CN1589510A - 抛物面反射器及结合其的天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于天线的抛物面反射器(20)具有：从最接近反射器中央轴(40)的第一环形段(20a)到限定反射器外圆周(45)的最后环形段(20e，30e)的被串行设置的多个(N)同心环形段(20a－20e)。每个段(20a－20e)具有在内圆周和外圆周之间的抛物面反射表面。所述段(20a－20e)被如此配置，以便于与至少最后段(20e)相联系的焦点(41)位于反射器的内部体积(42)之内且沿着中央轴彼此相对被设置，这样反射器的总深度基本上被减至最小。所有段(20a－20e)的内圆周优选地被设置成基本上位于垂直于中央轴(40)的平面(29)上。除最后段以外的每个段(20a－20d)的外圆周优选地借助于环形带(28)被与接连段的内圆周相连接。所述环形带(28)既可是每个具有在值0和30之间的向中央轴(40)的倾斜角，也可位于从所述带被附着其上的相应段的相应内圆周走向到最远的焦点或圈处的相应锥形上。

Description

抛物面反射器及结合其的天线
背景技术
在许多通信系统中空间非常珍贵，且因此努力使天线尽可能地紧凑，而同时保留适当的性能性征。尤其在点对多点(PMP)微波无线链接时，平天线因其紧凑的设计而经常被安装在终端单元中。它们可以容易地被集成进包含室外单元的电子设备的盒内，而无需减损城市环境的质量。对于中级增益要求则印刷天线是所优选的。因在相联系的馈给网络中的导体损失随着天线尺寸显著地增加这一事实，这些具有约30dB的增益上限。更高增益的另外解决方案是波导插槽阵列，其具有低的损耗但却较高的生产成本。通过使用具有微条子阵列和中央波导馈给网络的混合设计，混合配置也是可行的。在双极化情况下，堆栈设计或两个并排单极化天线是必须的。所有这些天线比简单的印刷阵列更复杂且需要额外的体积和厚度，这因天线罩的存在而进一步增加，所述天线罩是被平行于阵列表面而放置在天线上面大约一个波长距离处的平电介质板。
在具有被放置在金属表面(波带片天线)上面λ/4的平行金属环的平或抛物面反射器的现存文献中举出实例，见例如，L.F.vanBuskirk和C.E.Hend的“The Zone Plate as a Radio-FrequencyFocusing Element”，IRE Transactions on Antennas and Propagation，vol.AP-9，No.3，May 1961，pp 319-320；P.Cousin，G.Landrac，S.Toutain和J.J.Delmas的“Calcul de la Distribution de Champ Focalet du Diagramme de Rayonnement d’une Antenne Parabolique aZones de Fresnel”，Journess Internationales de Nice sur les Antennes，Nice，Nov.1994，pp 489-492；Y.J.Guo，S.K.Barton的“Analysis ofOne-Dimensional Zonal Reflectors”，IEEE Transactions on Antennasand Propagation，vol.AP-43，No.4，April 1995，pp 385-389.同样从例如Y.J.Guo和S.K.Barton的“A High-Efficiency Quarter-Wave Zone-Plate Reflector”，IEEE Microwave and Guided-Wave Letters，vol.2，No.12，Dec.1992，pp 470-471中得知印刷平反射器。
在图1中被示例的进一步实例涉及与子反射器11，电介质锥12和波导馈给段13相联系的抛物面反射器10的使用。在使用中从天线被发射的信号被馈给进入处于反射器顶点14处的波导13，沿着所述波导被传播且被携带经过电介质锥12到达子反射器11的反射表面15，在此它们经过锥12的电介质被反射到主反射器10的内表面上面，最终被从那个表面反射出进入到与进入顶点14的初始馈给波相同方向的自由空间中。电介质锥12有助于确保在主反射器10上的正确照明图案。分级变压器16还可被包括在内以为了将沿着波导13所不希望的后反射减至最小。
这个已知设计的两个另外方面导致整个天线在页平面内可观的厚度。首先，天线罩17被包括在内，其必要地与主反射器10隔开某一距离，即隔开至少λ/2，在此平面阵列被涉及。(图1中所示出的实例旨在针对点对点链接，其较PMP应用中的终端天线不得不满足在大角度区域更严格的对辐射功率的限制。这是借助于其内表面被涂有吸收材料的深缘而取得的。因此在图1中天线罩离反射器非常大的距离将在目前被加以考虑的PMP设置中并不需要)。
其次，反射器10的焦距要求子反射器11被放置在离顶点14的那个相同距离处，作为进一步的结果是可观的馈给波导13长度。因此，结果是，整个天线的厚度达到大约为16λ(假设操作频率约为32GHz)。此外，波导的大长度可增加宽带系统中总的回波损耗。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于天线的抛物面反射器，其包括：从最接近反射器中央轴的第一环形段到限定反射器外圆周的最后环形段的被串行设置的多个同心环状段，每个段具有在内和外圆周之间的抛物面反射表面，其特征在于所述段被如此配置以便于与至少最后段相联系的焦点或焦圈位于反射器内部体积之内，且沿着中央轴被彼此相对设置，这样反射器的总体深度被减至最小或接近最小。通过确保反射器的焦点位于其内部体积之内，这确保结合有这种反射器的天线的总体深度被减至最小，因为位于焦点处的天线于反射器将位于反射器体积之内。
有利地所有段的内圆周被设置成基本上位于垂直中央轴的平面上。这种设置有助于将反射器的深度减至最小。
优选地，除了最后段以外，每个段的外圆周借助于环形条被与接连段的内圆周相连。
在一个设置中，环形条具有到中央轴的倾角，对于所有的条其基本上相同。优选地倾斜角位于值0和3°之间。
在另外优选的实施例中，每个条位于将其上附着所述条的相应段内圆周接合到反射器的焦点或焦圈上的相应虚锥或无效锥(frustrocone)上。
优选地，抛物面段的焦距(fi)遵从下述规则：
                    fi＝fi-1+k.l/2
其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波长。
根据本发明的第二方面提供一种天线，其包括如上所说明的反射器；沿着反射器公用轴放置的电介质锥和子反射器；穿过由第一段的内圆周所限定的反射器顶点且与电介质锥通信的波导馈给段；以及天线罩。
优选地反射器的焦点或焦圈位于子反射器的反射表面上，子反射器位于反射器的内部体积之内且天线罩与反射器的最外圆周毗邻。
有利地天线进一步包括被放置在反射器顶点和电介质锥之间的变压器段。
附图说明
现在仅借助于非限制性的实例参考下述附图对本发明的实施例加以说明，在所述附图中：
图1是通过已知抛物面反射器天线的断面(仅半个旋转断面)；以及
图2和3是通过根据本发明的抛物面反射器天线的两个实施例的断面。
具体实施方式
现在参考图2，根据本发明的天线的实施例被示出，其包括与从前一样的主反射器20，子反射器21，电介质锥22，波导段23和天线罩27。然而，这次反射器20是多级天线，其包括彼此间经由同心环形带28被连接的N个多同心环形段20a-20e(在这个实例中N＝5)。每个段20a-20e具有在径向方向为抛物面的反射表面。所述条28将各种段(除最后段20e以外)的外圆周连接到接连段的内圆周上，由此形成主反射器20的连续内反射表面。第一段20a的内圆周形成反射器20的部分顶点，而最后段20e的外圆周形成整个反射器20的外圆周。
在所示例的优选实施例中环状段20a-20e的所有内圆周位于垂直于天线中央轴40的平面29上。然而在实践中每个段可以位于沿着轴40被放置的若干平面中的一个平面上，而不会太不利地影响天线的性能。当然，如果它们并不位于平面上，则这将导致天线对应地较大的深度(在轴向方向上)，清楚地其是所不希望的，虽然内圆周平面向天线孔径的略微前倾可降低条的遮蔽效应，由此稍微地改善性能。在所示例实施例中的各种抛物面段优选地具有略微不同的焦距，最后段20e具有最大的焦距，第一段20a具有最小的焦距。更准确地焦距优选地遵从下述规则：
                   fi＝fi-1+k.l/2
其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波长。在图2中，k＝1和最后段20e的焦圈被示在41。理想地抛物面段的所有焦点在41处重合，虽然在设计的优化中有可能结合单个焦点的小偏差，以便于说明在辐射元件近场的非球面效应。
这个天线与在例如图1中所示的天线的第二个不同是：在发明的天线中由反射器20所对角Ψ至少是90°-在图2中它大约是95°。就整个天线和反射器，这达到190°的总角。这样的大角度允许整个子反射器/馈给设置被完全容纳在反射器的内部体积42内，由此缩短波导馈给23。通过使用条28则产生进一步的缩短，否则正常长度是由与否则传统的均匀抛物面天线44(见最后段20e的虚线延伸)会合的附加波导部分43所指示。换句话说，在目前发明中的反射器顶点位于A，而传统天线系统的反射器顶点位于B。清楚地在整个天线厚度上存在相当大的节省，其通过下述事实进一步被增强，即现在天线罩可以比图1的已知设置更接近于反射器缘45被置放，甚至从现在开始馈给网络完全处于反射器的体积42内-正好可达且毗邻缘45本身。(与平面阵列有关的较早所提到的最小λ/2间隔并不适用于单馈给反射器天线)。
因此存在由本发明变成可能的天线厚度的双重节省：首先，且最基本地，因使用条28导致的波导C附加长度的节省(见图2)；其次，因非常大的对角Ψ导致减少天线罩27距反射器的间隔的可能性，所述非常大的对角Ψ允许子反射器被完全地包含在天线的内部体积42内。
图2天线的各种尺寸如下：
外径(D)＝240mm
内径(d-对应于波导的外径)＝9.30mm
张开角(2Ψ)＝190°
深度(不带有条)(Tmax＝(D-d)/4.tan(Ψ/2)＝62.94mm
深度(带有条)＝44.90mm
波导长度由L＜(D/4-(N-1).λ0/2)给出，其中λ0是在中心频率处(在其中天线是双带天线的较低带中-见随后)在自由空间中的波长。
如已经提到的，级数量N是可变的，k的值也是如此，虽然对于已知的外径D，内径d和张开角2Ψ并不是所有的N和k组合均是可能的。下面的表1给出针对三个操作频率的N＝1-7和k＝1或2的增益数字。总深度也被加以规定。正如从表中可以看出的，双倍k导致对于相同的总长仅需要三个级(条)而不是五个；然而，取决于所选择的频率，当较小级被采用时，对于那个相同的深度存在0.4至0.9dB之间的牺牲。在两种情况下深度的减少为29％。对于等效的简单均匀反射器设计，对于k＝1的情况效率大约为53％而不是56％。在两种情况下反射因子小于-14dB。
关于条28，它们具有向天线中央轴40的非常浅的倾斜角；当然，所述角可为零，虽然在反射器体即将通过压制或模压过程而制造时所述角可达到几度，例如2或3°。
所述设计的进一步优点是：与具有简单、均匀反射器的传统天线的行为相比较，远场特征的第一旁瓣的幅度被降低，虽然这一降低仅在窄带上是明显的且并不适应于整个频率带。
本发明的第二实施例被示例在图3中。在图3中，不是条28基本上平行于天线的中央轴40，而是它们被形成一角度以便于在每种情况下位于从相应内圆周30b′-30e′走向到子反射器上焦圈47的虚锥(或无效锥)上。在此假设各种抛物面段30a-30e具有与图2中的段20a-20e相类似的相应焦距。这个措施的目的是确保与从子反射器31所反射的辐射相比发生段的较小遮蔽或遮掩。作为对照，图2实施例涉及较大的遮蔽量，其本身就损害了天线的性能。然而，在此可加入影响增益的其它因素，并且降低这个实施例理论上应该提供的优点，例如在图2所示的条中将存在波的衍射，其实际上可正好提升增益，由此弥补由较大遮蔽所引起的增益恶化。
两个实施例均适合于双极化，并且为了取得这点正交模变送器(未示出)可被包括在附图(图2和3)中所示的波导馈给的输入处。此外天线可被用在双带配置，即具有由倍频程(octave)所分开的两个频带中-假定适当的馈给设置被采用。
                                               表1
                                     增益(dB)
  N＝1  N＝2   N＝3 N＝4   N＝5   N＝6   N＝7
k＝1 31.82(GHz) 35.53 35.48 35.33 35.32 35.35 34.82 32.88
32.60(GHz) 36.29 36.26 36.22 36.17 35.78 35.08 33.66
33.38(GHz) 36.37 36.34 36.33 36.09 35.79 35.59 34.59
Depth(mm)   62.94  58.43   53.92 49.41   44.90   40.39   35.88
k＝2 31.82(GHz) 35.53 35.15 34.43 - - - -
32.60(GHz) 36.29 36.08 35.42 - - - -
33.38(GHz) 36.37 36.16 35.18 - - - -
Depth(mm) 62.94 53.92 44.90 - - - -

Claims (10)

1.一种用于天线的抛物面反射器(20)包括：从最接近反射器中央轴(40)的第一环形段(20a，30a)到限定反射器外圆周(45)的最后环形段(20e，30e)的被串行设置的多个(N)同心环形段(20a-20e，30a-30e)，每个段具有在内圆周和外圆周之间的抛物面反射表面，其特征在于所述段(20a-20e)被如此配置，以便于与至少最后段(20e，30e)相联系的焦点(41)或焦圈(47)位于反射器的内部体积(42)之内且沿着中央轴彼此相对被设置，这样反射器的总深度被减至最小或接近最小。
2.根据权利要求1的反射器，其中所有段(20a-20e，30a-30e)的内圆周被设置成基本上位于垂直于中央轴(40)的平面(29)上。
3.根据权利要求1或权利要求2的反射器，其中除最后段以外的每个段的外圆周借助于环形带(28)被与接连段的内圆周相连接。
4.根据权利要求3的反射器，其中所述环形带(28)具有向中央轴(40)的倾斜角，其对于所有的带(28)基本上相同。
5.根据权利要求4的反射器，其中所述倾斜角位于值0和3°之间。
6.根据权利要求3的反射器，其中每个条位于将其上附着所述条(28)的相应段(30b-30e)的内圆周(30b′-30e′)接合到反射器的焦点或焦圈(47)上的相应虚锥或无效锥体上。
7.根据任何一项前述权利要求的反射器，其中环形段的抛物面表面的焦距(fi)遵从下述规则：
               fi＝fi-1+k.l/2
其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波长。
8.一种天线，包括根据上述任何一项权利要求的反射器(20)；沿着反射器(20)公用轴的电介质锥(22)和子反射器(21，31)；穿过由第一段内圆周所限定的反射器顶点且与电介质锥(22)通信的波导馈给段(23)；以及天线罩(27)。
9.根据权利要求8的天线，其中反射器(20)的焦点(41)或焦圈(47)位于子反射器(21，31)的反射表面上，所述子反射器位于反射器的内部体积(42)内且天线罩(27)毗邻反射器的最外圆周(45)。
10.根据权利要求8或权利要求9的天线，包括被放置在反射器顶点和电介质锥(22)之间的变压器段。
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