CN113261159B - 复合人造介电和多频带天线馈线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了天线馈线组件和包括该天线馈线组件的多频带微波天线。天线馈线组件包括附接至第二馈线的第一馈线，第一馈线被配置成传播第一频带的电磁波，并且第二馈线被配置成传播低于第一频带的第二频带的电磁波，其中：第一馈线是喇叭形的，并且由至少一种第一介电材料形成；并且第二馈线包括辐射元件的阵列和具有各向异性折射率的亚波长元件层。多频带微波天线包括碟式反射器、副反射器以及根据本发明的前述实施方式的天线馈线组件。天线馈线组件的特定设计使得能够实现适当配置的高增益双反射器(成本非常低)天线的多频带双极化操作。

Description

复合人造介电和多频带天线馈线

技术领域

本发明涉及天线馈线组件和多频带天线，并且更具体地，涉及用于发射以及/或者接收电磁辐射的人造“全介电”馈线组件。

背景技术

传统的微波频带或毫米波频带下的回程无线电链路需要低成本多频带双极化天线。然而，已知低成本碟式天线执行双极化，但是它们的操作仅在单频带中进行，本质上是因为它们的自支持馈线的限制，无论是作为帽馈(HAT-Feed)类型还是作为其他类型的后馈(Rear-Feed)。

被部署有多达300万个回程微波链路的单频带碟式天线以非常合理的成本实现高增益；它们优选的、成本最低的配置被称为“后馈”或自支持的“帽馈”。

通过处理帽馈，获得针对双极化碟式天线的非常低的成本优势，而高性能只能针对单频带操作来实现。然而，用于多频带双极化操作的高效天线的设计需要额外的自由度，如双反射器天线配置所提供的那样；然而，制造成本随着天线的复杂性和尺寸而增加。

使用双极化后馈执行双频带操作的尝试已经证明效果不佳。因此，希望具有新颖的创新馈线设计，该创新馈线设计对于双反射器天线配置是有效的，并且也适用于单频带或双频带双极化后馈型天线。

发明内容

鉴于上述问题和限制，本发明的实施方式改进了常规的天线组件。

通过本发明提供的实施方式实现了目的。本发明还进一步限定了实施方式的有利实现方式。

本发明的第一方面提供了一种用于多频带天线的天线馈线组件，该天线馈线组件包括附接至第二馈线的第一馈线，第一馈线被配置成传播第一频带的电磁波，并且第二馈线被配置成传播低于第一频带的第二频带的电磁波，其中：第一馈线是喇叭形的，并且由至少一种第一介电材料形成；并且第二馈线包括辐射元件的阵列和具有各向异性折射率的亚波长元件层。

所提出的天线馈线组件是在较高频率下操作的介电馈线和在较低频率下操作的阵列结构馈线的组合。所提出的“全介电”人造结构的独特特征是各向异性折射率，其中，波传播的轴向方向上的折射率与在相对于该轴的横向的平面方向上的折射率。提供了天线馈线组件和对应的多频带天线，使得能够实现适当配置的高增益双反射器(成本非常低)天线的双频带或最终的多频带操作。

在第一方面的实现形式中，亚波长元件层的亚波长元件填充有至少一种第二介电材料。

第二馈线可以由辐射元件的阵列加上例如由全介电材料制成的另外的亚波长元件的人造结构制成。

在第一方面的实现形式中，亚波长元件层包括介电晶体，特别是低填充因子和/或低折射率介电晶体。

第二馈线可以特别地具有分层结构，该分层结构包括低填充因子和/或低折射率介电晶体层。

在第一方面的实现形式中，亚波长元件层在电磁波传播的轴向方向上的折射率为正但小于1，并且亚波长元件层在横向于轴向方向的平面中的折射率是1与亚波长元件层的至少一种第二介电材料的折射率之间的值。

由于各向异性折射率的特性，亚波长元件层在电磁波传播的轴向方向上的折射率为正，但是接近1或小于1。

在第一方面的实现形式中，亚波长元件层布置在辐射元件的阵列的顶部。

因此，第二馈线具有分层结构，特别地，亚波长元件层位于阵列结构的顶部。

在第一方面的实现形式中，亚波长元件层完全由至少一种第二介电材料形成。

第二馈线的亚波长元件层可以仅由介电材料制成。

在第一方面的实现形式中，辐射元件的阵列是用于双极化操作的4×4阵列，并且包括针对每个极化的独立波导端口。

两个独立的波导端口实现了所提出的馈线组件的双极化操作。

在第一方面的实现形式中，第二馈线包括多个同轴亚波长元件层和多个平面亚波长元件层中的至少一个。

可以适当地构造/优化所提出的亚波长元件的多种层(manifold layer)，以便限制电磁场并执行馈线辐射模式的所需调节。

在第一方面的实现形式中，第二馈线包括法布里-珀罗谐振器。

法布里-珀罗谐振器包括全介电腔。通过实现法布里-珀罗谐振器来期望“超增益”。

在第一方面的实现形式中，第一馈线包括介电发射部分和介电辐射部分以及内腔；并且介电发射部分包括壁和沿着第一馈线的纵向方向布置在壁的外表面上或壁的外表面内的第一亚波长元件，其中，第一亚波长元件具有与介电发射部分的介电常数不同的介电常数。

第一亚波元件或结构元件可以具有圆形形状。第一亚波元件可以具有若干尺寸，例如宽度、长度、高度或直径。

在第一方面的实现形式中，第一馈线完全由至少一种第一介电材料制成。

第一馈线仅由介电材料制成。第一馈线可以由具有不同介电常数的若干种介电材料制成。

在第一方面的实现形式中，第一频带和第二频带的频带比小于2。

例如，第一馈线和第二馈线可以分别在38GHz频带和E频带上操作。或者第一馈线和第二馈线可以分别在32GHz频带和18GHz频带上操作。

本发明的第二方面提供了一种多频带微波天线，该多频带微波天线包括碟式反射器、副反射器以及根据本发明的前述第一方面的天线馈线组件。

根据第一方面及其实现形式的天线馈线组件可以在天线(例如，具有侧馈卡塞格伦/双反射器配置的天线)中使用。

必须注意，本申请中描述的所有设备、元件、单元和装置可以以软件或硬件元件或其任何类型的组合来实现。由本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及被描述为要由各种实体执行的功能旨在意指相应实体适于或被配置成执行相应的步骤和功能。尽管在以下对特定实施方式的描述中，要由外部实体执行的特定功能或步骤未反映在对执行该特定步骤或功能的该实体的特定详细元件的描述中，但是对于技术人员来说应当清楚的是，这些方法和功能可以以相应的软件或硬件元件或者其任何类型的组合来实现。

附图说明

本发明的上述方面和实现形式将在下面结合附图对具体实施方式的描述中进行说明，在附图中，

图1示出了根据本发明的实施方式的天线馈线组件的示意性前视图和俯视图。

图2示出了根据本发明的实施方式的天线馈线组件。

图3示出了根据本发明的实施方式的4×2阵列结构。

图4示出了根据本发明的实施方式的第二馈线。

图5示出了根据本发明的实施方式的天线馈线组件。

图6示出了根据本发明的实施方式的多频带微波天线。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了新型的多频带馈线，其由非常低损耗的介电材料(例如，特氟隆)制成，本质上根据亚波长复合结构制造，被设计为“全介电”元材料(介电晶体)的人造结构，能够实现适当配置的高增益双反射器(成本非常低)天线的双频带或最终的多频带操作。

图1示出了天线馈线组件100的设计，特别地，图1示出了根据本发明的实施方式的第一馈线101，第一馈线101附接至根据本发明的实施方式的第二馈线102。第一馈线101可以附接至第二馈线102的中心，其被特别设计成满足所有要求，例如，能够实现相位中心的共同位置和可扩展性。特别地，相位中心(即，电磁辐射从其开始球形地向外传播的点)对天线工作的频带非常敏感。特别地，传统天线的相位中心的位置随着频率的增加连续地朝向天线的开口端部分移动。这样的行为会降低天线的效率、峰值增益和旁瓣模式性能。即，如果天线被设置为在特定频带内具有最佳性能，则天线在较高频带内的性能将由于相位中心的位移而降低。因此，稳定且位于共同位置的相位中心对于单个碟式多频带天线而言是重要的。

第一馈线101被配置成传播第一频带的电磁波。第二馈线102被配置成传播第二频带的电磁波。特别地，第二频带低于第一频带。

图2更详细地示出了根据本发明的实施方式的天线馈线组件的示例。第一馈线101特别地是喇叭形、或雪茄形或杆形，并且由至少一种第一介电材料形成。可选地，第一馈线的直径小于与第一频带中的波的频率对应的一个波长。

第二馈线102包括辐射元件1021的阵列和具有各向异性折射率的亚波长元件层。辐射元件1021可以具有类似矩形的形状。辐射元件1021的阵列可以是n×m阵列，其中，n和m都是正整数。可选地，n等于m。如图2所示，第二馈线102可以包括辐射元件1021的4×4阵列。图2描绘了4×4阵列执行单极化操作的配置。

可选地，亚波长元件层的亚波长元件填充有至少一种第二介电材料。第二介电材料可以具有与第一介电材料相比的不同的介电常数。可以基于关于天线性能的特定要求来选择第一介电材料和第二介电材料。

图3示出了根据本发明的实施方式的第二馈线102的示例性4×2阵列。可选地，在阵列的顶部，如图4所描绘的布置另外的介电晶体层1022。特别地，可以使用低填充因子和/或低折射率介电晶体。由于这种周期性结构晶体的自准直特性，另一益处是原始定位(rawpositioning)不会影响增益。

可选地，第二馈线102的亚波长元件层可以完全由至少一种第二介电材料形成。即，完整的第二馈线102由全介电材料制成。

可选地，亚波长元件层在电磁波传播的轴向方向上的折射率可以是正的但小于1，例如接近1，并且亚波长元件层在横向于轴向方向的平面中的折射率可以是1与亚波长元件层的至少一种第二介电材料的折射率之间的值。

可选地，第二馈线102可以包括多个同轴亚波长元件层和多个平面亚波长元件层中的至少一个。所提出的亚波长元件的多种层可以被适当地构造/优化，以便限制电磁场并执行馈线辐射模式的所需调节。

值得注意的是，添加由4×4阵列加上其辐射阵列“顶部”的介电晶体层制成的复合结构的想法产生了基本上双重益处，因为该复合结构使得能够精确调节馈线辐射模式，同时还可以根据双频带要求优化设置或修改馈线的相位中心的位置。根据本发明的该实施方式，该复合结构显著地改善了馈线组件在低频下的性能，同时不干扰“全介电”内部馈线的高频操作(例如，对于E频带操作)。

可选地，第二馈线102可以包括法布里-珀罗谐振器1023。法布里-珀罗谐振器1023包括全介电腔。通过实现法布里-珀罗谐振器来期望“超增益”。

图5示出了根据本发明的实施方式的执行双极化操作的天线馈线100组件的示例。第二馈线102包括用于双极化操作的4×4阵列，并且包括针对每个极化的独立波导端口1024。

应当注意的是，上述馈线组件非常紧凑，因为这种类型的馈线非常低剖面(low-profile)。此外，它不需要正交模式换能器(orthomode transducer,OMT)，因为两个独立的波导端口对馈线辐射的对应的两个不同的线性极化模式进行耦合。

通常，在宽带宽上操作喇叭形馈线的双极化需要相关的“转门-OMT”。这样的OMT具有较大的尺寸并且需要更大的空间，特别是在低频(例如，15GHz)下处理时。除此之外，当所需的频带比(如果希望在两个不同的频带上操作)小于2(例如，E频带和38GHz频带或者18GHz频带和32GHz频带)时，实现这样的要求是非常关键的，因为包括波导滤波器的用于双极化操作的OMT的复杂实现是强制性的。

因此，由于根据本发明的实施方式的馈线组件的实现，因此操作最低频带不需要OMT。因为双极化辐射元件的4×4阵列具有两个独立的波导端口，所以这种多频带馈线组件的对应线性极化操作得以实现。因此，由于不需要OMT的事实，因此降低了成本。另外，由于根据本发明的实施方式的馈线组件的非常紧凑的尺寸，成本进一步降低。

另外，本发明的第一馈线101可以包括介电发射部分和介电辐射部分以及内腔；并且介电发射部分包括壁和沿着第一馈线的纵向方向布置在壁的外表面上或壁的外表面内的第一亚波长元件，其中，第一亚波长元件具有与介电发射部分的介电常数不同的介电常数。

可选地，第一馈线101可以完全由至少一种第一介电材料制成。即，第一馈线101是“全介电”馈线。第一馈线可以由具有不同介电常数的若干种介电材料制成。

可选地，馈线组件100可以应用于具有小于2的频带比的第一频带和第二频带。例如，第一馈线101可以在E-频带上操作，第二馈线102可以在38GHz频带上操作；或者第一馈线101可以在32GHz频带上操作，第二馈线102可以在18GHz频带上操作。

使用根据本发明的实施方式的天线馈线组件的可能方式是在具有侧馈卡塞格伦/双反射器配置的天线中。如图6所描绘的，提供了多频带微波天线1，其包括碟式反射器2、副反射器3和根据本发明的前述实施方式的天线馈线组件100。

图6所示的天线馈线组件100可以是分别如图1、图2和图4所示的相同天线馈线组件100。

总之，本发明的实施方式实现了多个益处。优点可以总结为：

1)成本降低，这是由于操作最低频带不需要OMT的事实，因为双极化辐射元件的4×4阵列具有两个独立的波导端口，这使得能够实现该多频带馈线组件的对应的线性极化操作极化。

2)成本降低，这是由于多频带馈线组件的尺寸非常紧凑；事实上，非常紧凑的机械结构对于整个天线是可行的。

3)所提出的复合结构(由4×4阵列加上在其辐射孔“顶部”的介电晶体组成)产生了基本上双重益处，因为它使得能够精确地调节馈线辐射模式，同时还可以根据双频带要求优化地设置或修改馈线相位中心的位置。

4)可以适当地构造/优化所提出的亚波长元件的多种层，以便限制电磁场，并且根据以下要求对馈线辐射模式进行所需的调节：优良的旋转对称性、最低的旁瓣、馈线相位中心位置的最小频率灵敏度和总体最佳效率、最低的损耗。

已经结合作为示例和实现方式的各个实施方式描述了本发明。然而，通过对附图、本公开内容和独立权利要求的研究，实践所要求保护的本发明的本领域技术人员可以理解并且完成其他变型。在权利要求以及说明书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的若干实体或项的功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的这一事实不表示这些措施的组合不能被用于有利的实现方式中。

Claims (13)

1.一种用于多频带天线的天线馈线组件(100)，所述天线馈线组件(100)包括附接至第二馈线(102)的第一馈线(101)，所述第一馈线(101)被配置成传播第一频带的电磁波，并且所述第二馈线(102)被配置成传播低于所述第一频带的第二频带的电磁波，其中：

所述第一馈线(101)是喇叭形的，并且由至少一种第一介电材料形成；并且

所述第二馈线(102)包括辐射元件(1021)的阵列和具有各向异性折射率的亚波长元件层，其中，所述亚波长元件层布置在所述辐射元件(1021)的阵列的顶部。

2.根据权利要求1所述的馈线组件(100)，其中：

所述亚波长元件层的亚波长元件填充有至少一种第二介电材料。

3.根据权利要求1或2所述的馈线组件(100)，其中：

所述亚波长元件层包括介电晶体(1022)。

4.根据权利要求2所述的馈线组件(100)，其中：

所述亚波长元件层在电磁波传播的轴向方向上的折射率为正，并且

所述亚波长元件层在横向于所述轴向方向的平面中的折射率是在1与所述亚波长元件层的所述至少一种第二介电材料的折射率之间的值。

5.根据权利要求2或4所述的馈线组件(100)，其中：

所述亚波长元件层完全由所述至少一种第二介电材料形成。

6.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述辐射元件(1021)的阵列是用于双极化操作的4×4阵列，并且包括针对每个极化的独立波导端口(1024)。

7.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述第二馈线(102)包括多个同轴亚波长元件层和多个平面亚波长元件层中的至少一个。

8.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述第二馈线(102)包括法布里-珀罗谐振器(1023)。

9.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述第一馈线(101)包括介电发射部分和介电辐射部分以及内腔；并且

所述介电发射部分包括壁和沿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的外表面内的第一亚波长元件，其中，所述第一亚波长元件具有与所述介电发射部分的介电常数不同的介电常数。

10.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述第一馈线(101)完全由所述至少一种第一介电材料制成。

11.根据权利要求1、2、4中任一项所述的馈线组件(100)，其中：

所述第一频带和所述第二频带的频带比小于2。

12.根据权利要求1或2所述的馈线组件(100)，其中：

所述亚波长元件层包括低填充因子和/或低折射率介电晶体。

13.一种多频带微波天线(1)，包括碟式反射器(2)、副反射器(3)以及根据权利要求1至12中任一项所述的天线馈线组件(100)。

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