CN1202746A - 发射和接收微波的天线馈源 - Google Patents

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CN1202746A CN98108862.7A CN98108862A CN1202746A CN 1202746 A CN1202746 A CN 1202746A CN 98108862 A CN98108862 A CN 98108862A CN 1202746 A CN1202746 A CN 1202746A
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亚利克斯·克哈蒙尼
琼－皮埃尔·布洛特
杰勒德·埃斯特德
琼-克劳德·克鲁乔
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Alcatel Lucent SAS
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Abstract

本发明涉及一种发射和接收极化微波的天线馈源,其包括一个变换器,用来分离不同频率的发射和接收信号。从变换器(24)到发射元件的连接是这样的,这能保持由发射元件接收的信号和向发射元件发送的信号的极化状态。变换器包括一个方截面波导管(26),波导管(26)的一端连接到发射元件且另一端连接到发送通路(32,36,42),接收信号通过波导管(26)的侧表面传送。该天线馈源能够发射和接收加宽C波段。

Description

发射和接收微波的天线馈源
本发明涉及一种发射和接收微波的天线馈源。
众所周知，借助于无线信号发送大量的信息最好是使用具有高载波频率宽带的极化信号。
此外，当同一天线被用于发射和接收信号时，必须使发送频带不同于接收频带。
不断增多的通信业务促使加宽发射和接收频带。例如，C波段，目前用于某种卫星通信，从3.625GHz到4.2GHz用于接收而从5.85GHz到6.425GHz用于发射，将向下扩展用于接收(3.4GHz到4.2GHz)，且向上扩展(5.85GHz到6.65GHz)用于发射。
图1所示为天线馈源，可用于接收和发射常规的C波段信号，亦即发射和接收带宽为575MHz。这种已知的天线馈源包括一个喇叭形的辐射元件10，它通过匹配段12和圆截面波导管14连接到极化器16，极化器16一方面把接收的圆极化信号转换为线性极化信号，另一方面把要发射的线极化信号转换为圆极化信号。
为把发射频率和接收频率分离开，极化器16连接到变换器18上。这个变换器含有一个圆截面波导管，该波导管外表面具有沿纵向延伸的槽-亦即它的长度方向平行于波导管轴-连接到另外的波导管(没有示出)和滤波装置(也没有示出)，滤除发射频率并让接收频率通过。
变换器18的波导管的远离与极化器16相连一端的另一端接收要被发射的信号。发送通路含有滤除接收频率的滤波装置，一般地，还有正交极化设备。
显而易见，这种类型的天线馈源发射和接收宽频带信号，特别是上述加宽的C波段时得不到满意的结果。
本发明能够补救这些欠缺。
依据本发明的天线馈源，其特征在于为了发射和接收宽频带信号，将发射信号与接收信号分离开的变换器含有方截面波导管或者具有与传播方向垂直的拱肋或沟纹的方截面或圆截面(或其它截面)的波导管。
在最佳实施例中，变换器通过将圆截面波导管穿入到变换器的波导管中与发送通路相连。这种配置有可能优化发射信号与接收信号之间的分离。如果在变换器波导管的内部，圆截面波导管的端部安置一例如双槽形的膜片，分离就会进一步改进。
当变换器含有一个方截面的波导管时，有利地是每个表面都有矩形的开口或槽且其长边与波导管的轴线垂直。这些槽使得能够提取接收信号，并与滤波装置相连用于滤除发射频率。
在本发明最佳实施例中，把发射与接收频率分离开的变换器与幅射元件的连接使得发射信号传输时保持极化状态。
在该例中，如果发射或接收信号要转换它们的极化状态(从圆极化到线极化或从线极化到圆极化)，一个相应的极化器被安排在发送和/或接收通路，并在远离发射元件的变换器的一端。这种配置还有利于展宽发射和接收频带。
当设置一些使能够从变换器波导管中提取接收信号的槽时，在一个实施例中，两相对面的那些槽被连接到“混合接头(magic tee)”型加法器的相应输入端。接收信号为圆极化，每个加法器的输出端在确定方向上提供的是线极化接收信号，这两个混合接头的输出端信号是相互垂直的极化向量。
为了转换馈源中这些垂直的具有右旋或左旋圆偏振特征的线极化信号，最好是使用3db/90°的耦合器，尤其是“Riblet”型。这样的一个耦合器含有两个矩形截面波导管，在矩形连结区相连，每个波导管含有一个输入和输出连结区的分枝。连结区的高度等于每个波导管截面的短边长度，连结区的宽度是上述截面的长边长度的两倍，为了与输出分支的信号振幅匹配，通常至少在连结区内安排有一个从大隔板凸起的凸起部分。
为了优化由耦合器完成的极化分离，即在宽频带上获得相位差90°，振幅相同，例如相差0.1dB左右的信号，根据本发明的另一结构，可使用这样的耦合器，其中在连结区的至少一个大隔板上装有与传播向相横向的“横向”方向上延伸的凸起。
在已知的“Rilblet”型耦合器中，连结区中相应的凸起是圆的或者是沿纵向延伸的。
凸起部分沿横向方向延伸，要比已知的耦合器有明显更好的结果，亦即输出信号在很宽频带上幅度匹配。
当凸起按每个朝向波导管分支的肋条而延伸时我们还能得到更好的结果，每个肋条高度最好在每个分支中逐步减小。
对于发送，当必须根据线极化信号发射右旋和/或左旋圆极化信号时，使用接收正交线极化发射信号的双工器并且极化器将线极化信号转换为圆极化信号。
还可以使用“中隔(septum)”型极化器，它使双工器和极化器的功能结合在一起。一个这样的极化器含有两个接收线极化信号的半圆截面波导管，并向一个圆截面输出波导管汇合。在输出波导管中，从与输入波导管相汇的连结区，装有纵向的并高度在径向渐减的壁板或薄板。这个壁板沿输出波导管轴方向延伸，薄板高度的减小或是逐步的，即最好是跳跃的，即阶梯形的。这种阶梯形能得到更好的结果，并且阶梯的数目对极化器的通频带有影响。一般地说，梯级数目越增加，极化器通频带越宽。
本发明其它的特征和优越性可通过参照附图对一些实施例的说明显示出来，其中：
图1如上所描述，说明现有技术状况；
图2为本发明天线馈源的整体图；
图3是作为图2所示馈源一部分的变换器的透视图；
图4为图3所示变换器内部的透视图；
图5为用在图2所示天线馈源发送通路的一个极化器的剖视图；
图6为按照图5中6-6线的剖面图；
图7为3db/90°耦合器的内部图，在图2所示馈源的接收通路用作极化器；
图8为图7所示耦合器沿箭头f的视图；和
图9为与图8所示相类似的图，但是一种变型。
参照附图描述的本发明实施例涉及在加宽C波段发射和接收的天线馈源。上面已说明，就接收来说，频率为从3.4GHz到4.2GHz，就发射来说，频率为5.85GHz到6.65GHz。换句话说，接收频带宽扩展大约800MHz。对于发射频带宽也是同样。
图2所示的天线馈源含有一个变换器24，变换器24含有一个方截面波导管26，在图示中是横截面，也就是说垂直于传播轴。波导管26的一端直接与传播喇叭(没有示出)相连。用“直接地”这个词是指变换器24不是通过极化器连接到传播喇叭或其它幅射部件上。然而这种连接可含有一个除极化器外的非辐射元件，例如用于伺服控制跟踪卫星轨道的模式提取器。
波导管26的与连接到喇叭的端面28相远离的端面30(图3)连接到用于接收的圆截面波导管32，该波导管32通过方截面波导管34接收由极化器36发送的右旋圆极化和左旋圆极化发送信号。
极化器36用于把线极化输入信号变换为圆极化输出信号。这样，极化器36的输入38连接到双工器42的输出40，双工器42有两个输入端，分别为44和46，它接收必须被变换为右旋圆极化和左旋圆极化信号的线极化信号。输入端44接收将被变换为右旋圆极化信号的信号而输入端46接收将被变换为左旋圆极化信号的信号。
在本发明的最佳实施例中，双工器42和极化器36形成了构成“中隔”型极化器的单一部件50，它将参照附图5和6被进一步描述。
波导管26的侧面52、54、56和58具有矩形的开口或切口，同样矩形截面的小波导管连接到这些开口或切口上。从图3得知，侧面52由矩形波导管60所延伸，波导管60，62，64和66位于沿波导管26的X轴的相同位置。值得注意的是，每个切口的最长尺寸和每个矩形波导管60、62、64和66的最长尺寸方向与X轴垂直。换句话说，这些开口相对于传播方向来说是横向地展延。
波导管60、62、64和66都分别地装有滤波器70、72、74和76(图2)，以滤除发射频率和让接收频率通过。
与波导管26的相对面52和56相连的矩形波导管分别连接到“混合接头”(图2)的两个输入端78和80，“混合接头”的输出端连接到3db/90°型耦合器86的第一个输入端84。
同样地，与相对面54和58相连接的矩形波导管分别连接到另一个“混合接头”90的输入端，“混合接头”的输出连接到耦合器86的第二个输入端92。
耦合器86由它的第一个输入端84接收在第一个方向上的线极化信号，并由第二个输入端92接收在正交的方向上的线极化信号。这些信号是在馈源中右旋圆极化和左旋圆极化的两个分量。耦合器在分别在它的输出端94和96提供表示和区分两正交的圆极化信号。例如，在输出端94上的信号表示右旋圆极化而在输出端96上的信号表示左旋圆极化。下面将对这样的耦合器的实施例参照附图7到9进一步描述。
应注意到，对于发射和接收使用分离的极化器可以优化极化器，并使接收和发射加宽C波段信号的天线馈源得以实现。
方截面波导管26也对加宽发射和接收频带有贡献。
在方案的变种中(没有示出)，波导管26的内侧面有沟纹，即肋条沿垂直x轴方向延伸。在另一个变种中，变换器24含有圆截面的波导管来代替方截面的波导管26，圆截面波导管也备有沟纹，较之没有这种沟纹的波导管它能够加宽频带。
现参考附图3和4。
波导管26通过其前表面28连接到波导管100(图4)，保证在方截面波导管26与喇叭的圆截面波导管之间的过渡。
连接发送通路的圆截面波导管32在波导管26中由膜片102终止，膜片102在例中是十字形的，即含有相互垂直的槽104和106。膜片102使接收频率短路。
在膜片106的后面，靠着壁30的内表面装有环108。环108与膜片102相结合，用来反射朝向波导管26的侧壁内的诸槽的接收信号，以阻止接收信号进入发送通路。
发送通路的圆波导管32装有其它环形膜片110，112用作匹配阻抗使发射频率包含在5.85GHz和6.65GHz之间。
在每个接收通路的方截面小波导管，例如波导管60(图4)中，也装有膜片114、116和118。膜片116和118的每一个都是凸起于波导管60的矩侧面的矩形板面或肋条。这些肋条，对于膜片116分别被参照为1161和1162，都垂直于波导管60的大表面117。
相反地，最靠近波导管26的对应槽(图4没有示出)的膜片114由两个板1141和1142构成，两板面1141和1142也垂直于波导管60的小侧面而平行于大侧面117。
膜片114、116和118构成的滤波装置能够阻止发射频率并让接收频率通过。
现参考附图5和6，图5和图6表示图2所示的发送通路中的一个“中隔”型极化器。
中隔型极化器50含有两个输入波导管130和132，输入端44位于波导管130的末端而输入端46位于波导管132的末端(图2和6)。在这些输入端附近，波导管为矩形截面，随后它们为半圆形截面。
该两波导管130和132连续地连接到圆截面波导管134，波导管134的直径等于每个半圆波导管130和132的截面的直径。在波导管134中，从波导管130和132的接合区，安装有一个含有波导管134的轴线的中心壁板或薄板136。在波导管130和132的接合区，中心板的高度径向上等于波导管134的内径。朝着输出区域138，壁板136的宽度分级地减小，亦即端截面展现为阶梯状。在例中，安排的四个阶，分别为140、142、144和146。
加在输入端44和46的线极化信号，在输出端150，被变换为圆极化信号。加在输入端44上的信号被变换为右旋圆极化信号，而加在输入端46上的信号被变换为左旋圆极化信号。
在加宽C波段上，圆极化的质量亦即它的椭圆度，取决于端面138的切割，尤其取决于阶的数目和每个阶的长度(在轴向)和高度(在径向)。特别是可观察到，阶的数量越高，极化器的通频带越宽。还可以注意到每个阶的长度和高度是不相等的。
现参考附图7到9，它表示了在接收通路中耦合器86的一个实施例。在已知的方法中，“Riblet”型3db/90°耦合器(图2)如加在输入端84的信号在输出94和96按照相同幅度被发送，输出信号相互间有90°相位差。同样地，加在第二个输入端92的信号在输出端94和96有相同幅度并且输出信号相互间有90°相位差。
这样的一个耦合器含有两个波导管160和162，在连结区164相接合。这些波导管是矩形截面的并安放得使它们的与截面的短边相对应的小表面166和168是相邻的，在连结区164，上述表面或壁板被取消了。
连结区具有底板内壁170和顶板内壁172(图8)。每个壁的宽度-即它们与传播方向y垂直并平行于波导管160和162的大表面的尺寸-等于波导管160、162中每一个的矩形截面的最长边尺寸的两倍。连结区的高度，即壁板170和172之间的距离等于波导管160和162的截面的短边。
底板壁170装有一凸起部174，它的基底176为曲线形状并向传播方向Y横向延伸(图7)。凸起部分174的基座176占有底板170的很大部分(大约75％)面积。这个凸起部分174的顶部178的尺寸明显小于底座176的尺寸。顶部也横向向传播方向Y延伸。凸起部分的顶部和底座都位于连结区164的中心。
凸起部分174分别由肋条180、182、184和186延伸。为了简单起见只描述了单独一根肋条，此肋条标为180，其它肋条是类似的。
肋条180由垂直于下壁170的一个壁构成，在连结区164内部这个肋条的高度与凸起部分174的高度相同。这个肋条180朝向波导管160的输入分支1601，并部分穿入所述分支1601。在所述分支中肋的高度逐渐减小。换句话说，肋条180的末端为楔形或斜棱形190。在斜棱190的相反端，肋条180连接到朝着波导管160的凸起部分174的顶部178的末端192。
肋条184朝向波导管160的输出分支1602，肋条182朝向波导管162的输入分支1621，且肋条186朝向同一波导管162的输出分支1622。肋条182和186由凸起部分的顶部178的端面194相连接，该凸起部分远离端部192，另外的肋条180和184通过端部192相连接。
调整螺钉196安装在临近边缘198的顶板172。另一调整螺钉200位于顶板172的中心。这些螺钉使能够调整输出波之间的耦合，即调整波的相对幅度。
可以看到，横向向信号传播方向Y延伸的凸起部分174使得输出信号能够在宽频带上，并且不管怎样，在接收C波段的800MHz上振幅保持大约在0.1dB之内。肋条180、182、184和186还显著地改进了所希望的宽带宽上的耦合器的性能。
连结区164的尺寸与常规的Riblet型耦合器的尺寸有相同数量级。在已知的方法中，耦合器的特性是由共存于连结区164中的模式TE10和TE20造成的。
但本发明中，TE10模式被变换为U型TE10模式，这使得波导管波长λG更稳定，与U的尺寸相关的使用频带更宽。
在图9所示实施例中，连结区164的顶板172含有一个与凸起部分174类似的凸起部分210，它也由通过与连接在凸起部分174相关的肋条相似的四个肋条所延伸。凸起部分210及与其相连接的肋条的尺寸和配置与凸起部分174及其对应的肋条的尺寸和配置相同。
在一个变型中，凸起部分174和可选凸起的部分210不是由连续的元件构成，而是由象凸块那样的各个凸起部分紧密地靠近在一起，以形成与连续的凸起部分相同的结果。
在另一个变型中，极化器86被省略，接收信号以线极化的方式被使用。接收信号被在混合接头的82和90的输出端恢复。
同样是一个变型，就发送来说，仅仅安装了一个双工器42而没有极化器36，发送以正交的线极化信号来执行。
对于发射，可以使用一个双工器和一个旋转90°的极化器，因而发射以正交线极化信号来执行。
在进一步的变型中，馈源包括少于以上描述的实例中安排的四个通路(两个发送通路和两个接收通路)的一定数量的通路。在这个实例中，没有使用的通路被加载。
所描述的天线馈源尤其适用于直径在1米至32米或更大一些之间的无线通信天线。

Claims (27)

1.发射和接收微波的天线馈源，包括一个变换器，用来从接收信号分离发射信号，使发射信号频率与接收信号频率不同，上述天线馈源的特征在于变换器含有一个方截面波导管(26)，波导管(26)的一端连接到辐射元件，另一端连接到发射通路，这个发射通路由终止于方截面波导管(26)内部的圆截面波导管组成。
2.发射和接收微波的天线馈源，包括一个变换器用来从接收信号分离发射信号，使发射信号频率与接收信号频率不同，上述天线馈源的特征在于变换器(24)包括在垂直于传播方向延伸的肋条或沟纹的波导管，并且上述波导管的一端连接到辐射元件，另一端通过终止于波导管内部的圆截面波导管连接到发送通路。
3.根据权利要求2的天线馈源，其特征在于其变换器(24)具有肋条或沟纹的波导管为圆截面。
4.根据权利要求1到3中的任一项的天线馈源，其特征在于接收信号通过变换器的波导管(26)的侧表面传送。
5.根据前述任一权利要求的天线馈源，其特征在于接收通路包括通过向传播方向横向延伸的开口或槽连接于变换器(24)的波导管的侧表面的波导管。
6.根据前述任一权利要求的天线馈源，其特征在于发送通路借助于滤波装置(102，108)连接到变换器(24)的波导管(26)上，滤波装置允许发射频率信号通过并反射在接收频率的信号。
7.根据前述任一权利要求的天线馈源，其特征在于发送通路的波导管装有一个膜片，例如位于变换器(24)的波导管(26)的内部成双槽(104，106)的形式。
8.根据权利要求6或7的天线馈源，其特征在于滤波装置包括位于变换器(24)的波导管(26)内部的环(108)。
9.根据前述任一权利要求的天线馈源，其特征在于从变换器到天线辐射元件的连接使得由辐射元件接收的信号和向辐射元件发送的信号的极化状态得到保持。
10.根据权利要求9的天线馈源，其特征在于变换器(24)的波导管(26)的两个相对侧面(52，56)连接到加法电路(82)，例如混合接头的两个输入端，而变换器(24)的波导管(26)的另外相对侧面(54，58)连接到第二个加法电路(90)，例如混合接头的输入端，两个加法电路(82，90)的输出端提供相互正交的线极化信号。
11.根据权利要求9或10的天线馈源，其特征在于，在接收通路中，有用来把线极化信号变换为圆极化信号的极化器(86)。
12.根据权利要求11的天线馈源，其特征在于极化器(86)含有3db/90°型耦合器，例如“Riblet”型。
13.根据权利要求12的天线馈源，其特征在于3db/90°耦合器包括两个矩形截面波导管(160、162)，波导管(160，162)的输入分支和输出分支在矩形连结区(164)连接在一起，连结区(164)的高度等于波导管截面的短边长度而宽度是波导管截面长边尺寸的两倍，这个连结区的顶板(172)和/或底板(170)中的至少一个有一伸向内部并横向地延伸到波传播方向Y的凸起(174)。
14.根据权利要求13的天线馈源，其特征在于凸起(174)有一个底座(176)，它占据连结区(164)的相应壁(170)的一大部分面积，并有一个自由端或顶部(178)，它们的尺寸明显较小。
15.根据权利要求11的天线馈源，其特征在于凸起(174)的顶部(178)占据连结区(164)的中心位置。
16.根据权利要求13到15中的任一个权利要求的天线馈源，其特征在于凸起(174)与朝向两个波导管的输入分支的肋条(180，182，184，186)是连成一体的。
17.根据权利要求16的天线馈源，其特征在于这些肋条与凸起(174)基本上一样高。
18.根据权利要求16或17的天线馈源，其特征在于每根肋条都穿入波导管分支，并且穿入分支的末端高度在从连接到分枝的方向上递进减小。
19.根据权利要求16到18中的任一项的天线馈源，其特征在于向第一个波导管(160)延伸的肋条通过向第一个波导管延伸第一端(192)连接到该凸起的顶部(178)，而向第二个波导管(162)的输入和输出分支延伸的肋条通过第二个端(194)连接到凸起(174)的顶部(178)。
20.根据权利要求13到19中的任一个权利要求的天线馈源，其特征在于耦合器的连结区(164)中装有调整装置(196，200)用来调整输出信号之间的耦合。
21.根据前述任一项权利要求的天线馈源，其特征在于发送通路安装有隔离型极化器(50)，用来把线极化号变换为右旋或右旋圆极化信号。
22.根据权利要求21的天线馈源，其特征在于极化器(50)包括两个半圆截面输入的波导管(130，132)，它们连接到一个圆截面的输出波导管(134)，输出波导管(134)有从输出波导管连接到输入波导管的连结区域延伸的轴向隔板(136)，该轴向隔板(136)在向着输出波导管(134)的输出端(150)的方向上，在一个高度以阶梯(140、142、144和146)减小的区域上终止。
23.根据权利要求22的天线馈源，其特征在于极化器(50)的通频带由所选择的壁(136)的末端阶梯的适当数目来调整。
24.根据权利要求22或23的天线馈源，其特征在于阶梯的长度在轴的方向上是不等的。
25.根据权利要求22到24中的任一个权利要求的天线馈源，其特征在于阶梯的高度沿径向是不等的。
26.根据前述任一权利要求的天线馈源的应用，用于接收3.4GHz到4.2GHz带宽的信号。
27.根据权利要求1到25中任一个权利要求的天线馈源的应用，用于发送频率在5.85GHz到6.65GHz之间的信号。
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