CN1301057A - 用于安装在卫星上的收发天线的辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明是关于用来装在卫星上收发辐射源(40),这个辐射源在一个地区内确定一个辐射图,这个辐射源是安装在一个反射器的焦平面上或装在它的焦平面附近,这个反射器还和与别的地区相对应的辐射源相关联。这个辐射源中有多个辐射口(42₁、42₂、…、42₇)及这些辐射口的供能装置(50₁、…、50₇),其中每个辐射口的效率至少为70%。这些辐射口及这些供能装置使得由辐射口整体所辐射的能量至少在发射中是在实际上限制在相应的反射器内。

Description

用于安装在卫星上的收发天线的辐射源

本发明涉及卫星上的收发天线。所述的卫星是一个通系统的一部分，这个天线在这个系统中转接着被分成多个区域的一个地面区内的通讯。这个地区被划分成多个区域，每个区域被分配一个由基本辐射单元构成的初级源，而这基本辐射单元对于多个源可以是共同的。

和全球覆盖相比，将卫星的覆盖划分成多个区域具有下面的好处：能量性能得以改善，且频率可以从一个区域到另一个区域进行重复使用，例如可以将所提供的频带分成多个子频带，且这些子频带的分布使得在相邻的两个区域使用不同的子频带。

无论是地球同步卫星还是非地球同步卫星都是将卫星的覆盖区分成多个区域。后面的描述限定在同步卫星的电信系统中，但本发明亦可应用于非同步卫星系统与移动站之间的通信。

主要考察的例子是用于高位速率称为多媒体服务的Ka频带电信系统，在这个频带中发射频率为20GHz，接收频率为30GHz。这样的高频使得不论在卫星端还是在地面的设备的体积都很小，因此降低造价，这一点对于所有的地面设备有利于大批量的制造。

一个同步卫星的典型电信系统所覆盖的地区从卫星的角度来看约为6°，且将这个地区分成的区域数在四十个到一百个之间。在这个系统中，每个区域是用一个高方向性的线偏振(或圆偏振)束来实现的，在覆盖的区域的边缘的方向性约为45dBi。将所用的频带分成四个子频带，为了减少同一频率的各区域间的相互作用，每束的次级瓣相对其主瓣来说要弱，通常假定次瓣的强度要比主瓣的强度弱25dB。

将同一个地区分成多个区域便导致了初级源成为多个，这对于将卫星上的设备的质量和体积最小化是不利的。

在这些设备中有一些反射器，每个反射器都和多个初级源相关联，每个初级源对应于地面上的一个区，但可以有助于多个区域的产生。图1为一示意图，示出一个反射器10，在其焦平面12处安装多个初级源，图中只画出其中的两个14和16，源14发射或接收一束辐射，其边缘在图1中用14₁和14₂表示，而与此同时，初级源16发射或接收的辐射束，其边缘用16₁和16₂表示。每一束14₁、14₂及16₁、16₂构成一个地面区，其直径至少约为一百公里。反射器10的直径约为1米或1.50米左右，足以使每一束覆盖几个分度，以得到在初级源、反射器和地面区域之间的对应，特别是在发射时。

将初级源和反射器10相关联而初级源与远离开的区域相对应，每个初级源14、16都有不可忽视的体积，事实上，地面区彼此越是远离，初始源14、16之间的距离或步长就越是要大。这样，一般说来，要将和两个相邻区域相关联的初级源提供给不同的反射器。在一个例子中是将接收和/或发射的初级源中的四分之一提供给每一个反射器。

这样，从图1看来，可以明白：各地面区域间的地面距离决定着辐射源14、16间的距离，而与此同时，每个地面区的直径决定着反射器的直径。

反射器和辐射源的整体，还有前述的有关次级瓣的各个条件，应该满足于由初级源对反射器的照度的两个附加的条件：

第一个条件是初级源对反射器10的周边20的照明要足够的低，以致辐射对将这个源所分配给的地面区域的邻区没有干扰。

第二个条件是初级源对反射器10的周边20的照明要足够的大，以保证有一个好的表面效率(对于均匀照明而言为辐射束的实际方向性与天线的最大方向性的比)。

例如，对于周边20的照明应比对中央区22的照明低约9dB，以使这两条相对立的条件得以有一个好的折衷。

最后，为使对每个选择的圆区域的照明为最佳，还必须使每个初级源的辐射图为圆对称，不论是发射还是接收都是这样。

由于所给的源的辐的辐射图与频率有关，因此发射与接收不同，为了容易满足辐射源/反射器整体要求的条件，最好将用于发射的源和用于接收的源分开。

于是，这样一个组合的通常的实施方式是将第一反射器用于发射源，将第二反射器用于接收源，尽管这种方案能够满足将各区域间很好地分开来和每束辐射的照度这些条件，但这种方案具有缺陷，致使在卫星上的体积和质量太大。另外，多个反射器也使卫星上的机械安装的复杂性增加。

已经知道，可以对发射和接收使用同一个辐射源，以此来减少卫星上反射器的数量。

为此，必须使用宽频带辐射源(既在发射频带内运行，亦在接收频带内运行)。在这种情况下，辐射源的选择在实际上是限制在称为“瓦楞形”的辐射口内，即具有内部的肋骨形，因为只有这种类型的源才能够得到对于发射频率及接收频率都具有旋转图形并具有满意的反射系数(驻波比TOS)。

然而，对于一个给定的方向性，瓦楞形的辐射口要比窄频带初级源(例如一个陶辐射口)的体积要大。在这些条件下，对于分配给同一个反射器10的各个地面区间的给定距离，初级源间的距离必定比在第一种实施方式中要大。在图1所示的图中，对应于根据前述的第一种实施方式的发射(或接收)源的源14和16就较小，而既接收又发射的源14’和16’就较大。这便看到，在第二种实施方式中，各个源之间距离要大，而在地面上的各个区域的定位就不再那样窘迫。于是就可以缩小瓦楞形辐射开口的大小，这便导致了对反射器10的周边20的过度照明，这里的照明仅比中心22的照明小3dB。这种过度照明导致了系统运行的干扰，而且还损失了能量。

本发明在于提供一种收发器，其中的每个初级源都是宽频带型的，但并没有已知方案中的缺陷，即可以使在发射的反射器的周边的照明保持在足够低的水平。

这样，根据本发明的天线类型是其中的每个反射器是和多个收发源相关联，这种天线的特征在于每个收发源都有多个效率(增益)至少为70％的辐射口及每个辐射口自己的能源装置，这些能源装置对两个不同的辐射口提供不同的能量，以使在反射器周边的照度足够小，以便辐射到反射器外边的能量可以略去不计。而且最好在周边的照度对于发射频率和接收频率在实际上是一样的。

再有，如果所有的东西保持不变，特别是反射器的表面保持不变，例如一个直径约为50mm的圆，每个效率至少为70％的辐射口都比在瓦楞形辐射口的实施中有强的方向性，这便能够减小在反射器边缘的能量。一个瓦楞形辐射口的最大效率(增益)为60％。

这里指出，直到现在，仅仅考察了一个高效率的光滑圆锥形天线的辐射口，而这种天线不适于宽频带的辐射源，因为这种辐射源不能够得到一个旋转辐射图，而这种辐射所具有的强的副瓣不能够将分配给同一子频带的各区域之间的圆锥形天线分开来。而本发明至少在很大部分能克服这种困难。因为和用这些辐射口的整体组成的源相比，各个辐射源的方向性要差，具有高效率的辐射口的单个辐射分布减少了相对于反射器轴线的周围的非对称性。这样在反射器上在两个相互垂直的平面上的辐射级的差距就减小了。

最好做成一个高效率的中央辐射口和多个高效率的周围辐射口，所述的周围辐射口例如沿中央辐射口周围是规则分布的。在一个实施方式中，提供给高效率的中央辐射口的功率大于高效率的周围辐射口的功率，而且所有的周围辐射口是用同样的功率供给能量的。

一般说来，本发明对于每个辐射口有一个供能源，每个供能源的幅度和相位都是可以随着选择的，不管是发射还是接收。换言之，可以借助于多个辐射口和每个辐射口的单独供能，而在发射和接收中随意选择辐射图。

这样，使在接收和在发射中的供能不同。

为了改善辐射相对于反射器轴线的对称性，或相对于辐射开口整体的轴线的对称性，按照本发明的一种布局，各个辐射口都提供有线偏振，且所述的偏振是相对于各个辐射口的布置定向，以使得辐射相对于辐射源的轴线对称性最好。例如，当各个辐射口的分布使得有一个方向是通过辐射源的中心，而这个方向通过最大多数的辐射口的中心，便选择偏振方向垂直于这个方向。

为了避免组成辐射源的辐射口的阵列的瓣，这些瓣减小了在有用方向上的发射功率，各辐射口中心间的距离要小于发射频率处的波长(最小值)，例如发射频率是20GHz时，辐射口间的距离应小于16mm左右。

本发明具有一个装在卫星上的不同频率的收发辐射源，以使在一个地面区域中确定一个辐射图，这个源是装在反射器的焦平面上或接近焦平面处，这个反射器是和对应于其它地面区域的其它源相关联的。这个源有多个辐射口，而每个辐射口的效率至少为70％，这个辐射源还有这些辐射口的供能装置，所有的辐射口以及其供能装置使得辐射口整体所辐射的能量至少在发射时是在相应的反射器处在实际上得到限制。

根据一种实施方式，供能装置使得辐射图在发射和接收中大体上是一样的。

根据一种实施方式，所述的源中有一个中央辐射口和多个周围辐射口。

根据一种实施方式，所述的各个周围辐射口围绕中央辐射口的轴线是规则分布的。

根据一种实施方式，中央辐射口的供能使得中央辐射口产生的辐射最强。

根据一种实施方式，各周围辐射口的供能装置使得由每个周围辐射口所产生的辐射都有相同的强度，且这个强度小于中央辐射口所产生的辐射强度。

根据一种实施方式，由源所发射的辐射都是具有确定的偏振方向的线偏振，且所有的供能装置都使得每个辐射口所发射的辐射都按照这个给定的方向偏振，确定这个偏振方向相对于所有辐射口的方向，使得辐射在空间的均匀性最强。

根据一种实施方式，选择偏振方向，使得在这个方向上穿过辐射源的输出平面中心的直线穿过辐射口的数目为最少。

根据一种实施方式，所有的辐射口和所有的供能装置使得在反射器周边发射的辐射强度要比在相应的反射器中央部分的发射的辐射强度低约9分贝。

根据一种实施方式，发射和接收都在Ka频带。

根据一种实施方式，发射频率约为20GHz，而接收的频率约为30GHz。

根据一种实施方式，两个相邻的辐射口的轴线间的距离约为发射的辐射的一个波长。

本发明还涉及一个电信系统，在这个系统中，通信通过卫星上的天线为媒介进行中继，卫星，特别是同步卫星，其中有带有上面所定义的那种辐射源的一个天线。

在本发明的一些实施方式的描述中将看到本发明的别的特征和优点，在描述这些实施方式时参考下列附图：

图1是已经描述过了，是一个反射器和多个辐射源的示意图，

图2是一个同步卫星电信系统覆盖的一个地区和多个区域的示意图，

图3示出根据本发明的一个初级源的一种实施方式，

图4为一示意图，示出图3所示的一个辐射源的供能方式，而

图5和图6都是图象，示出在图3中所示的源的特性。

现在使用上面附图要描述的本发明的一个实施例是用来安装在同步卫星(图中未画出)上的一个收发辐射源40，而这个辐射源40是在一个地区30(图2)内的电信系统中一个通信的中继，覆盖欧洲大陆的大部分和非洲大陆的一部分，将这个地区分成多个圆形区域311，322、等等。

整个地区30为同步卫星所覆盖(在地面上方36000km)，总辐射口的锥角为6°，而两个相邻区域的中心(相对于卫星的)角距离为0.5度。

在这个实施例中，区域32i的总数为四十八个，而卫星中有四个反射器，而每个反射器和十二个对应于不相邻的区域的初级源相关联。

在所描述的实施方式中，将收发频带分成四个子频带B₁、B₂、B₃和B4，每个子频带是用于不同的十二个区域。如图2所示，是将两个相邻的区域分配不同的子频带，这样可以看到，分配子频带B4的区域32i的周围各区被分配子频带B₁、B₂、B₃的，这些区中没有一个被分配子频带B₄的。

在这个实施例中，分配给同一个反射器的所有的十二个辐射源是对应于同一个发射子频带和同一个接收子频带。

在这个实施例中，发射频率为20GHz，接收频率为30GHz。

根据本发明，每个初级辐射源40(见图3)有多个效率至少为70％的辐射口42₁、42₂,…,42₇且都开口在一个平面44内，这些辐射口在平面44内都是进入直径约为55mm的一个圆46内。

这样，在这个实施例中，辐射口的数量为七个(7)，辐射口421处在中央位置，即这个辐射口的轴线和圆46的轴线重合，且在这同一个平面内，所有的辐射口42₂到42₇都规则地分布在轴线48的周围。在这个实施例中，辐射口42₁到42₇的轴线之间都是相互平行的。

每一个辐射口都和一个供能装置50₁,…,50₇相关联，每个供能源的辐度和相位都是可变的。所有的这些供能无论是对于发射还是接收，在反射器10的周边的照度都在实际上是个常值，且较在反射器10的中央22处的照度小9dB。

这样，选择每个辐射口的发射供能源和接收供能源，以得到所选择的在中央部和在周边部分的照度的分布。

还有，选择每个辐射口的供能，以使得到的辐射图对于发射和接收大体上是一样的。在这种情况下，辐射口在发射中和接收中的供能是不同的。

有多个辐射口，因而有相应的多个供能，这使辐射图的最佳选择变得容易。事实上，这种多个供能构成了一定程度的自由，达到这种结果是因为每个供能都是可以单独进行选择的。

更一般的说，这种多个对辐射口的供能使得对发射和接收的辐射图的选择可以是随意的，彼此独立地进行。换言之，发射辐射图和接收辐射图并非要严格相同，可以根据对天线的不同的约束来进行选择。

另外，在这个实施方式中，如图4所示，这些辐射口的供能的偏振方向(在辐射口42₁、42₂、…等中是一样的)使得在空间将每个辐射口单个所表现出来的不对称性至少大部分被抵消。事实上，在这个实施例中，知道每个辐射口42所具有的辐射图并非是相对于其轴线旋转对称的，而是在偏振方向P较垂直于偏振方向的方向性更强。在圆46内分布有多个这样的辐射口，无需特别预防，就基本上能抵消每个辐射口42的图的单个的非对称性。

另外，相对于辐射口的分布选择偏振方向还能提高辐射图在轴线48周围的均匀性。

这样，在所示的实施例中，偏振方向P₁所在的方向是：具有这个方向且通过轴线48的直线仅穿过一个中央辐射口42₁，而在平面44内穿过其它轴射口的平行直线都规则地分布在轴线P₁的这边和那边。我们知道，这种分布较假如偏振处在与此垂直的方向时要有利于能量的均匀性。后面的方向即在沿穿过中心48的直线54的方向。在后种情况下，有三个辐射口沿这条轴线，而这三个辐射口对于在轴线54的这边和那边的均匀性没有贡献。

这样，在这个实施例中，为了选择辐射的偏振方向，考察通过中心48且穿过最大数量的辐射口的中心的方向，并将偏振方向选取在垂直于这个方向的方向上。

在平面44内，每个辐射口42的半径约为16mm，约为在20GHz时的波长。这样就避免了由这些辐射口42₁到42₇的整体所构成瓣。

在这个实施例中，用一个确定的功率对中央辐射口42₁提供能量，用一个给定的小于对辐射口42₁供能功率的一个功率对周边的辐射口42₂和42₇提供能量，由此获得正确的运行。

根据本发明的源40具有如传统的瓦楞形辐射源那样的偏振纯度的性能，同样宽的通频带以及同样的辐射图的对称性，但和这种已知的方案相比，辐射源40具有能够使溢出反射器之外的损耗最小，又能使发射中和接收中的反射器的照度实际上相同等方面的优点。另外，根据本发明的辐射源的制造要比瓦楞形辐射口要简单，因为高效率的辐射口42的制造要比瓦楞形辐射口(最大效率为60％)的制造要简单，后者在肋条的测定上有很高的精度。

在图5中示出图3和图4所示的辐射源40的发射(20GHz)的辐射图。横座标为角孔径(ouverture angulaire)，纵座标为辐射幅度，用相对于0°轴处的最大值的dB数来表示。

曲线60对应于辐射图的中央瓣，曲线62₁和64₁表示在偏振面内的次级瓣，而曲线62₂和64₂表示在垂直于偏振方向的次级瓣。对于中央瓣60，在偏振方向和垂直于偏振方向上是没有区别的。从这条曲线上可以看出，在孔径角为38°处所对应的反射器10的照度下降为-9dB，这符合要求在外部损失的能量可以忽略不计。如果其它仍都保持在瓦楞形辐射口时一样，则在孔径38°处只降低-3dB。

图6和图5类似，表示接收的辐射图，即辐射源40在30GHz处的辐射图。曲线66对应于偏振方向，而曲线68对应于垂直于偏振方向。在可用的孔径(38°)处，两条曲线66和68重合。还可以看出，在有用孔径处，图象66在实际上和图5中的发射时的图形60是一样的。

当然，本发明并不限制在前面描述的实施方式中，这样，辐射口并非限制在七个，可以或多或少。

Claims (14)

1．一种用于装载到卫星上的具有不同的发射和接收频率的辐射源(40)，使得在一个地区(32i)确定一个辐射图，这个辐射源是装在一个反射器(10)的焦平面上或在焦平面的附近，这个反射器(10)还和对应于其它地面区的其它的辐射源相关联，这种辐射源的特征在于其中有多个辐射口(42₁、42₂、…、42₇)以及每个辐射口的一个供能装置(50₁、…、50₇)，每个辐射口的效率至少为70％，所有的辐射口及它的供能装置使得由全部辐射口整体所辐射的能量至少在发射时实际上限制于相应的反射器。

2．根据权利要求1的辐射源，其特征在于所有辐射口的供能在发射和接收时是不同的。

3．根据权利要求1的辐射源，其特征在于每个辐射口的供能装置使得在发射和接收时的辐射图大体上是一样的。

4．根据权利要求1、2或3的辐射源，其特征在于它具有一个中央辐射口(42₁)和多个周围辐射口。

5．根据权利要求4的辐射口，其特征在于所有的周围辐射口都规则地分布在中央辐射口(42₁)的轴线周围。

6．根据权利要求4或5的辐射源，其特征在于中央辐射口(42₁)的供能使得这个辐射口所产生的辐射是最强。

7．根据权利要求6的辐射源，其特征在于各周围辐射口的供能装置使得这些周围辐射口中的每一个所产生的辐射实际上都有相同的强度，这个强度小于由中央辐射口(42₁)所产生的辐射的强度。

8．根据前面权利要求中的任意一条的辐射源，其特征在于由辐射源所发射的辐射是在确定的方向上线偏振的，且所有的供能装置使得每个辐射口所发射辐射的偏振都是沿着一个确定的方向，这个方向是相对于辐射口整体确定的，它使得辐射在空间的均匀性最好。

9．根据权利要求8的辐射源，其特征在于选择偏振方向，使得在这个方向通过辐射源的出口的平面的中心的直线通过的辐射口的数目为最少。

10．根据前面权利要求中的任意一条的辐射源，其特征在于所有的辐射口和所有的供能装置使得发射的辐射强度在反射器的周边要比在反射器的中央部分小9分贝。

11．根据前述权利要求中任意一条的辐射源，其特征在于接收和发射都是在Ka频带。

12．根据权利要求11的辐射源，其特征在于发射频率约为20GHz，接收频率约为30GHz。

13．根据前述权利要求中的任意一条的辐射源，两个相邻的辐射口的轴线分开的距离约为发射的辐射波的一个波长。

14．一种电信系统，其中通信由卫星上的，特别是同步卫星上的天线中继，包括具有一个辐射源的天线，天线中的每一个辐射源都是根据前述权利要求中任意一条的辐射源。

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