CN1385927A - 反射器天线 - Google Patents

Abstract

本发明的反射器天线是有关于无线电工程,且是适用于通讯系统及卫星电视的反射器天线,用以增广天线的使用角度,其包含有一凹形曲面主反射器、一馈电装置及至少一凸形弧状曲面次反射器,该主反射器及馈电装置相对于次反射器是设置在同一侧;该次反射器的曲面是根据方程式f(z)=Pm(x,y)所订定,其中Pm(x,y)是为功率m的二维多项式;f(z)=Pm(x,0)则是次反射器的生成函数;x,y,z则是代表笛卡儿坐标轴。

Description

反射器天线

本发明是关于一种反射器天线，尤指一种可应用于通信系统及卫星电视的反射器天线。

多反射天线(multi-mirror antenna)，尤其是双反射器多波束扫瞄天线，能提供较双反射器单波束天线更高的效能，是早已为大众所知。而对于在单一平面上扫瞄或形成多波束波型，则是利用环状反射器天线(toroidal-reflector antenna)。而所谓的Tore是环绕轴线呈曲线状旋转的主体，且不具有轴对称特性。举例而言，在多波束天线中，其主反射器的每一波束皆具有相位差，该相位差则是藉由一次反射器(subreflector)加以补偿(参见美国专利号3,922,682,25.11.1975；日本专利号57-178402，H01Q19/19，02.11.1982.)，而次反射器的形状与其设置位置是与馈电元件相同，皆相对于主反射器天线的轴向对称设置。此类天线具有两种缺点：1.因每个馈电元件仅发射一部分主反射器天线的信号，故天线的效率不高。2.由于各反射器是重叠设置，故无法形成两相邻波束。其中第二种缺点已经由一具有双共焦环形反射器的双反射器天线所克服(参见美国专利号3,828,352，06.08.1974；日本专利号5-3762，H01Q19-19，16.03.1985)，此种天线的馈电元件所设置的位置也是相对于主反射器天线的轴线呈对称性地设置，各馈电元件的轴向是皆指向主反射器天线的轴线，又各馈电元件是仅发射一部分主反射器天线的信号。根据前述原因再加上此种天线并无法完全做到相位差的补偿，故无法提供足够高的效率。

而另一种多波束天线其中的主反射器的形状，是依据给定的波束数目所得到最小相位差而决定的(参见美国专利号4,603,334，29.07.1986)，此种天线的缺点的是在于主反射器的外形极为复杂(于两平面上具有可变化的曲率)。

另一种已知的双反射器双共焦天线(double-reflector bifocalantenna)，其主反射器具有一碟状面(参见苏联专利号1181020，H01Q19/18，30.03.1984.)，而决定次反射器形状的选择条件，则是以如何使两互相对称的波束无相位差为考量。其馈电元件则是对称地设置在该天线的焦点，各馈电元件的轴线则是指向其最大波型方向，而于次反射器反射回来后再进入主反射器的中心部份。此种天线的反射器可完全发射出信号，因此若精确地将馈电元件设置在焦点处，可得到较高的效率。此种天线其缺点在于其波束数目少，且天线的使用范围角度狭小。随着焦点的逐渐分开，分布于焦点上的馈电元件也是如此，因而各束波彼此之间的角间距(angular spacing)也随之增加；然而，因场振幅(field amplitude)(又称振幅差，amplitude aberrations)的不规则分布，该主反射器的效率随之下降。若将馈电元件分布在焦点之间，则效率将因振幅差及相位差而下降。

而与本发明最为近似的反射器天线于此一刊物中是有揭露出：Shishlov A.V.，Shitikov A.M.，Multi-beam offset reflector antennat with widefield of view in one plane，Proc.27 Sci.Conf.on Antenna theory andtechnology，Moscow，1994，P.227-230。此类天线包含有一具抛物曲面的主反射器，多个次反射器及一个可移动式馈电元件或多个固定式馈电元件。决定各次反射器表面形状的条件，是为如何对两固定方向的波束形成一平面波前。关于反射器外观及馈电元件设置位置，是以避免互相遮蔽为主，意即于天线中采用补偿设计。而如何订定各次反射器其自由参数，是基于如何得到最大效率值此一目标而设定。此种天线的缺点仍是在于其使用角度过于狭窄。

因此本发明的主要目的在于提供一种反射器天线，用以增广天线的使用角度，以克服上述缺点。

为达成前述的目的，本发明所提出的多焦点式反射器天线，包含有：

一具凹形曲面状主反射器，一包含至少有一馈电元件的馈电装置，以及至少一凸形弧状曲面的次反射器，其中该主反射器及馈电元件，是相对于该次反射器设置在同一侧。且该次反射器的表面形状是根据下列方程式决定：

f(z)＝Pm(x，y)

其中Pm(x，y)是为功率m的二维多项式；f(z)＝Pm(x，0)则是次反射器的生成函数(generatrix)；x，y，z则是代表笛卡儿座标(Cartesiancoordinate)。

又决定该次反射器的表面形状、馈电装置中馈电元件的摆设位置及其轴向位置其最佳化条件，是根据如何在给定波型，即两不同方向波束之下，可得到区域面积使用最大值而订定。

本发明的一特征是该主反射器、次反射器及馈电装置的排列方式是依据信号补偿目的加以组构。

本发明的一特征是该主反射器的凹形曲面是由抛物线旋转所形成，而该次反射器于对称主反射器的平面上，其剖视形状是为一椭圆。

本发明的一特征是该次反射器的表面形状为一环形凸状曲面，而该馈电装置中的馈电元件其轴向是与天线的对称面相交于一点，该点是介于次反射器其表面及其轴向的间。

本发明的一特征是该次反射器具有凹凸形状。

本发明的一特征是该主反射器具有平滑边缘。

本发明的一特征是该馈电装置是可装设有可机械移动式的馈电元件。

本发明的一特征是该馈电装置可装设有行列式固定馈电元件组成。

本发明的一特征是可附加一以透镜或反射器组成的相位差补偿器。

本发明的一特征是决定该次反射器表面形状的条件，为以获得平面波前此一条件而订定。

本发明的一特征是决定该次反射器表面形状的条件，为以获得圆柱波前此一条件而决定。

为使审查员能进一步了解本发明的结构特征及其他目的，以下结合附图及实施例详细说明如后，其中：

图1是本发明的反射器天线第一实施例的外观图。

图2是本发明的反射器天线第二实施例的外观图，其中该主反射器是具有平滑边缘。

图3是第二实施例的反射器天线其ZX平面图。

图4是第二实施例的反射器天线其XY平面图。

图5是第二实施例所示的反射器天线其效率对扫瞄角度曲线图。

图6是一修正透镜加装于本发明的反射器天线的外观图。

图7是本发明的反射器天线搭配有两个次反射器示意图。

图8是本发明的反射器天线搭配有整合式次反射器示意图。

图9是本发明的反射器天线搭配有两分离式次反射器以合成单一波束及群波束的示意图。

本发明的多焦点式反射器天线是采用一环状反射器做为其主反射器，其特色于反射器天线工程领域中是早为大众所知。然而，现有的多波束天线及扫瞄天线其波束的扫瞄方式，是透过馈电元件或馈电装置(即馈电元件配合次反射器)围绕一旋转轴旋转。因此各馈电元件的轴向方向均指向至该旋转轴，同时必须考虑旋转的轴对称问题及天线于扫瞄时其增益必须维持不变。所以设置于特定位置的各馈电元件，仅分别针对一部分的主反射器表面发射信号，故此种设置的天线其效率无法提高。而在本发明里，则是利用环状反射器做为一多焦点式主反射器，尤指应用在双焦点系统中。而依据稍后所述方式，决定出次反射器的形状，再配合一具有高效率值的凹形曲面的主反射器，可增广天线的使用角度。而决定该次反射器形状的条件，则是基于将振幅差及相位差的值最小化的目标下而订定，意即主反射器的实际振幅及相位分布与预设值比较后，须得到最小的差距，其中该预设值又是基于在具有两个或两个以上的馈电元件时，以可得到最大效率的要求下所定出。此即意味着于最佳化的过程中，可限制一定程度的侧边辐射，以及可限制在垂直平面上(此平面是与扫瞄平面正交(orthogonal))扫瞄扇形波型与预设扇形波型两者的偏差值。而主反射器的生成函数(generatrix)是由方程式x＝F(z)所得到，而次反射器的生成函数则由方程式Pm(x，0)＝f(z)所得到，其中Pm(x，y)是为功率m的二维多项式，可由多种方式决定出，例如基于技术考量或基于为波束达成一特定映射函数(mapping function)，其中波束是朝向天线并于垂直平面(y＝0)上输入、输出，基于上述条件可决定出适合同相天线(synphase antenna)的振幅分布，因此即可知道天线的侧边辐射及垂直平面的扫瞄特性。

若欲形成一平行波束波型(pencil-beam pattern)，则须要先形成一平面波前(synphase aperture)。而该次反射器的生成函数(genertrix)可为主反射器的生成函数提供一特定形状，且主反射器的生成函数是以形成平面波前(planner wavefront)此条件所决定(参见Kaloshin，V.A.，Venetsky，A.S.，Synthesis of multi-beam and multilobe antennas，Proc.28 Moscow Int.Conf.on Antenna theory and technology，Moscow，1998，p.380-383)。同时在个别解决二维问题时，可决定出各反射器的生成函数，并证明于垂直平面上完成一映射函数的必要性(参见Kaloshin，V.A.，The method of keyproblems is asymptotic theory of wave-guiding and emitting systems withedges.Dr.Sci.Thesis，Moscow，IRE of Russian Academy of Science，1989)。而主、次反射器生成函数的订定条件，皆是确保天线于垂直平面上具有高扫瞄特性，为达到此目的，映射函数于此平面须符合anaplantismcondition，意即Abbe sines condition(参见Zelkin，Ye.G.，Petrova，R.A.Lensantennas.-Moscow，Sovetskoye Radio，1974-280pages)，或是于选择主、次反射器的生成函数时须在此平面上使天线成为多焦点式天线。

若欲于垂直平面上具有扇形波型(fan pattern)，则选择圆柱状波前会较平面波前适合。而为决定次反射器的形状以使天线最佳化的初始值估算，则可藉由解integro-differential方程式而得(参见Kaloshin，V.A.，Dr.Sci.Thesis)。而在给定主反射器的生成函数后，藉由选择相对应次反射器的形状，于垂直平面上将会具有多种不同扇形波型的选择。而在选择主反射器的生成函数时，可定出在主反射器中的振幅分布，以及依据合成扇形波型可订定扇形波型的误差准位和侧边辐射。就扇形波型而言，一种已知重复性做法可以加以应用(参见专题论文：Andriychuk，M.M.etal.，Synthesis of antennas by the amplitude pattern.Kiyev，Naukova Dumka，1993.-255pages)。而为达成最大效率而订定扇形波型时，最佳化程序可根据垂直平面波型及预设波型两者的间的差异值决定。

因此于主、次反射器的生成函数决定后(分别为F(z)及f(z)函数所代表)，再经过最佳化，则主反射器的各项参数及次反射器的形状即可得到。据此，馈电元件位置的最佳化(聚焦线)及其轴向方向便可决定。而且可能无须先对反射器生成函数做初步订定，即可进行最佳化步骤。而在本发明中，F(z)及f(z)是由多项式Pm(x，y)计算所得。

请参考图1所示，是为本发明一实施例的外观图，其中主反射器10是形成非平滑边缘，而图2的另一实施例中，主反射器10是形成平滑曲线边缘。

本发明的天线包含有一具凹状曲面的主反射器10，一次反射器20及一馈电装置30。而主反射器10及次反射器20之间是由至少一个的杆子15紧密连接；借此，依据此种设计的天线，其探测空间即可藉由馈电装置30上的馈电元件32其机械位移所完成(天线的扫瞄操作模式)，或是藉由将馈电元件32以行式式固定排设在馈电装置30上所完成，例如以号角式(horn type)排列(天线的多波束操作情况)。其中馈电装置30的设计并非是本发明的考虑要点。

该次反射器20的形状是由下列方程式决定：

f(z)＝Pm(x，y)

其中Pm(x，y)是为功率m的二维多项式；而该二维多项式的功率及是数是为最佳化的自由参数，同时天线的最佳化与至少两馈电元件32排列点的最大效率值有关，同时也与馈电元件32的轴向方向有关。而另一种决定单一次反射器20形状的方法是依特定函数类型的图型型态，以及依所订定自由参数的最佳化值所决定，如同其中一种已知的多维最佳化方法(参见Aoki，M.Introduction into methods offunctionals optimization.-Moscow，Nauka，1976)。而于本发明中，功率m及多项式Pm(x，y)的是数，于开始最佳化步骤前可事先订定。相同的，主反射器10的各项参数以及馈电元件32的位置也是可事先订定。

请参考图3及图4所示，是分为为本创作第二实施例的垂直平面图(ZX)及水平平面图(YX)。该主反射器10的外形，是为一非轴对称的碟型面裁切体，其轴向34如同图3所标示的连续线。而主反射器10的最低点102是落于x轴(抛物线轴)。

该主反射器10的生成方程式是由下列方程决定的：

x＝A-z2/B

A，B为该主反射器10的自由几何参数。

而为实现平面波前此一要求，次反射器20在ZX平面的生成函数是订定为一具有与碟型天线焦点重叠的焦点的椭圆，另一焦点则是与主反射器10的最低点102相重叠。该次反射器20的剖视方程式则是：

x＝a-b(1-(z/c)2)1/2

其中a，b，c为次反射器20的自由几何参数。

而主反射器10及次反射器20的自由几何参数，以及馈电元件32的轴向位置，是为使天线最佳化的条件下订定，意即在以可得到间距10度的两波束其最大效率值情况下订定。尔后，天线的最佳化是取决如图4中所示星号标志的焦点曲线40。据此，次反射器20其最佳化步骤是已完成。于此一例子即

Pm(x，y)＝x2+y2

该次反射器20的各自由参数于最佳化步骤中是订定为：

a＝5043，b＝01411，c＝1152(其单位为公厘，mm)

因此，该次反射器20是形成有一凹凸状表面，并且于ZX平面上观的，是为椭圆曲面的非对称裁切，次反射器20的轴向36是与Z轴重叠(参见图3、图4)。

同时，该具有碟状凹形曲面的主反射器10其自由几何参数为A＝6652mm，B＝6519mm

因此该主反射器10表面的方程式是为下述型式：

(x+△)2+y2＝(6652-z2/6519)2

其中△是为主反射器10及次反射器20的间的距离，其值为794mm。

若本发明的天线是采取可移动式馈电元件32，其移动是沿著该焦点曲线40，该焦点曲线40估计是为一具半径3930mm的圆周曲线。若于该焦点曲线40上设置有数个馈电元件32，各馈电元件32的轴向是指向位于XZ平面上，并且与次反射器20的轴向平行，且与次反射器20距离最近的馈电元件32是相距2560mm。依此，各馈电元件32是于XY平面上形成具有广角度区域的波束。

该主反射器10与次反射器20是具有相同的对称共平面ZX。该主反射器10的面积是相当于一具有直径3000mm的圆面积。而次反射器20的面积约为主反射器10的0.33倍。馈电元件32在10dB准位的波型宽度则定为30度；因此该主反射器10于XY平面上的半径值是定为6652mm，而次反射器20则为3632mm，两者的轴心相距为794mm。而该主反射器10的边界是为平滑状，且其形成方式是以2557(x+△)+z＝17009此一方程式与碟型曲面相交而得到。若在特定角度范围内的平面波前以不同角度入射回来，该次反射器20的边界是依据自主反射器10反射而回的各波束相交而决定(于本例中是为20度)。而主反射器10、次反射器20是根据补偿结构而决定其排列位置，且彼此不互相遮蔽。

请参考图5所示，若为双焦点式反射器天线其效率及扫瞄角度的曲线图，是依据实体光学法(physical optics method)计算而得，如实线1所示，而本发明的曲线是为虚线2所示。由图中可知，于效率0.6、角度9度(±4.5°)该虚线2的区域涵盖了双焦点天线的范围，且更加延伸到20度(±10°)。

为了更进一步增加涵盖范围，则可采用一具有相差补偿器60的反射器天线，该相差补偿器60是针对非自次反射器20反射回来的相差做补偿调整(如图6所示)。该相差补偿器60是可采用透镜或反射器达到，且设置在各馈电元件32的前方。

而若有须要形成多束宽间隔的群波束、或群波束及独立波束，则天线可采用数个次反射器来达成，如图7所示的次反射器202、204或在图8所示中的204、206，或是如图9所示中将各次反射器整合为单一元件208、210、212。

请参考图8所示，若是要形成一群波束(各波束皆相距很近)，或连续扫瞄，则须采用如图所示的次反射器206。而若是要形成一独立波束，而决定各次反射器形状的条件，则是以对扇形波型可达成平面波前(对平行波束波型而言)或达成圆柱波前(在水平平面上呈线性)，其中该扇形波型是根据已知公式给定波束方向(参见Kaloshin，V.A.，Venetsky，A.S.)。

有关天线于多波束情况下的操作如以下说明：由其中一个馈电元件32发射至次反射器20的辐射，是由次反射器20反射回来并进入主反射器10。而自主反射器10反射回来的电磁场，于水平平面上是具有线性波前，且该电磁场是发射进入一形成天线波型的空间。而自另一馈电元件发射进入次反射器20的辐射，是于水平平面上以另一角度进入，且形成其特有的波型，且辐射于水平平面的最大值是自先前波型最大值以一角度偏移，该角度则是根据在馈电装置30的馈电元件32相对位而定。因此设置各馈电元件32轴向位置的条件，是为自次反射器20反射回来的波型最大值必须能够进入主反射器10的中央部分。而各馈电元件32于定位后，该主反射器10则可完全发挥效能，且对于因相对应次反射器20形状所造成的相位差也可提供补偿，因而可确保天线具有高效率值。而在接收情况下，天线是如同在上述方式下操作，只是波束的进行顺序是为相反，以符合互易原则(reciprocity principle)。

而在扫瞄情况下，天线波束位置的变换，则可由移动馈电元件32(在发射情况)或移动接收元件(在接收情况)来达成。

而用来做为主反射器10、次反射器20的材料可以选用铝或其合金，或是表面具有抗腐蚀性的钢铁，或是金属化的塑胶。

Claims (14)

1.一种反射器天线，其特征在于，其包含有：

一主反射器，该主反射器的形状是为部份环状曲面；

一馈电装置，该馈电装置是至少具有一馈电元件；

至少一次反射器，该次反射器是具有曲面；

其中该主反射器、馈电装置是相对于该次反射器设置在同一侧；

该次反射器的曲面形状是根据方程式f(z)＝Pm(x，y)所订定，其中Pm(x，y)是为功率m的二维多项式，f(z)＝Pm(x，0)则是次反射器的生成函数(generatrix)，而x，y，z则是代表笛卡儿座标(Cartesian coordinate)；

且决定该次反射器的表面形状、馈电装置中馈电元件的摆设位置及其轴向位置的最佳化条件，是根据如何在给定波型，即两不同方向波束的下，可得到天线区域面积使用最大值而订定。

2.根据权利要求1所述的反射器天线，其特征在于，其中该次反射器及馈电装置是依据补偿结构而排列。

3.根据权利要求1或2所述的反射器天线，其特征在于，其中该具有凹形曲面的主反射器，其形状是以抛物线旋转而得，而该次反射器于对称主反射器的平面上，其剖视形状是为一椭圆。

4.根据权利要求3所述的反射器天线，其特征在于，其中该次反射器的曲面是为一环形曲面，而该馈电装置中的馈电元件其轴向是与天线的对称面相交于一点，该点是介于次反射器其表面及其轴向的间。

5.根据权利要求4所述的反射器天线，其特征在于，其中该次反射器的形体是为一凹凸形状。

6.根据权利要求5所述的反射器天线，其特征在于，其中该主反射器是具有平滑边缘。

7.根据权利要求6所述的反射器天线，其特征在于，其中该馈电装置是至少装设有一机械位移式的馈电元件。

8.根据权利要求6所述的反射器天线，其特征在于，其中该馈电装置是至少装设有一行列式固定馈电元件。

9.根据权利要求7所述的反射器天线，其特征在于，是装设有一以透镜或反射器组成的相位差补偿器。

10.根据权利要求8所述的反射器天线，其特征在于，是装设有一以透镜或反射器组成的相位差补偿器。

11.根据权利要求9所述的反射器天线，其特征在于，其中决定该次反射器表面形状的条件，为以获得平面波前此条件而订定。

12.根据权利要求10所述的反射器天线，其特征在于，其中决定该次反射器表面形状的条件，为以获得平面波前此条件而订定。

13.根据权利要求9所述的反射器天线，其特征在于，其中决定该次反射器表面形状的条件，为以获得圆波前此条件而订定。

14.根据权利要求10所述的反射器天线，其特征在于，其中决定该次反射器表面形状的条件，为以获得圆柱波前此一条件而订定。

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