心，即电磁辐射从其向外球状扩散的点对天线工作的频段非常敏感。特别地，随着频率的增加，传统天线的相位中心的位置朝天线的开口端部连续移动。这一现象使天线的效率、峰值增益、和旁瓣图样性能变差。特别地，如果天线被设置为在特定频段内具有最佳性能，则天线在较高频段内的性能将因相位中心的位移而变差。因此，稳定的相位中心对于单碟多频段天线是重要的。

本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现。在从属权利要求中进一步定义了本发明的有利实施方式。特别地，本发明提出了一种亚波长元件。

本发明第一方面提供了一种多频段天线的天馈组件，该天馈组件包括支持第一频段中的波的传播的第一馈线和支持低于第一频段的第二频段中的波的传播的第二馈线，其中，第二馈线同轴围绕第一馈线，并且第一馈线包括介电发射部、介电辐射部、以及内腔。介电发射部包括壁和在壁的外表面上或壁上的亚波长元件。亚波长元件沿着第一馈线的纵向方向布置，并且每个亚波长元件的介电常数不同于介电发射部的介电常数。

亚波长元件能够实现稳定的相位中心，这使得宽带天线操作例如在天线频率、峰值增益、以及旁瓣图样方面具有稳定性能。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，亚波长元件的至少一个维度不大于第一频段中的波的波长的四分之一。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，亚波长元件包括：

径向穿透壁的孔，和/或围绕第一馈线的轴线在圆周方向上延伸的螺纹或槽。亚波长元件还可以包括围绕第一馈线的轴线在圆周方向上延伸的齿槽交替。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，亚波长元件填充有介电材料。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，相邻的亚波长元件彼此间隔亚波长元件的至少一个维度的相同数量级的距离。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，内腔的纵向尺寸大于与第一频段中的波的频率对应的波长。内腔的纵向尺寸可以是与第一频段中的波的频率对应的波长的至少五倍。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，第一馈线为雪茄状或杆状，第一馈线的直径小于与第一频段中的波的频率对应的一个波长。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，介电辐射部的壁的厚度沿第一馈线的轴线逐渐变小，直到辐射部的开口端部。例如，壁的厚度朝辐射部的开口端部逐渐减小，使得开口端部处的壁的厚度约为与第一频段中的波的频率对应的波长的百分之一。

亚波长元件与锥形壁的组合以制造复杂度的可负担的增加为代价，为设计具有最佳宽带性能和稳定相位中心的馈线提供了额外的灵活性。

根据本发明第一方面的天馈组件的另一实施方式，介电辐射部的壁由具有不同介电常数的材料形成。

本发明第二方面提供了一种多频段微波天线，该多频段微波天线包括碟形反射器、副反射器、以及根据本发明前述第一方面的天馈组件。

附图说明

通过参考附图更详细地解释本发明：

图1示出了多频段碟形天线；

图2示出了用于双频段操作的馈线组件；

图3示出了用于三重频段操作的馈线组件；

图4a-4b示出了包括亚波长元件的馈线的示例；

图5a-5b示出了包括亚波长元件的馈线的另一示例；

图6a-6b示出了包括亚波长元件的馈线的示例；

图7a-7b示出了包括亚波长元件的馈线的另一示例；以及

图8示出了包括具有如本文所述的亚波长元件的馈线组件的多频段天线的性能。

具体实施方式

本发明涉及多频段天线的馈线组件以及包括该馈线组件的多频段天线。

■多频段天线

图1示出了根据本发明的多频段天线的实施例。图1的(a)中的多频段天线可以是包括多频段馈线组件1、主反射碟5、和副反射器6的高增益碟形天线。多频段馈线组件1包括第一馈线2，第一馈线2具有沿着第一馈线的纵向布置的具有至少两个不同介电常数的亚波长元件(或亚波长结构)。将在下文详细描述的该亚波长元件降低了波在多频段天线中的传播速度。因此多频段天线的相位中心的偏移或位移被最小化，并且多频段天线能够具有稳定的相位中心。例如，就天线效率、峰值增益、和旁瓣图样而言，具有稳定相位中心的多频段天线具有能够实现稳定性能的宽频段天线操作的效果。

多频段馈线组件1可以具有不同的结构。图1的两个底部插图(b)和(c)示出了馈线组件1的两个不同示例的轴向剖面图，这两个示例为示例性三重频段馈线组件和示例性双频段馈线组件。这两种组件将在后面的部分中描述。

■双频段馈线组件

图2示出了双频段馈线组件的示例。该双频段馈线组件包括第一馈线2和同轴围绕第一馈线2的第二馈线4。该双频段馈线组件可以是轴对称的，并且第二馈线4可以具有平滑壁。

第一馈线2支持第一频段中的波的第一传播。第二馈线4支持低于第一频段的第二频段中的波的第二传播。例如，第一频段可以是传统上可用于地面无线通信的毫米波段，第二频段可以是微波段。相应地，第一馈线2可以用作毫米波馈线，第二馈线4可以用作微波馈线。毫米波段的最高频率可以用于高达太赫兹频率(例如覆盖从71GHz到0.95THz范围或甚至更高频率的无线服务的任意频段)的无线链路。

第一馈线2包括具有至少两种不同介电常数的亚波长元件。该亚波长元件降低了第一频段中的波的传播速度。因此，双频段天线的相位中心的偏移或位移被最小化，并且多频段天线能够具有稳定的相位中心。

以下描述双频段馈线组件中第一馈线2和第二馈线4中的每个的示例。

如图2所述，馈线2包括正交模式转换器(ortho mode transducer，OMT)21、圆波导25、多阶介质-波导转换22、介电发射部23、和介电辐射部24。介电发射部23和介电辐射部24均包括内腔、壁、和在壁的外表面上的亚波长元件。圆波导25支持在最高频段(例如，毫米波段)的TE11或HE11传播模式，并被第二馈线4的微波同轴波导OMT 41围绕。另外，圆波导25由OMT 21馈电，并用于激励多阶介质-波导转换22。多阶介质-波导转换22给介电发射部23和介电辐射部24馈电。可以看出，馈线2可以由TE11波导模或低损耗HE11混合波导模激励，这是因为，这两种激励模式都允许宽带匹配。

根据频率，波导(waveguide)25可以由导电材料或介电材料构成。一般地，待通过的频率越低，波导越大。波导传播模式取决于操作波长和极化以及波导(guide)的形状和尺寸。波导的纵模为由限制在腔内的波形成的特定驻波图样。横模分为横向电场(transverseelectric，TE)模、横向磁场(transverse magnetic，TM)模、横向电磁场(transverseelectromagnetic，TEM)模、以及混合(hybrid)模。具有最低截止频率的模式称为波导的主模。混合模在传播方向上具有电场分量和磁场分量。

可以选择波导使得在工作的频段上仅有一种模式。

可选地，第一馈线2可以是介质棒馈线。该介质棒馈线可以由一片介电材料制成，并且适用于毫米波和太赫兹频率下的宽带操作。

馈线4包括可以由圆波导的TE11模激励的双模圆锥喇叭。例如，馈线4包括输入端口矩形波导46、多阶阻抗变换器45、双支分配器44、同轴波导OMT 41、同轴波导双模阶跃转换42、以及平滑壁锥形喇叭辐射部43。输入端口矩形波导46连接到激励双支分配器44的矩形波导接头的多阶阻抗变换器45。分配器44的这两个分支连接到同轴波导OMT 41，同轴波导OMT 41与同轴波导双模阶跃转换42和平滑壁锥形喇叭辐射部43并排，平滑壁锥形喇叭辐射部43在多频段馈线组件1工作的低微波频段中辐射TE11模和TM11模。然而，当在低频微波段中需要非常宽的波段操作时，波纹喇叭可以代替平滑壁微波馈线4。

可以看出，图2中的馈线2不与属于低频微波馈线4的周围同轴波导部件41、42、43、44、45、和46相互作用。因此，能够实现具有两个馈线的最佳性能的独立最佳操作，而无需添加任何滤波器或隔离器组件。

■三重频段馈线组件

图3示出了三重频段馈线组件的示例。该三重频段馈线组件包括第一馈线2、第二馈线4、以及两个或多个第三馈线3的阵列。第二馈线4同轴围绕第一馈线2和第三馈线3。

第一馈线2和第二馈线4的结构分别与上述双频段馈线组件中的第一馈线2和第二馈线4相同。该三重频段馈线组件中的第一馈线的尺寸取决于三重频段馈线组件的第一和最高操作频率。

馈线3的轴对称圆形阵列围绕高频馈线2有规则地间隔开。每个第三馈线3的结构也与上述双频段馈线组件中的第一馈线2的结构相同，但第三馈线3的尺寸取决于三重频段馈线组件工作的第三频段。

第一馈线2支持第一频段中的波的第一传播，第三馈线3支持低于第一频段的第三频段中的波的第三传播，并且第二馈线4支持低于第三频段的第二频段中的波的第二传播。也就是说，最外面的馈线4对最低频段即第二频段中的波起作用。例如，第二频段可以是传统上可用于地面无线通信的微波频段，第三频段可以是毫米波频段，并且第一频段可以是太赫兹波段。相应地，第二馈线4可以用作微波馈线，第三馈线3可以用作毫米波馈线，并且第一馈线2可以用作太赫兹馈线。毫米波频段的最高频率可用于高达太赫兹频率的无线业务。

第一馈线2和/或第三馈线3还包括至少两种不同介电常数的亚波长元件。亚波长元件可以降低第一频段和/或第三频段中的波的传播速度。因此，双频段天线的相位中心的偏移或位移被最小化，并且多频段天线能够具有稳定的相位中心。

以下描述三重频段馈线组件的第一馈线2、两个或多个第三馈线3的阵列、以及第二馈线4中的每个的示例。

如图2所示，第一馈线2包括OMT 21、圆波导25、多阶介质-波导转换22、介电发射部23、以及介电辐射部24。介电发射部23和介电辐射部24均包括内腔、壁、以及壁的外表面上的亚波长元件。圆波导25支持在最高频段(例如，太赫兹波段)的TE11传播模式，并被微波同轴波导OMT 41围绕。另外，圆波导25由OMT 21馈电，并用于激励给介电发射部23和介电辐射部24馈电的多阶介质-波导转换22。可以看出，这里，馈线2也可以由TE11波导模或由低损耗HE11混合波导模激励，这是因为，这两个激励模式都允许宽带匹配。

可选地，第一馈线2可以是介质棒馈线。该介质棒馈线可以由一片介电材料组成，并且适用于毫米波和太赫兹频率下的宽带操作。

两个或多个毫米波馈线3阵列中的每个第三馈线3都包括激励波导-介质转换32的圆形波导35。波导-介质转换32之后是介电发射部33，最后是介电辐射部34。每个圆形波导35都由相关的OMT 31馈电，这实现了毫米波馈线3的双极化操作。因此，所有馈线2和馈线3都是轴对称的，以正确地实现双极化操作。每个第一馈线2和第三馈线3都可以是介质棒。每个第三馈线3同样由一片介电材料制成，并与相关的激励波导35一起沿着组件的对称轴居中。

这里的第二馈线4还包括可以由圆波导的TE11模激励的双模锥形喇叭。例如，微波馈线4包括输入端口矩形波导46、多阶阻抗变换器45、双支分配器44、同轴波导OMT 41、同轴波导双模阶跃转换42、以及平滑壁锥形喇叭辐射部43。输入端口矩形波导46连接到激励双支分配器44的矩形波导接头的多阶阻抗变换器45。分配器44的这两个分支连接到同轴波导OMT 41，同轴波导OMT 41与同轴波导双模阶跃转换42和平滑壁锥形喇叭辐射部43并排，平滑壁锥形喇叭辐射部43在多频段馈线组件1工作的较低微波频段中辐射TE11模和TM11模。然而，当在低频微波段中需要非常宽的波段操作时，波纹喇叭可以代替平滑壁微波馈线4。

可以看出，馈线2和馈线3都不与属于低频微波馈线4的周围同轴波导部件41、42、43、44、45、和46相互作用。

■亚波长元件

图4a-7b示出了上述亚波长元件的示例。亚波长元件具有至少两种不同的介电常数，并且可以包括在上述双频段馈线组件和三重频段馈线组件中。特别地，亚波长元件可以布置在上述第一馈线2和/或第三馈线3中。以下描述第一馈线2作为示例。以下的描述同样适用于第三馈线3。如上所述，第一馈线2包括介电发射部23和介电辐射部24以及内腔。介电发射部23和/或介电辐射部24包括壁和亚波长元件，亚波长元件在壁上或者在壁的外表面上。亚波长元件或结构可以有不同形状。亚波长元件可以具有诸如宽度、长度、高度、或直径的若干维度。亚波长元件的至少一个维度或特征维度小于与第一馈线的工作频率对应的波长。亚波长元件按顺序布置，并且相邻的亚波长元件彼此间隔亚波长元件的特征维度的相同数量级的距离。在实施方式中，如果亚波长元件的特征维度小于与馈线的工作频率对应的波长的四分之一，那么相邻亚波长元件之间的距离将大约是该波长的四分之一。亚波长元件的介电常数可以不同于第一馈线的壁的介电常数。亚波长元件可以包括在壁的外表面上的孔或螺纹。亚波长元件还可以包括由具有不同介电常数的若干层介电材料形成的外表面的一部分。亚波长元件可以是，例如，齿、槽、或彼此相邻的齿槽对(每对含一个齿和一个槽)。这些元件可以被布置为形成介电馈线的波纹外表面，或类似地，可以布置在螺纹外表面上。

或者，如下文中更详细地描述的，亚波长元件可以是有不同介电常数并沿着第一馈线的纵向方向按交替顺序布置的壁的部分。

可选地，亚波长元件的至少一个维度，或特征维度，不大于第一频段中的波的波长的四分之一。

亚波长元件可以是环形。在这种情况下，特征维度可以是亚波长元件的直径。

或者，亚波长元件可以是正方形或矩形。正方形或矩形的亚波长元件的特征维度可以是正方形的边长或矩形的宽或高。或者，特征维度可以是亚波长元件的对角线。

根据另一实施方式，亚波长元件可以是螺纹(在下文中讨论)。在这种情况下，特征维度可以是螺纹的宽度。

显然，只要亚波长元件的至少一个维度小于与馈线的工作频率对应的波长的四分之一，就可以根据使用的制造工艺和馈线的设计，选择其他形状的亚波长元件。

1、孔或螺纹

亚波长元件可以有不同的结构或形状。例如，亚波长元件可以包括孔或螺纹。从图4a和4b中可以看出，孔262可以在径向方向上穿透介电发射部23和/或介电辐射部24的壁。

图5a-5b示出了基于图4a-4b的馈线的设计，其中，馈线的壁或馈线的发射部23朝着辐射部24的方向逐渐变细。

图6a-6b示出了第一馈线的示例，其中，亚波长元件由发射部23的外壁上的沿着馈线的纵向方向顺序布置的周向槽252给出。在等效的实施方式中，如图7a-7b所示，周向槽可以被发射部23外壁上的螺旋螺纹272代替。螺纹可以围绕第一馈线2的轴在周向延伸。在该实施方式中，亚波长元件的特征维度为螺纹或槽的宽度。螺纹或槽彼此间隔亚波长元件的至少一个维度的相同数量级的距离。

借助于多个(两个或更多)上述孔或者借助于螺纹，如图4b、5b、6b、和7b所示，外表面是不均匀的或为波纹状。

馈线的外壁可以包括齿，每个齿也可以认为是亚波长元件。齿可以在至少两个诸如槽252或者孔262的凹陷之间。每个槽或孔的特征维度不大于与馈线的工作频率的对应的波的波长的四分之一。每个齿的维度也不大于第一频段中的波的波长的四分之一。

通过使用具有上述结构的亚波长元件，在工作的宽带(宽度为相对带宽的20％)上获得了馈线的“波束(Beam)”的几乎稳定的增益和形状。在图8中可以看出，该示例性馈线的增益值等于18.5dBi，并且在宽带宽(宽为19％)中等间隔分布的所有频率(71GHz,76GHz,81GHz,86GHz)都几乎恒定。对应地，波束的形状在任意频率也几乎保持恒定。

孔可以有不同的形式，比如圆孔、矩形孔等。可选地，孔可以为通孔以及盲孔。图4a-4b示出了包括穿透介电发射部23或介电辐射部24的壁的圆形通孔的亚波长元件的具体示例。

可选地，内腔的纵向尺寸大于与第一频段中的波的频率对应的波长。内腔的该纵向尺寸可以增加第一馈线的方向性。内腔的纵向尺寸可以是与第一频段中的波的频率对应的波长的至少五倍。

可选地，第一馈线为雪茄状或杆状，第一馈线的直径小于与第一频段中的波的频率对应的一个波长。杆状馈线是“端射(end-fire)”介电杆辐射器的新概念，因其具有亚波长元件。

可选地，例如如图5a-5b所示，介电辐射部24的壁的厚度沿着第一馈线的轴向逐渐减小，直到辐射部24的开口端部。例如，壁的厚度朝辐射部24的开口端部逐渐减小，使得开口端部处的壁的厚度约为与第一频率中的波的频率对应的波长的百分之一。

第一馈线2的壁在若干波长上连续(即没有阶跃)变细，直到其开口端辐射部。在开口端，第一馈线的壁可以如与第一频段中的波的频率对应的波长的百分之一一样薄。亚波长元件与锥形壁的组合以制造复杂度的可负担地增加为代价，为设计具有最佳宽带性能和稳定相位中心的馈线2提供了额外的灵活性。

2、具有不同介电常数的材料

如上所述，亚波长元件的介电常数不同于介电发射部23和/或介电辐射部24的介电常数。例如，在亚波长元件为孔、槽、或螺纹的情况下，亚波长元件的介电常数可以是例如空气的介电常数。亚波长元件或者可以是介电发射部23和/或介电辐射部24的一部分。在这种情况下，亚波长元件的介电常数可以是形成亚波长元件的材料的介电常数。例如，亚波长元件可以通过用介电材料填充孔或槽或螺纹而获得。在另一实施方式中，可以形成具有不同介电常数的不同介电材料层。

因此，介电辐射部24和/或发射部23可以称为非均匀介电辐射部24和/或非均匀介电发射部23。

根据示例，上述孔、螺纹、或槽可以由空气填充，空气可以认为是一种介电材料。在这种情况下，壁的外表面是波纹状或非平滑的。

根据另一示例，亚波长元件用介电材料填充。在这种情况下，壁的外表面可以是平滑的、非波纹状的。另外，介电辐射部24和/或发射部23的壁可以包括沿着径向的两层或多层，并且每两个相邻层由具有不同介电常数的材料形成。术语介电常数也可以称为折射率。亚波长元件的优选介电材料的特征在于低介电常数(例如，介于1和2.6之间)，以便获得馈线的宽带操作。

然而，显而易见的是，除了这里公开的示例性形状之外，还可以有许多可能的其他形式的设计和构造，并且这些设计和构造仍然在本发明的范围内。此外，尽管结合第一馈线2描述了亚波长元件，但应清楚的是，多频段天线组件中的任何馈线和端射辐射器都可包括如上参考第一馈线2所述的亚波长元件。

图8是包括在本发明的多频段天线组件中的示例性馈线1的辐射方向性能的图。可以看出，在每个落在该馈线1的工作的全带宽(19％)的频率上，辐射方向几乎恒定，并且峰值增益稳定；因此，馈线1的该特性有利于整个多频段天线符合ETSI EN 302的要求。

Claims (10)

1.一种多频段天线的天馈组件，包括支持第一频段中的波的传播的第一馈线(2)和支持低于所述第一频段的第二频段中的波的传播的第二馈线(4)，其中：

所述第二馈线(4)同轴围绕所述第一馈线(2)；以及

所述第一馈线(2)包括介电发射部(23)和介电辐射部(24)以及内腔；

其中，所述第一馈线(2)包括壁和沿着所述第一馈线的纵向方向布置在所述壁的外表面上或所述壁上的亚波长元件，其中，所述亚波长元件的介电常数不同于所述第一馈线(2)的所述壁的介电常数；

其中，所述亚波长元件的至少一个维度不大于所述第一频段中的波的波长的四分之一，所述至少一个维度包括所述亚波长元件的宽度、长度、高度、或直径。

2.根据权利要求1所述的天馈组件，其中，所述亚波长元件包括：

径向穿过所述壁的孔；和/或

围绕所述第一馈线的轴线在圆周方向上延伸的螺纹或槽。

3.根据权利要求1所述的天馈组件，其中，所述亚波长元件填充有介电材料。

4.根据权利要求1所述的天馈组件，其中，相邻的所述亚波长元件彼此间隔所述亚波长元件的所述至少一个维度的相同数量级的距离。

5.根据权利要求1所述的天馈组件，其中，所述内腔的纵向尺寸大于与所述第一频段中的所述波的频率对应的波长。

6.根据权利要求5所述的天馈组件，其中，所述内腔的所述纵向尺寸是与所述第一频段中的所述波的所述频率对应的所述波长的至少五倍。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的天馈组件，其中，所述第一馈线为雪茄状或杆状，所述第一馈线的直径小于与所述第一频段中的所述波的频率对应的一个波长。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的天馈组件，其中，所述第一馈线(2)的所述壁的厚度沿所述第一馈线的轴线逐渐变小，直到所述介电辐射部(24)的开口端部。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的天馈组件，其中，所述第一馈线(2)的所述壁的厚度朝所述介电辐射部(24)的开口端部逐渐减小，使得所述开口端部处的所述壁的厚度约为与所述第一频段中的所述波的频率对应的波长的百分之一。

10.一种多频段微波天线，包括碟形反射器(5)、副反射器(6)、以及根据权利要求1-9中任一项所述的天馈组件。

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