CN1185764C - 双反射器微波天线 - Google Patents

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Abstract

一种双反射器微波天线，包括组合为：一个具有一轴的抛物形主反射器；一个波导和沿主轴反射器的轴延伸的双模馈电喇叭，一个子反射器，用于在传送模式中把辐射从馈电喇叭反射到主反射器，和一个从主反射器的外边缘延伸和一般平行于主反射器的轴的屏蔽，屏蔽的内表面衬有用于吸收不需要的辐射的吸收材料。子反射器被成形，以产生一个基本上限制在子反射器的阴影以外的主反射器的区域的孔径功率分配。用于子反射器的支撑优选为一个具谐振厚度的空心介质锥体，以使通过所述锥体的能量与所述锥体反射掉的能量同相，以便达到相位补偿。

Description

双反射器微波天线
技术领域
本发明一般涉及微波天线，并特别涉及包括具有馈电装置的抛物形反射器、包括成形子反射器(溅射板)和双模馈电喇叭的这类微波天线。
背景技术
典型几何图形的传统的双曲线卡塞格伦天线包括：一个主馈电喇叭、一个双曲线子反射器、和一个抛物形主反射器。双曲线子反射器的中心部分被成形和定位，因此它的虚焦点与馈电喇叭的相位中心重合和它的实焦点与抛物形主反射器的虚焦点重合。在传送模式中，馈电喇叭照射子反射器，子反射器反射围绕它的实焦点的球面波的能量，以照射主反射器，和主反射器将球面波变换为横越主反射器的孔径的平面波。为了抑制宽角辐射，该天线在主反射器上采用一个圆柱吸收衬里的屏蔽。在接收模式中，双曲线主反射器被入射平面波照射和反射球面波的能量，以照射子反射器，和子反射器将入射能量反射到馈电喇叭。
典型几何图形的主馈电天线包括一个具有按键叉簧的馈电喇叭和一个抛物形主反射器。抛物形主反射器的中心部分被成形和定位，以使它的虚焦点与馈电喇叭的相位中心重合。在传送模式中，馈电喇叭照射主反射器，和主反射器辐射横越主反射器的孔径的平面波。为了抑制宽角辐射，该天线在主反射器上采用一个圆柱吸收衬里屏蔽。在要接收模式中，抛物形主反射器被入射平面波照射和将入射能量反射到馈电喇叭。
通常，上面的天线必须辐射具有等E-面和H-面辐射图形的基本对称的图形。E-面图形对应于水平极化和H-面图形对应于垂直极化。为了辐射来自双曲线卡塞格伦天线或主馈电天线的对称图形，馈电喇叭必须辐射大致相等E-面和H-面图形。波纹形喇叭辐射大致对称的辐射图形；然而，特别在对应于20到60千兆赫(后面为“GHz”)范围的毫米波频率，因为它的高结构成本，所以波纹形喇叭不是被优选设计选择的。而不实施昂贵的波纹形喇叭，因此可使用双模(后面为“DM”)喇叭。DM喇叭辐射TE11和TH11模式并具有低结构成本。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有高效率和极低宽角辐射的具有短屏蔽线的微波天线。
本发明的另一个目的是提供这种具有低制造成本的天线。
本发明的进一步目的是提供这种低风负载的天线。
根据本发明，上述的目的是通过提供一种用于地面通信系统的卡塞格伦双反射器微波天线实现的，所述天线包括组合为：一个具有一轴的抛物形主反射器；一个波导和沿所述主反射器延伸的双模馈电喇叭；一个成形的子反射器，用于在传送模式中产生一个环形射束，把辐射从所述馈电喇叭反射到所述主反射器，所述子反射器被成形为产生孔径功率分配：(1)限制在子反射器的阴影以外的主反射器的区域，(2)相邻所述主反射器的外边缘明显减小，和(3)相邻所述的主反射器的子反射器阴影的外边缘明显地减小；和，一个从所述主反射器的外边缘延伸和与主反射器的轴平行的屏蔽，所述的屏蔽的内表面衬有用于吸收不需要的辐射的吸收材料。
子反射器的支撑优选为具有谐振厚度的空心介质圆锥体，以产生通过所述的圆锥体的能量与所述圆锥体反射出的能量同相，以便实现相位补偿。在最佳实施例中，空心支撑圆锥体与馈电喇叭同心和连接在波导的外表面和子反射器的外边缘之间。馈电喇叭优选为DM馈电喇叭。
附图说明
下面通过结合附图所进行的详细描述，本发明的其它目的和优点将是显而易见的。
图1是实施本发明的微波天线的后视图；
图2是沿图1的线2-2的垂直剖视图；
图3是图1和2的天线的馈电部分的放大图；
图4是取如图2所示的馈电装置的左手侧的正视图；
图5是取如图2所示的馈电装置的右手侧的正视图；
图6是在图1-5的天线的主反射器中横穿半个孔径，即沿半径的所需的孔径功率分配；
图7是对于图1-5的天线的射线分配图；
图8a和8b是对于图1-5工作在38.25GHz的微波天线测量E-平和H-面共极辐射图形的图；
图9a和9b是对于图1工作在38.25GHz的微被天线测量E-面和H-面交叉极化辐射图形的图。
具体实施方式
尽管参照某些优选实施例将对本发明进行描述，将理解为，本发明不受这些特定的实施例限制。相反地，企图复盖如包括在由附加权利要求所规定的本发明的精神和范围内的替换方案、改型和等效物。
现在转到附图，首先参照图1-5，双反射器微波天线包括：一个抛物形主反射器10、一个成形子反射器11、一个空心介质支撑圆锥体12和一个形成沿主反射器10的轴延伸的DM馈电喇叭13a的波导13。在传送模式中，DM电喇叭13a照射子反射器，反射球面波的能量，以照射主反射器10的环形区域，依次把球面波变换为垂直于主反射器的轴横穿反射器的孔的平面波。在接收模式中，主反射器10由入射平面波照射和反射球面波该能量，以照射子反射器11，依次将入射能量反射到馈电喇叭13a。(这里使用的术语“馈电”虽然在传送模式中具有明显的含义，但可以理解也包括用于接收模式，正如在现有技术中所惯用的那样)。
波导13是通过装在连接到主反射器10的安装板21中心的孔径中的中心枢轴20支撑的。枢轴20包括一个法兰20a，该法兰20a是通过穿过盘23和拧入枢轴法兰20a的四个螺栓22靠着法兰21a的一侧固定在板21上。当螺栓22被拧紧时，它们把枢轴法兰20a和盘23拉向紧靠法兰21a的相对侧。波导13通过在波导一个端部的外表面上的螺纹13b固定到枢轴，与在枢轴20的内表面上的相应螺纹配合。O形环24阻止湿气进在波导和枢车之间的交界面。应注意的是，在面向子反射器的主反射器10的该侧的枢轴20和安装板21的暴露表面限制的面积小于在主反射器上的子反射器的阴影，即小于子反射器和它的支撑结构的直径。
为了在相对于主反射器10和馈电喇叭13a的所需位置上支撑子反射器11，子反射器安装在空心介质锥体12的宽端上，在其窄端上紧固到波导13的外表面。具体地，空心锥体12的窄端终接在具有内螺纹的圆柱形套管12a。在波导上的止动法兰13c沿波导的长度确定空心锥体12的最后位置，和O形环25优选地安装在波导和套管12a之间的分界面上，以防止湿气进入包括波导、馈电喇叭、空心支撑锥体、和子反射器的子系统的内部。空心介质锥体12的谐振厚度优选地选择，以使穿过空心锥体的能量与空心锥体反射出的能量同相，以便实现相位补偿。空心介质锥体优选地由热稳定和不吸收湿气的适当介质材料模制，因此对天线提供了机构的完整性、稳定性和强度。
为便于子反射器和支撑空心锥体12的连接，空心锥体的宽端终接在形成凹槽的向外延伸的法兰12b，该凹槽附加到子反射器的外周边部分。具体地，法兰12b沿子反射器的外边缘和面对空心锥体12的子反射器表面的邻接周边部分延伸。相配合的螺纹在法兰12b的外部端上形成在子反射器11和凸缘12c的外周缘的相反表面，以致于这两部分何以简单地拧在一起。在法兰12b的相对表面和子反射器11之间的O形环26可防止湿气进入分界面。
子反射器被成形，因此(1)基本上由子反射器反射的整个辐射照射在主反射器的外边缘和在主反射器上的子反射器的阴影的外边缘之间的主反射器的部分，和(2)孔径功率分配横穿主要部分，最好是主反射器10的照射区中至少2/3区域，大约是常量。孔径功率分配在主反射器10的照射区域的内和外边缘优选地明显下降。图6表示这种也径功率分配的一个具体例子，在那里功率PA作为归一化偏孔径轴的距离的函数，或X/(D/2)绘制，式中X是偏孔径轴的距离和D是主反射器的直径。
在子反射器11和主反射器10之间的相应射线分布示于图7。可见通常在子反射器的中心和外边缘之间凹的形状产生一个限定主反射器对在子反射器阴影和主反射器边缘之间的环形区域的照射的环形射束。
为了获得子反射器11的正确形状，产生图6的所需孔径功率分配，必须同时满足下列条件：(1)在偏子反射器和主反射器的反射以后馈电喇叭的能量的功率守恒。(2)在子反射器和主反射器调用斯涅尔定律，和(3)实现横穿反射器孔长的相位大致为常量。这三个条件可提供解决以确定主反射器和子反射器的最佳形状的不同方程。一旦确定该形状，对于主反射器的实际形状可使用最合适的抛物形。
为抑制宽角辐射，图1-5的天线采用衬有吸收材料31的圆柱吸收衬里屏蔽30，用于吸收不需要的辐射。在附图表示的最佳实施例中，屏蔽30被构成为从主反射器的外边缘延伸的和一般平行于主反射器的主反射器10的整体部分。本发明的天线的一个优点在于：与对先前的双曲线卡塞格伦天线或主馈电天线需要的屏蔽比较，吸收衬里屏蔽的长度可大大地减小。因为成形子反射器11在反射器的边缘提供快速功率下降，对吸收宽角辐射需要的吸收衬里屏蔽的长度大大夺减小。例如，典型的12英寸反射器孔径直径，吸收衬里屏蔽的长度对于本发明的天线大约是3英寸，如与主馈电天线的8到10英寸或与双曲线卡塞格伦天线的6到8英寸相比。吸收衬里屏蔽的减小长度减小了在天线上的风负载并改进了天线的环境和审美的外观。
用于本发明的天线的成形子反射器的附加优点在于：提供一个小的电压驻波比(“VSWR”)和改进的辐射图形。成形子反射器散射极少的能量回到天线的喇叭区域或阴影区域。因为偏喇叭和子反射器阴影散射的能量产生辐射图形的递减，成形子反射器减小VSWR和改进辐射的图形。
图8a和8b是测量图1-5工作在38.25GH的微波天线的E-面和H-面共极性辐射图形的图，和图9a和9b是相应测量E-面和H-面交叉极性辐射图形的图。在E-面和H-面图形满足了由在欧洲的欧洲通信标准学会(ETSI)和美国的FCC当前强行的要求。该图形也是高度定向性的。虽然图示的图形产生在38.25GHz的频率，在通过简单地改进DM馈电喇叭的尺寸和子反射器的形状从大约2GHz到60GHz的微波频率范围的两端可获得同样的结果。然而，在图2和3表示的特定子反射器形状适合于使用在采用适当的DM馈电喇叭的尺寸的改型从约22GHz到约40GHz的频范围上。
于是，可见以上描述的天线提供一种采用很小屏蔽长度具有高定向效率和低宽角辐射的低成本微波天线。该小屏蔽长度依次在天线上提供低的风负载，减小了天线所需的支撑结构的成本。

Claims (14)

1.一种用于地面通信系统的卡塞格伦双反射器微波天线，所述天线包括组合为：
一个具有一轴的抛物形主反射器；
一个波导和沿所述主反射器延伸的双模馈电喇叭；
一个成形的子反射器，用于在传送模式中产生一个环形射束，把辐射从所述馈电喇叭反射到所述主反射器，所述子反射器被成形为产生孔径功率分配：(1)限制在子反射器的阴影以外的主反射器的区域，(2)相邻所述主反射器的外边缘明显减小，和(3)相邻所述的主反射器的子反射器阴影的外边缘明显地减小；和
一个从所述主反射器的外边缘延伸和与主反射器的轴平行的屏蔽，所述的屏蔽的内表面衬有用于吸收不需要的辐射的吸收材料。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述屏蔽连接在一个垂直于主反射器的轴和仅比子反射器的反射面稍远离主反射器的中心的平面上。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述子反射器被成形，以限制在子反射器的阴影以外的主反射器的区域的环形射束从所述喇叭反射能量。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，面对所述主反射器的所述子反射器的表面在子反射器的中心和外边缘之间是凹面的。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，它包括连接在所述波导的外表面和所述子反射器的外边缘之间的介质支撑装置，用于把子反射器安装在波导上。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述介质支撑装置包括一个具有谐振厚度的空心锥体，以使通过所述空心锥体的能量与所述空心锥体反射掉的能量同相，以便达到相位补偿。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述波导用一枢轴附加到和支撑在所述主反射器的中心。
8.一种用于地面通信系统的卡塞格伦双反射器微波天线，所述天线包括组合为：
一个具有一轴的抛物形主反射器；
一个波导和沿所述主反射器的轴延伸的馈电喇叭；
一个成形的子反射器，用于在发送模式中产生一个环形射束，把辐射从所述馈电喇叭反射到所述主反射器，所述子反射被成形为产生孔径功率分配：(1)限制在所述子反射器的阴影以外的所述主反射器的区域，(2)相邻所述主反射器的外边缘明显减小，和(3)相邻的主反射器的子反射器阴影的外边缘明显地减小；和
一个与所述馈电喇叭同心的空心介质锥体，用于支撑所述的子反射器，所述空心介质锥体具有谐振厚度，以使通过所述空心介质锥体的能量与所述空心介质锥体反射掉的能量同相，以便实现相位补偿。
9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，包括一个从所述主反射器的外边缘延伸的和平行于主反射器的轴的屏蔽，所述屏蔽的内表面衬有用于吸收不需要的辐射的吸收材料。
10.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述空心介质锥体连接到所述波导的外表面。
11.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述屏蔽连接在一个垂直于主反射器的轴和仅比子反射器的反射器稍远离主反射器的中心的平面上。
12.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述子反射器被成形为限制在子反射器的阴影以外的主反射器的区域的环形射束从所述喇叭反射能量。
13.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，面对所述主反射器的所述子反射器的表面在子反射器的中心和外边缘之间是凹面的。
14.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述波导通过枢轴连接到和支撑在所述主反射器的中心。
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