CN1289158A - 具有造形表面的电磁波反射器,天线系统及表面测定方法 - Google Patents

具有造形表面的电磁波反射器,天线系统及表面测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有造形表面的电磁波发射器,其中反射器(1)的局部造形这样地构成,即反射器(1)具有多个空间上分开的焦点(10a,10b,110a,110b)。由此可使出自空间上分开的辐射器(4a,4b,40a,40b)的电磁波射束(5a,5b,50a,50b)、尤其是具有不同频率或频带的电磁波射束通过照射反射器(1)被瞄准到一个共同的照射区域(3,3a,3b)上。

Description

具有造形表面的电磁波反射器， 天线系统及表面测定方法
本发明涉及具有特定造形表面用于电磁波的反射器及具有带造形表面的反射器的天线系统。这种具有造形表面的反射器已由现有技术所公知。
在EP0920076中就已描述了一种具有带造形表面的反射器的天线系统，其中出自分开的辐射器的两个射束被聚焦在不同的照射区域上。
在EP0915529中描述了一种可能性，即借助具有造形表面的一个反射器由多个辐射器的多个射束形成一个单一的射束，该射束对准在一个照射区域上，其中多个辐射器通过一个合适的分配网互联。
US4298877描述了一种具有造形表面的反射器，它用于将两个射束聚焦在两个不同的接收器(卫星)上。
US5684494提出了一种通过由两个反射器组成的反射装置来聚焦不同偏振的分开射束，其中每个反射器构作光栅反射器并仅对一个偏振方向起作用。
由现有技术各种的这些反射器仅是有限地适于应用，其中可实现用于对一个共同照射区域的发送方向及接收方向具有高效去耦的一种双向射束，尤其是可与在发送方向及接收方向上使用相同的频率和/或相同偏振的可能性相结合。但它迄今具有以下问题：
-在具有用于发送方向及接收方向共用的辐射器及使用一个反射器的简单结构的情况下，在发送方向及接收方向之间的电磁辐射不能形成足够的去耦。这必需通过附加的组件来产生，例如在分开的发送及接收频率上的分频器，如在通信技术中所常用的，或在相同发送及接收频率上的环行器，如在雷达技术中所常用的。
-如果通过分开的辐射器来达到去耦，则需要昂贵的结构，如US5684494中的情况，需要多个反射器，但这限制了可使用的偏振方向，因为对于发送方向及接收方向必须给出不同的偏振方向。这就明显地限制了可通过天线发送的数据量。
因此，本发明的任务在于，提供一种可能性，它允许在可传输最大数据量的情况下作到电磁波的去耦的双向传输。
该任务将通过目前的权利要求1的特征来解决。权利要求9包括一个天线系统，其设有一个根据本发明的具有造形表面的反射器。此外权利要求13包括用于测定反射器表面形状的方法。
根据本发明，反射器的表面具有一个局部的造形，它这样地构成，即反射器至少具有一组空间上分开的焦点，及出自该组焦点的射束通过反射器被瞄准到一个共同的照射区域上。但该反射器也可具有多组焦点，其中出自一组焦点的射束通过反射器被瞄准到一个共同的照射区域上。在此情况下，在该照射区域中可以聚焦到一个共同照射点、例如一个远程接收天线上，但也可以在照射区域中的射束具有确定覆盖的延伸，它在很大程度上可与照射区域的形状，例如地面的一部分适配。在相反的射束方向上，即由照射区域出发到焦点的方向上，在该第一构型的情况下，可聚焦到所有焦点上，由此接收器基本上可被布置在每个焦点上。这里发送器的瞄准作用或聚焦作用与射束的频率或偏振无关。
在本发明的一个进一步构型中，设置了反射器的频率选择作用，即对于不同的频率或频带可得到不同的焦点位置，或在不同的频率或频带时增强空间分离，这里出自一组焦点的射束接着通过反射器被瞄准到一个共同的照射区域上，而在相反方向上，每个频率或频带仅被聚焦到各焦点中的一个上。因此用于确定频率或确定频带的接收器可被设置在相应的焦点上。
在一个工作状态中反射器可用于：一方面，使出自一个焦点上的一个发送器的射束瞄准到照射区域上，另一方面，使出自照射区域的射束瞄准到一个焦点上。这种发送器及接收器的名称应比辐射器更普遍地使用。并且在功能上辐射器可能有不同于发送器及接收器的方案：
a)非频率选择的反射器表面形状：
从各设在一个焦点上的每个辐射器出发的射束通过反射器被瞄准到照明区域上。相反方向的射束被聚焦到所有焦点上。这时发送的辐射器也同时用作接收器。在另外焦点上的辐射器则将工作在另一频率上。聚焦在各焦点上的射束的接收可通过不同于原来接收器的辐射器来进行，而不会对该另外的辐射器有不利的影响，因为一方面要进行辐射器特定频率的校整，及另一方面接收功率通常比辐射器的发送功率低得多。
但是如果除发送的辐射器外还设有作为另一焦点上的接受器的一个分开的辐射器时，则也聚焦在其焦点上的接收射束同样对发送辐射器无影响，因为仍是接收功率通常远低于辐射器的发送功率。
b)频率选择的反射器表面形状：
为此使用了在一个焦点上设置一个辐射器，它仅作为一定频率上或一定频带中的发送器，而在另一焦点上设置另一辐射器，它仅作为对另一频率或另一频带的接收器。一个接收的射束通过反射器频率选择功能仅被聚焦在该接受器上。
可以设计，各个电磁波射束具有不同的偏振。因此除通过多个焦点的空间分离外还可实现进一步去耦。但另一方面，也可设计，配置于不同焦点的射束具有相同的偏振方向。因此根据本发明的反射器具有这样的优点：对于具有任意偏振方向的电磁波的去耦传输仅需要一个反射器。因而根据本发明的装置具有比现有技术更好的简单性及效果。
现在可这样来设计反射器的造形表面：反射器仅具有两个焦点，以使得出自设在这些焦点中的两个空间上分开的辐射器的电磁波射束、例如不同频率或频带射束被瞄准到一个共同的照射区域上。因此在此情况下实现了反射器结构仅适配于两个射束源。
但是反射器的表面造形也可这样地适配，即反射器具有多于仅两焦点，由此可使用多于仅两个辐射器，它们的射束被聚焦到相应的照射区域上。可以设置多组空间上分开的辐射器，其中反射器的表面造形被这样地设计，即由第一组空间上分开的辐射器发出的电磁波射束、例如具有不同频率或频带的射束被聚焦到第一共同照射区域上，及由第二组或必要时另外组的空间上分开的辐射器发出的电磁波射束被聚焦到第二共同照射区域上。在此情况下，每一个组可包括两个或多个辐射器。每组的各个辐射器彼此例如可用不同频率或频带工作，而各个频率或频带在所有组中可并列地被使用。当然也可在一组内对多个辐射器使用相同频率，如以上所描述的。
尤其是该反射器可具有单个表面区域，该区域一个对照射区域及必要时对一个频率或频带起作用。因此，不一定要整个反射面这样地设计，即整个地对单个射束起到所需的聚焦作用。对此也不一定需要通过单个射束对整个反射器完全照射。而该照射被限制在对一定的照射区域及必要时对一定的频率或频带起作用的表面区域上。这可实现对于各个频率或照射区域的反射器表面的进一步优化。
反射器还可具有用于实现在与照射区域相邻的区域中起隔离作用的表面区域。这种隔离作用用于：进一步降低各个照射区域上的照射，及进一步降低在照射区域的相邻部分、尤其在照射区域之间可能有的干扰杂散照射，例如是旁瓣或射束的交叉极化分量引起的。由此也可使与照射区域相邻的并在任何情况下应避免照射的一定区域变小。如果为此目的设置分开的反射表面区域，则可使它与反射器另外的表面区域进一步无关地被优化，以便以尽可能理想的方式实现所需功能。但也可为此目的，利用同时对相邻的照射区域及必要时对另外频率或频带起作用的表面区域。
反射器的表面造形例如可这样地设计，即反射器的表面构成一个平面或曲面，其中该面上覆盖由突起及下凹组成的局部细致结构。因此反射器的反射作用一方面可通过反射器表面的整体造形(平的或弯曲的)来确定，另一方面对于照射区域或隔离区域及必要时也对于各个频率或频带的反射作用可通过反射器表面的局部造形来适配或优化。
反射器表面可类似分级结构，具有不同量级的多级细致结构。因此，该整体表面结构可具有覆盖了第一较小量级的第一局部表面结构及覆盖了亦为较小量级的第二局部表面结构的整体表面结构。并还可以覆盖另外一些级的局部结构，后者每个具有变小的量级。
此外本发明还包括一个天线系统，该天线系统设有根据本发明的具有造形表面的反射器。在这样一个天线系统中设有至少一组第一和第二辐射器。其中该组的第一辐射器与第二辐射器在空间上分开地布置。以下将从第一组的第一辐射器及第二辐射器出发，但并不限制其普遍性。第一及第二辐射器各布置在反射器的一个焦点上，以使得第一及第二射束从第一及第二辐射器出发被瞄准到一个共同的照射区域上。在此情况下第一辐射器起发射机作用及第二辐射器起接收机作用。由此就得到一种能以简单方式去耦及在双向上传输电磁波的天线系统。
在该天线系统的进一步构型中可考虑：第一辐射器被设计成用于具有第一频率或第一频带的射束，及第二辐射器被设计成用于具有与第一频率不同的第二频率或与第一频带不同的第二频带的射束。对此的应用例如为，在通信技术中使用这种天线系统，其中对于发送方向使用第一频率或第一频带，对于接收方向使用第二频率或第二频带。
现在可考虑，第一及第二辐射器的每个及反射器的表面结构被这样地设计，即每个辐射器照射到整个照射区域。因此设置了一种简单的装置，它对于一个照射区域仅设有一个发送方向上的辐射器，尤其是使用一定的频率或一定的频带，及仅用另一辐射器作为接收器，尤其是使用另一频率或另一频带。原则上，当然可设置多于两个的辐射器，其中尤其可考虑，对于每个辐射器设计使用与其它辐射器不同的频率或不同的频带。
在本发明的天线系统中也可设置各个辐射器的多组。其中第一组设有第一及第二辐射器，它们的射束被瞄准到第一照射区域上。各个辐射器可对于不同的频率或频带设计。此外至少设有第二组辐射器，它们的射束被瞄准到与第一照射区域不同的第二照射区域上。并且第二组的辐射器可对于不同的频率或频带设计，其中可使用相同频率或频带的各组。原则上也可使用多于两组的辐射器，在此情况下，可设置第一及至少另一空间上彼此分开的组。其中每一组包括至少两个单独的辐射器。
以下将描述用于测定反射器表面结构的一种方法，该反射器具有至少一组空间上分开的焦点，其中出自一组焦点的电磁波射束通过反射器被瞄准到一个共同的照射区域上。该方法例如可借助计算机程序以仿真方式或通过反射器的重复造形来实现。
将从用于反射器的一个球面结构(例如弯曲成抛物面)出发对于至少两个不同频率的射束的一个预定位置来确定反射器的反射功能。接着，通过至少具有第一相对粗量级的反射器表面的第一局部变化，即通过构成反射器球面结构上的突出及下凹这样地改变反射器的反射功能，即对于各个辐射器的位置实现其射束在照射区域上的粗定向作用，即在第一粗步骤中，力图作到在辐射器位置上构成空间上分开的焦点。
最好在优化反射功能的第二步骤中实现反射器表面的第二细局部结构，但现在用覆盖在第一局部结构上的较小尺寸，即在已形成的粗突出及下凹上构成细致的突出及下凹。该优化这样地进行，即从辐射器到共同照射区域上的射束的定向作用被改善，即在辐射器位置空间上分开的焦点的构成被优化。
在需要时，该反射器表面的局部结构可在另外步骤中用更细的结构量级重复地进行下去，以便达到尽可能好的结果。由此我们得到一种具有不同量级的不同结构的分级式反射器表面结构。
在上述优化步骤中，辐射器的空间位置及其定向，即它们彼此及相对反射器的位置也可变化，由此使被辐射器照射的反射器区域的位置及大小可以改变。这样就可保证，在任何情况下可对各个优化步骤找到全局的优化。
以下将借助图1至5来描述本发明的一个实施例。附图为：
图1：根据本发明天线系统的概要示图：
图2：根据本发明的一个反射器被多个辐射器照射的概要示图：
图3：根据本发明的一个反射器的表面的概要示图；
图4：通过根据本发明的天线系统实现的照射区域及隔离区域的概要示图。
图1表示根据本发明的一个天线系统，如可用于通信技术中，譬如可整体地安装在一个地面站还通信卫星中。其中该天线系统具有一个带造形表面1的反射器。一个辐射器4a,4b的组2被这样地布置，即在发送状态该反射器至少部分地被照射。在此情况下，辐射器4a,4b对于彼此不同的频率或频带来设计。此外辐射器4a,4b在空间上彼此分开地布置。辐射器4a,4b被布置在反射器1的两个焦点10a,10b上，以使得出自辐射器4a,4b的射束5a,5b被反射器1的表面反射并瞄准到一个共同的照射区域3。当譬如该天线系统应用在一个通信卫星的情况下，该照射区域可位于地表面。
但也可考虑，不是两个辐射器作为发送器工作，而仅是辐射器4a作为发送器工作。辐射器4b相反地作为接收器。在此情况下，相关的射束5b不是从辐射器4b到照射区域3，而是在相反方向上行进。反射器1通过表面的相应局部造形被设计成可频率选择的反射器，以使得出自照射区域3的射束5b仅被聚集到在其上布置辐射器4b的那个焦点10b上。
图2表示由多个辐射器对具有造形表面1的反射器的表面9的照射。这里设有两个辐射器组2,20，其中第一组2由辐射器4a,4b组成，它们被布置在反射器1的第一焦点组10a,10b上，第二组20由辐射器40a,40b组成，它们被布置在第二焦点组110a,110b上。第一辐射器组2发送射束5a及接收射束5b，其中这两个射束5a,5b具有彼此不同的频率或频带。类似地，第二辐射器组20发送射束50a及接收射束50b，这两个射束也。具有彼此不同的频率或频带。但是这两个辐射器62,20的射束5a,5b,50a,50B可具有彼此相同的频率或频带。因此，譬如射束5a可具有与射束50a相同的频率或频带。相应地这也适合两个射束5b及50b。
此外，各个射束可具有任意的偏振。因此，譬如射束5a,5b可具有相同的偏振，而不会影响系统的功能。
这两个辐射器组2,20这样地相对反射器1或它的表面布置，即在发送状态下，每个辐射器4a,4b,40a,40b主要照射反射器的一定表面区域6a,6b,60a,60b。因此这每个表面区域6a,6b,60a,60b几乎仅对一定的照射区域3a,3b及对一定的频率或一定的频带起作用。在相反的射束方向的情况下，这也相应地适用，因为这两个射束方向受到反射器相应方式的影响，即具有互易的性能。
图3也表示反射器的表面造形。其中该反射器表面具有一个整体造形，在图1的情况下，该整体造形是一个轻微的抛物曲面。此外反射器表面9具有一种局部造形，它通过不同量级的局部突出及下凹构成。在此情况下，在具有第一量级的粗的突出及下凹上覆盖了具有较小量级的另外细的突出及下凹。这些局部的突出及下凹尤其位于对各个照射区域3a,3b或相关的频率或频带起作用的结构区域6a,6b,60a,60b中。此外，在图3中表示出反射器表面9的一个附加结构区域7，通过它可引起一个隔离区域8的产生。在此情况下，该隔离区域用于遮蔽地面12的一部分，如图4所示。相反地，结构区域6a用于使射束5a瞄准到相关的照射区域3a，这同样表示在图4中。结构区域6b用于使出自相关照射区域3a的射束聚焦到焦点10b上的辐射器4b上。类似地，结构区域60a及60b用于使射束50a瞄准到第二照射区域3b及使射束50b瞄准到辐射器60b上。
进一步的隔离功能是必须的，由此使瞄准照射区域3a及3b的射束实际上仅照射到相应的照射区域上，而不会瞄准到相邻的照射区域上，在相邻的照射区域上它们将会引起干扰。该隔离也可如上所述地通过反射器表面的相应适配来达到。如果象在此例子中照射区域3a的照射通过反射区域6a,6b来实现，并存在其散射射束也到达3b的危险，则反射器区域60a,60b除上述功能外将如此地适配，即在反射器1上出现的将到达反射器区域60a,60b的射束5a的散射射束通过这样的方式被瞄准到照射区域3b上：它们与从反射器区域6a,6b照射到照射区域3b上的散射射束形成相消干扰，及由此使照射区域3b中的有效散射射束实际为零。类似地，这也适用于对区域3b的照射及由此在照射区域3a中引起的散射射束。

Claims (15)

1．具有造形表面的电磁波反射器，其特征在于：反射器(1)的表面具有一个局部的造形，它这样地构成，即反射器(1)至少具有一组空间上分开的焦点(10a,10b,110a,110b)，及出自一组焦点(10a,10b,110a,110b)的电磁波射束(5a,5b,50a,50b)通过反射器(1)被瞄准到一个共同的照射区域(3,3a,3b)。
2．根据权利要求1的反射器，其特征在于：反射器(1)至少具有两个第一焦点(110a,110b)组成的第一组，其中出自第一焦点(10a,10b)的射束(5a,5b)被瞄准到第一照射区域(3,3a)上。
3．根据权利要求2的反射器，其特征在于：反射器(1)有两个第二焦点(10a,10b)组成的第二组，其中出自第二焦点(10a,10b)的射束(50a,50b)被瞄准到第二照射区域(3b)上。
4．根据权利要求1至3中一项的反射器，其特征在于：反射器(1)具有单个的表面区域(6a,6b,60a,60b)，它们各对照射区域(3,3a,3b)起作用。
5．根据权利要求1至4中一项的反射器，其特征在于：反射器(1)具有单个的表面区域(7)，它能实现与照射区域(3,3a,3b)可相邻的区域(8,3b,3a)中的隔离作用。
6．根据权利要求1至5中一项的反射器，其特征在于：反射器(1)的表面的局部造形是这样设计的，即焦点(10a,10b,110a,110b)的空间位置与频率有关。
7．根据权利要求1至6中一项的反射器，其特征在于：反射器(1)具有单个的表面区域(6a,6b,60a,60b)，它们各对照射区域(3,3a,3b)及一个频率或一个频带起作用。
8．根据权利要求1至6中一项的反射器，其特征在于：反射器(1)具有一个整体的表面造形，它被具有变小量级的多个局部表面造形重迭地覆盖。
9．设有根据权利要求1至8中一项的具有造形表面的反射器及设有至少一个具有至少一个第一和至少一个第二辐射器(4a,4b,40a,40b)的组的天线系统，其中第一辐射器(4a,40a)与第二辐射器(4b,40b)空间上分开地布置，及第一和第二辐射器(4a,4b,40a,40b)各布置在反射器(1)的一个焦点(10a,10b,110a,110b)上，以使得第一及第二射束(5a,50a,5b,50b)从第一及第二辐射器(4a,4b,40a,40b)出发被瞄准到一个共同的照射区域(3,3a,3b)上。
10．根据权利要求9的天线系统，其特征在于：第一辐射器(4a,40a)被作成发射机及第二辐射器(4b,40b)被作成接收机。
11．根据权利要求9或10的天线系统，其特征在于：第一辐射器(4a,40a)被设计成用于具有第一频率或第一频带的射束(5a,50a)，及第二辐射器(4b,40b)被设计成用于具有第二频率或第二频带的射束(5b,50b)。
12．根据权利要求9至11中一项的天线系统，其特征在于：设有第一组(2)辐射器(4a,4b)，它被这样地布置，即出自辐射器(4a,4b)的射束(5a,5b)被瞄准到第一照射区域(3a)上，及设有第二组(20)辐射器(40a,40b)，它被这样地布置，即出自辐射器(40a,40b)的射束(50a,50b)被瞄准到第二照射区域(3a)上，其中第一组(2)及第二组(20)在空间上彼此分开地布置。
13．根据权利要求9至12中一项的天线系统，其特征在于：第一及第二辐射器(4a,40a,4b,40b)的每个被这样地布置及反射器(1)的表面造形被这样地设计，每个辐射器(4a,40a,4b,40b)照射整个照射区域(3,3a,3b)。
14．用于测定一个反射器(1)的表面造形的方法，该反射器(1)至少具有一组空间上分开的焦点(10a,10b,110a,110b)，及出自一组焦点(10a,10b,110a,110b)的电磁波射束(5a,5b,50a,50b)通过反射器(1)被瞄准到一个共同的照射区域(3,3a,3b)上，其中从用于辐射器(4a,4b,40a,40b)的确定位置的反射器表面的整体基本结构出发，在多个交迭的步骤中通过构成局部突出及下凹这样地改变该反射器的局部表面结构，即达到使射束(5a,5b,50a,50b)聚焦到一个共同的照射区域(3,3a,3b)上。
15．根据权利要求14的方法，其特征在于：除反射器表面的局部变化外，辐射器(4a,4b,40a,40b)相对反射器的位置也进行变化。
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