CN117013265A - 具有多个波导段的微波天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微波天线组件及其方法，所述微波天线组件包括：波导，所述波导包括第一波导部件和第二波导部件；机械连接，所述机械连接被构造成联接所述第一波导部件和所述第二波导部件，并且被构造成在所述第一波导部件与所述第二波导部件之间强加第一间隙，其中将所述第一间隙的跨距选择成减小由于所述微波天线组件内的公差造成的所述波导与无线电设备之间的第二间隙的大小，所述无线电设备被配置成向所述波导提供微波射频(RF)信号。

Description

具有多个波导段的微波天线系统
技术领域
本公开大体上涉及微波通信，并且更具体地涉及微波天线系统。
背景技术
微波传输是指通过波长以厘米为单位测量的电磁波来传输信息或能量。这些电磁波被称为微波。无线电频谱的“微波”部分跨越大约1.0GHz到大约300GHz的频带。这些频率对应于在大约30厘米到0.1厘米范围内的波长。
微波通信系统可用于点对点通信，原因是电磁波的较小波长可以允许大小相对小的天线将电磁波引导到窄束中，该窄束可直接指向接收天线处。这种形成窄天线束的能力可以允许附近的微波通信设备使用相同的频率，而不会如可能在低频电磁波通信系统中出现的那样互相干扰。另外，微波的高频可给予微波频带相对大的携带信息的能力，因为微波频带的带宽是微波频带以下的频率的整个无线电频谱的带宽的大约三十倍。然而，微波通信系统限于视线传播，因为微波频率的电磁波不能以较低频率无线电波能够实现的方式穿过山丘、大山、结构或其它障碍物。
抛物面反射器天线通常用于发射和接收微波信号。图1是使用抛物面反射器天线的常规微波天线系统10的部分分解后透视图。如图1所示，天线系统10包括抛物面反射器天线20、波导组件30和毂50。抛物面反射器天线20可包括例如由金属形成或具有金属内表面的碟状结构(天线20的金属内表面在图1中不可见)。呈开口形式的馈电孔22设置在抛物面反射器天线20的中间(底部)处。
毂50可用于将抛物面反射器天线20安装在安装结构(未示出)，例如杆、天线塔、建筑物等上。毂50可以由例如安装螺钉安装在抛物面反射器天线20的后表面上。毂50可包括毂适配器52。毂适配器52可以接收在馈电孔22内。
馈电组件30可包括波导臂32、子反射器40、低损耗介电块34和过渡元件54。过渡元件54可以在毂适配器52内。过渡元件54可被设计成有效地将从例如无线电(未示出)接收的RF信号发射到馈电组件30的其它部件中。例如，过渡元件54可包括针对特定频带阻抗匹配的波导过渡部(例如，矩形到圆形过渡部)。
过渡元件54包括接收波导臂32的孔56。波导臂32中可具有波导(例如，具有圆形横截面形状的波导)，并且可以是基本上管状的。波导臂32可以由诸如铝的金属形成。当波导臂32安装在毂适配器52中且毂适配器52接收在馈电孔22内时，波导臂32的基座可邻近馈电孔22，且波导臂32的远端可在抛物面反射器天线20的内部中。
低损耗介电块34可插入波导32的远端中。低损耗介电块34的插入端可具有例如阶梯状的大体上锥形形状。子反射器40可安装在介电块34的远端上。在某些情况下，子反射器40可以是在介电块34的表面上喷射、涂刷、电镀或以其它方式形成的金属层。在其它情况下，子反射器40可包括附接到介电块34的单独元件。子反射器40通常由金属制成，并且定位在抛物面反射器天线20的焦点处。子反射器40被设计成将从波导臂32发射的微波能量反射到抛物面反射器天线20的内部上，并且将入射在抛物面反射器天线20上的微波能量反射并聚焦到波导臂32的远端中。
附图说明
图1是常规微波天线系统的部分分解后透视图。
图2是常规微波天线系统的同轴馈电组件的侧视截面图。
图3是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件的侧视截面图。
图4是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件的侧视截面图。
图5是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件的侧视截面图。
图6A是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件的侧视截面图；图6B是图6A的同轴馈电组件的部分6B的侧视截面图；以及图6C是图6A的同轴馈电组件的部分6C的侧视截面图。
具体实施方式
图2是常规微波天线系统的同轴馈电系统100的侧视截面图，所述常规微波天线系统包括同轴馈电组件，例如图1的同轴馈电组件30。如上文所论述的，呈开口形式的馈电孔(图2中未示出)可设置在碟状天线(图2中也未示出)中。同轴馈电系统100的部件(例如毂适配器52)可以接收在馈电孔内，使得波导臂32、低损耗介电块34和附接到低损耗介电块的子反射器在抛物面反射器天线的内部内，并且在过渡元件54的与波导臂32相对的端部处的馈电组件100的接口端口58在抛物面反射器天线的外部且靠近微波源70。
微波源70可以是或可以包括一个或多个无线电。在一些实施例中，微波源70可包括额外元件，例如连接一对无线电的正模式转换器(“OMT”)，所述一对无线电将正交偏振信号传输到同轴馈电组件。微波源70的接口端口72可以与过渡元件56的接口端口58同轴对准。
理想地，为了避免在微波源70与过渡元件56之间的信号传输中的性能损失，部件将以完美或接近完美的欧姆接触对接在一起，从而产生最多可忽略的反射和可忽略的信号泄漏。然而，此类欧姆接触将需要难以在现实世界条件下实现和维持的对准和表面接触。例如，图1和2的微波设备可能安装在经受相对恶劣的环境条件(例如瞬态风荷载)的现场处。如果微波源70直接邻接或接触过渡元件54，那么在刮风事件期间(例如，由于力作用于设备上而导致碰撞)可能发生对任一者的损坏。微波设备也可能经受可能导致设备收缩和膨胀的较大温度变化，并且这些温度变化可能导致发生损坏。
为了避免损坏微波源70和/或微波天线系统10的部件，现场或客户可能要求微波源70与毂适配器52之间不存在硬接触或齐平安装。换句话说，为了避免损坏，安装元件60可以被构造成在微波源70的接口端口72与过渡元件54的接口端口58之间产生不可避免的间隙G。该不可避免的间隙G如果十分大，则例如由于来自微波源70的微波信号未接收在端口58处，而是传播到自由空间中，可能导致微波系统的性能下降。相比之下，过渡元件56、波导臂32和介电块34通常被制造成不具有间隙并且在其间不直接邻接，以提高同轴馈电组件的性能。
管理和设计具有足够小的不可避免的间隙G但具有可接受的微波性能的微波系统部分地由于两种复杂情况而变得困难。第一种复杂情况是公差的概念，它存在于所有现实世界的机械结构中。公差识别由制造过程引起的部件的尺寸、特性或状态可能存在的一些偏差。例如，同轴馈电组件30的每个部件(例如，过渡元件54、波导臂32、低损耗介电块34)可以在与微波通信方向平行的第一方向上具有指定的线性长度Xi。另外，每个部件可具有所述的公差Yi，即，所述部件可偏离指定长度，同时仍符合规格。换句话说，波导臂32的符合其规格的长度可以在X2+/-Y2的范围中。具有超出此指定范围的长度的波导臂32不符合指定长度。公差的严密度可以增加，并且范围的大小(即，Y的值)可以减小，尽管制造成本或复杂性通常会增加或者制造的部件的废品率会增加。
与公差有关的第二种复杂情况是公差叠加，或第一方向上的公差Yi的累积或总和。换句话说，图2中所示的每个公差Yi(以及图中未示出的同轴馈电组件30中的其它部件的公差)可以相加在一起以得到更糟糕情况的场景，例如Y1+Y2+Y3。因此，同轴馈电组件30的总长度在任一方向上的误差可以达到此总计量，并且仍然使其每个部件是可接受的并且符合所述的长度。可以看到，如果每个部件实际上都是按照其最小合规长度制造的，间隙G的大小可以比每个部件都处于其标称长度X时大(Y1+Y2+Y3)。替代性地，如果每个部件实际上都是按照其最大合规长度制造的，间隙G的大小可以比每个部件都处于其标称长度X时小(Y1+Y2+Y3)。换句话说，在最糟糕的情况下，间隙G的大小可以比标称间隙小(Y1+Y2+Y3)或者比标称间隙大(Y1+Y2+Y3)。取决于X1-3和Y1-3中的每一个的值，间隙G的大小的偏差可能相对较大，并且可能进一步降低性能。
如美国专利号7,592,887中所论述的，已知使用在波导接头处具有扼流布置的凸缘，所述美国专利的全部内容以引用的方式并入本文中。例如，圆形凹槽(其可以例如在毂适配器52的背面中形成)具有四分之一波长(即，λ/4)的深度和半径，可以与接口端口58同轴。此凹槽用作RF扼流圈以通过破坏性干扰来抵消信号，由此改善RF性能。然而，当间隙G的大小足够大时，或者如果在设计期间，考虑到累积公差，明显可见间隙G可能足够大，则单个凹槽可能是不够的。因此，可以使用具有较大半径(例如，四分之三波长(即，3λ/4))的一个或多个额外凹槽。这导致部件的制造复杂性增加，以及过渡元件54的总尺寸增加以容纳额外扼流圈。
本公开基于以下认识：减小间隙G的大小的一种方法可以是将间隙拆分成在同轴馈电组件中的多个较小间隙，而不是在间隙G处提供这些额外扼流圈。每个间隙可以适应公差叠加的一部分。虽然提供了多于一个间隙，但是可以减小间隙的大小。如果以受控方式提供，那么此类较小间隙可以改善微波天线系统的性能，原因是由较小间隙引起的RF性能累积退化可以小于由一个较大间隙引起的RF性能退化。
图3是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件110的侧视截面图。同轴馈电组件110可包括介电块134、波导臂132和毂适配器152，该毂适配器中可包括过渡元件154。毂适配器152可以接收在抛物面反射器天线(未示出)的馈电孔内。
过渡元件154可包括接收波导臂132的孔156。波导臂132可具有经由安装部件161联接在一起的至少两个部件或区段132-1和132-2。波导臂132可具有例如圆形横截面形状且基本上为管状的。波导臂132可以由诸如铝的金属形成。当波导臂132或其区段安装在毂适配器152中且毂适配器152接收在馈电孔内时，波导臂132的基座可靠近馈电孔，且波导臂132的远端可在抛物面反射器天线的内部中。介电块134可以按照类似于上文所论述的方式联接到波导臂132或插入该波导臂中。
与图2相比，同轴馈电组件110的部件可以(例如，经由安装部件161)联接，使得间隙G1和G2分别强加在第一波导部件132-1与第二波导部件132-2之间，以及在波导臂132与过渡元件154之间。因此，图3提供了微波天线组件，该微波天线组件包括：具有第一波导部件132-1、第二波导部件132-2的同轴馈电组件；以及机械连接(例如，安装部件161)，该机械连接被构造成联接第一波导部件和第二波导部件，并且被构造成在第一波导与第二波导之间强加间隙G1。可以将间隙G1的跨距选择成减小，或在一些情况下终止或消除在第一方向上的由微波天线组件内的公差或累积公差产生的间隙G3的大小。换句话说，可以将间隙G1的跨距选择成减轻和/或消除微波天线组件内的位置处的公差累积。
同轴扼流圈133可以设置在波导臂132的第一区段132-1、波导臂132的第二区段132-2和/或过渡元件152中。如上文所描述的，同轴扼流圈133可以是凹槽，该凹槽具有与微波系统的传输频率的波长相对应的大小和深度。
如从图2与图3的比较可见，鉴于间隙G1和G2的存在，图2中的不可避免的间隙G的大小已减小为较小的间隙G3。在一些实施例中，较小的间隙G3的大小可以是零或可忽略不计。通过在波导臂132的第一部件132-1与第二部件132-2之间提供间隙G1，同轴馈电组件110的公差叠加或累积公差可分成第一公差叠加或累积公差(例如，馈电组件中的部件至间隙G1的左侧)和第二公差叠加或累积公差(例如，馈电组件中的部件至间隙G1的右侧)。
上文参考图3描述的发明构思参考(是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件210的侧视截面图的)图4更一般地考虑。同轴馈电组件210可包括多个波导部件230，每个波导部件中具有在微波源70与天线(未示出)的反射器之间的波导242的一部分。波导部件230可以是例如波导臂、波导臂的一部分，或波导过渡部。在一些实施例中，波导部件230可以在其第一端处具有第一横截面(例如，圆形或椭圆形横截面)并且在其第二端处具有第二横截面(例如，正方形或矩形横截面)，并且可以在波导部件的长度上从第一横截面过渡到第二横截面。
由于同轴馈电组件210的部件之间的间隙G1、G2……GN-1，波导242可以分段成多个部分242-1、242-2……242-N。可以将间隙G1、G2……GN-1中的每一个在第一方向(例如，波导242内的微波信号传播方向)上的跨距选择成减小在第一方向上的由微波天线组件内的公差或累积公差产生的间隙GN的大小。间隙GN在微波源70与波导242的邻近微波源70的端部之间。
每个间隙G1、G2……GN-1可具有一个或多于一个同心或同轴扼流圈233，该扼流圈存在于间隙G1、G2……GN-1的第一侧上的第一波导部件230中和/或间隙G1、G2……GN-1的第二侧上的第二波导部件230中。同轴扼流圈133中的每一个可以是凹槽，该凹槽具有与微波天线系统的传输频率的波长相对应的大小和深度。
图5是根据本公开的微波天线系统的同轴馈电组件310的侧视截面图，其示出了强加在第一波导部件330-1与第二波导部件330-2之间的间隙365的另一实例。第一波导部件330-1可以经由安装元件360联接到第二波导部件330-2，所述安装元件可以是螺钉、螺栓、销或其它安装设备。安装元件360可引起间隙365。在一些实施例中，可以存在弹簧元件362以使第一波导部件330-1朝向部件335偏置。此弹簧元件362可以是例如O形环或弹簧垫圈。弹簧元件362可确保间隙365具有最小跨距。在一些实施例中，可以存在密封元件363以向间隙365提供环境密封。
图6A是根据本公开的微波天线系统410的同轴馈电组件的侧视截面图，且图6B和6C是其放大部分。参考图6A-C，微波天线系统410可包括微波源70、源端过渡元件454、波导臂432、反射器端过渡元件446和馈电毂444。源端过渡元件454可以由第一间隙435-1与波导臂432分开，波导臂432可以由第二间隙435-2与反射器端过渡元件446分开，并且反射器端过渡元件446可以由第三间隙435-3与馈电毂444分开。第一、第二和第三间隙435可经由机械连接(例如，图6A-C中不可见的安装部件)强加，该机械连接被构造成联接每个间隙435的每一侧上的波导部件，使得将每个间隙435的大小选择成减小源端过渡元件454与微波源70之间的间隙437的大小。间隙437可以是由安装要求产生的不可避免的间隙。
每个间隙435、437可以使一个或多于一个同轴扼流圈433存在于间隙435或437的第一侧上的第一波导部件中和/或间隙435或437的第二侧上的第二波导部件中。同轴扼流圈433中的每一个可以是凹槽，该凹槽具有与微波天线系统的传输频率的波长相对应的大小和深度。如图6B和6C中可见，在一些实施例中，为了减小部件(例如，源端过渡元件454、波导臂432、反射器端过渡元件446和波导毂444)的总半径或直径，扼流圈433可以延长，使得其最大长度在径向上例如垂直于微波信号传播方向，而不是平行于微波信号传播方向。在一些实施例中，波导臂432可具有底切区432-U以实现扼流圈433。
鉴于上述情况，由于间隙437的大小，微波天线系统410的性能可能由于间隙435的存在而降低。换句话说，通过将间隙437拆分成在同轴馈电组件410中的多个较小间隙435，可以改善RF信号性能。
本文所使用的术语仅出于描述特定方面的目的，而并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)指定存在所述操作、元件和/或部件，但是不排除一个或多个其它操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。在整个附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
为了清楚起见，附图中的元件的厚度可以被放大。此外，还将理解，当一个元件被称为在另一元件“上”，“联接到”或“连接到”另一元件时，该元件可以直接形成在另一元件上，联接到或连接到另一元件，或者其间可以存在一个或多个中间元件。
诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上方”、“下方”等的术语在本文中用于描述元件或特征的相对位置。例如，当为了方便起见，附图的上部被称为“顶部”且附图的下部被称为“底部”时，在实践中，在不脱离发明构思的教示的情况下，“顶部”也可以被称为“底部”且“底部”也可以被称为“顶部”。
应理解，虽然本文中可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用以将一个元件与另一元件区分开来。因此，在不脱离本发明构思的教示的情况下，第一元件可被称为第二元件。
除非另外限定，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有本发明构思所属领域的一般技术人员通常所理解的相同含义。将进一步理解的是，例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。
已出于说明和描述的目的呈现本公开的描述，但本公开的描述不希望是详尽的或限于所公开形式的公开内容。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的一般技术人员而言将是显而易见的。选择并描述本公开的各方面以便最好地阐释本公开的原理及实际应用，并且使得本领域的其它一般技术人员能够理解本公开的各种修改，这些修改适合于所预期的特定用途。

Claims (21)

1.一种微波天线组件，包括：
波导，所述波导包括第一波导部件和第二波导部件；
机械连接，所述机械连接被构造成联接所述第一波导部件和所述第二波导部件，并且被构造成在所述第一波导部件与所述第二波导部件之间强加第一间隙，其中将所述第一间隙的跨距选择成减小由于所述微波天线组件内的公差造成的所述波导与无线电设备之间的第二间隙的大小，所述无线电设备被配置成向所述波导提供微波射频(RF)信号。
2.根据权利要求1所述的微波天线组件，其中所述第二间隙与同轴RF扼流圈相关联。
3.根据权利要求2所述的微波天线组件，其中所述第一波导部件包括所述同轴RF扼流圈。
4.根据任一前述权利要求所述的微波天线组件，还包括联接在所述第一波导部件与所述无线电设备之间的波导过渡部，其中所述第二间隙在所述波导过渡部与所述无线电设备之间。
5.根据任一前述权利要求所述的微波天线组件，还包括弹簧元件，所述弹簧元件被配置成使所述第二波导部件朝向除所述第一波导部件之外的所述微波天线组件的部件偏置。
6.根据权利要求5所述的微波天线组件，其中所述弹簧元件是O形环。
7.根据任一前述权利要求所述的微波天线组件，还包括联接到所述波导的抛物面反射器天线。
8.根据任一前述权利要求所述的微波天线组件，其中所述第一波导部件或所述第二波导部件包括在其端部中的底切区。
9.根据权利要求8所述的微波天线组件，其中所述底切区形成RF扼流圈。
10.一种方法，包括：
提供可布置在微波天线与无线电设备之间的波导，所述无线电设备被配置成向所述微波天线提供信号，所述波导包括在其间具有强加的第一间隙的第一波导部分和第二波导部分，所述强加的第一间隙具有跨距，
其中将所述强加的第一间隙的跨距选择成减小所述第二波导部分与所述无线电设备之间的第二间隙的大小，所述第二间隙部分地由微波天线组件内的公差引起。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述第二间隙处提供同轴RF扼流圈。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一波导部分包括所述同轴RF扼流圈。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，还包括提供可布置在所述第一波导部分与所述无线电设备之间的波导过渡部，其中所述第二间隙在所述波导过渡部与所述无线电设备之间。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，还包括提供弹簧元件，所述弹簧元件被配置成使所述第二波导部分朝向除所述第一波导部分之外的所述微波天线组件的部件偏置。
15.一种方法，包括：
提供在天线与无线电设备之间形成波导的多个部件，每个部件具有与其相关联的公差，所述公差总和为总公差叠加；以及
经由机械连接在所述多个部件中的第一部件与第二部件之间强加间隙，其中将所述间隙的位置和跨距选择成将所述总公差叠加划分为第一公差叠加和第二公差叠加。
16.一种微波天线组件，包括：
波导，所述波导可布置在无线电设备与抛物面反射器天线之间，所述波导包括第一波导部分和第二波导部分；
在所述第一波导部分与所述第二波导部分之间的第一间隙；以及
与所述第一间隙同心的第一射频(RF)扼流圈，
其中将所述第一间隙的跨距选择成减小在信号传播方向上由于所述微波天线组件内的公差造成的第二间隙的大小。
17.根据权利要求16所述的微波天线组件，其中所述第一波导部分包括所述第一RF扼流圈。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的微波天线组件，还包括联接在所述第一波导部分与所述无线电设备之间的波导过渡部，其中所述第二间隙在所述波导过渡部与所述无线电设备之间。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的微波天线组件，还包括弹簧元件，所述弹簧元件被配置成使所述第二波导部分朝向除所述第一波导部分之外的所述微波天线组件的部件偏置。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的微波天线组件，还包括第二RF扼流圈，所述第二RF扼流圈在形成在所述第一波导部分的端部中或所述第二波导部分的端部中的底切区处。
21.一种微波天线组件，包括：
波导臂，所述波导臂可布置在无线电设备与抛物面反射器天线之间；
在所述波导臂与不同于所述波导臂的波导部件之间的第一间隙；以及
与所述第一间隙同心的第一射频(RF)扼流圈，所述第一RF扼流圈在形成在所述波导臂的端部中的底切区处。
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