CN1624977A - 辐射孔径波导馈电天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种提供了与椭圆反射器相兼容的不对称照度并具有较小空间需求的主馈电。本发明使用短杆来修改开路波导部分的辐射。本发明是一种天线，包括：由波导(1)制成的辐射馈电，所述波导的一端形成辐射孔径。形成所述辐射孔径的一端安装有由电介质材料制成的杆，将所述杆部分插入到所述波导(1)中(2、3)。所述杆延伸到所述波导的外部超过短于两倍导波波长的长度(L)，并且所述杆的截面在每个平面中，在所述波导的外部，不同地展开。

Description

辐射孔径波导馈电天线

技术领域

本发明涉及一种辐射孔径波导馈电天线。此馈电型天线可以与抛物面反射器进行组合。

背景技术

对于需要定向天线的特定类型的无线电传输，将天线与具有馈电和焦点的反射器，尤其是抛物线反射器，一起使用是已知的。这类天线尤其用于使用C、Ku和Ka波段的卫星传输。

反射器天线通常是凹盘，其表面对应于抛物线的轴对称部分。圆反射器的空间需求通常较大。从商业的观点来看，使用具有椭圆孔径的反射器可能比具有圆形孔径的反射器更有吸引力，尤其是在馈电相对于反射器的焦点偏移时。实际上，从视觉上看，具有椭圆孔径的反射器的空间需求比具有圆形空间的反射器更为紧凑。此外，对于利用单一抛物线的多卫星接收，使用椭圆孔径反射器更为有利，尤其是使与散焦相关的损耗和失真最小。

为了优化这些椭圆反射器的照度，主馈电必须提供适合于这些椭圆反射器的辐射图孔径。实际上，当由馈电引起的反射器的照度在反射器的边缘提供-10与-13dB之间的增益时，获得反射器天线的最大效率。因此，辐射图的两个相互垂直的平面必须表现出非常不同的孔径。

作为示例，为了以12GHz的频率照射50cm高、90cm宽、焦距为52cm的椭圆反射器，对于垂直平面(椭圆的短轴)中的照明，主馈电的辐射图的孔径应当为28°，而对于水平平面(椭圆的长轴)中的照明，该孔径应当为45°，以便反射器边缘处的照度电平为-12dB。

在Henri Jasik的“Antenna Engineering Handbook”第15章中描述了能够按照一般方式用于均衡或不均衡主天线馈电的E和H平面中的辐射图的技术。一个示例是使用具有矩形孔径的喇叭形辐射体(horn)和多模喇叭形辐射体。

也可以利用印刷阵列，如设置在矩形上的四个元件阵列来获得不均衡的照射效应。

所有这些主馈电都具有相对较大的横向空间需求，并不能用于来自占据了非常邻近的轨道位置的卫星的多卫星接收。此外，如果这些终端设计用于消费用途，则必然排斥复杂的主馈电。

如果在12GHz，计算传统主馈电的空间需求，结果是具有40mm直径的喇叭形辐射体或具有45～50mm直径的接线阵列(patch array)。根据此尺寸，如果与卫星之间4°的角间隔一起使用两个独立的馈电，聚焦中心必须间隔大约34mm，而对于所给定的尺寸，是不可能考虑的。

此外，具有较小体横截面的简单开路矩形波导(不具有喇叭形辐射体)，即使其具有两个不同的辐射图孔径，仍然不能提供良好的孔径，因为其定向性不足。

同样已知的是，行波介质杆的使用。于是，此类杆替代了喇叭形辐射体。但是，不能使用这种杆，这是因为，为了获得大约45°的-12dB的孔径将需要等于大约三倍波长的长度，而为了获得大约28°的孔径将需要大约十倍波长的长度。现在，不可能使杆具有既等于三倍波长又等于十倍波长的长度。此外，在频率12GHz处的十倍波长对应于大约25cm，一方面，该长度相对较大，而另一方面，增加了干扰相同尺寸的邻近馈电的风险。

因此，使用已知的馈电将不能满足固定的约束。

发明内容

本发明通过提出一种提供了与椭圆反射器相兼容的不对称照度并具有较小空间需求的主馈电，提出了上述问题的解决方案。本发明使用短杆来修改开路波导部分的辐射。

本发明是一种天线，包括：由波导制成的辐射馈电，所述波导的截面具有至少两个彼此垂直的对称面，每个平面沿波传播的轴延伸，所述波导的一端形成辐射孔径。形成所述辐射孔径的末端安装有由电介质材料制成的杆，将所述杆部分插入到所述波导中，并填充所述波导的截面超过定义的长度。所述杆延伸超过所述波导短于两倍导波波长的长度，并且所述杆的截面在每个平面中，在所述波导的外部，不同地展开。

优选地，所述杆的截面展开到所述波导的外部可以是线性的，但在两个平面中的每一个中沿不同的方向。在一个平面中，所述杆可以变得较大，而在另一平面中，所述杆可以变得较小。所述波导可以是正方形、矩形或圆形截面的。所述杆位于所述波导外部的末端具有不同于所述波导的截面的形状的截面。

在所述波导中传播的波可以是偏振波。当偏振波是与波的传播轴垂直的线偏振的且沿两个不同的方向时，每个方向被包括在所述两个平面之一中，并且所述杆位于所述波导外部的形状相对于两个平面中的每一个对称。

附图说明

通过阅读以下参照附图所给出的描述，本发明将得到更好的理解，且其他特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1以透视图示出了根据本发明的馈电的示例；

图2以根据第一剖面的局部横截面示出了根据本发明的馈电的示例；

图3以根据与第一剖面成直角的第二剖面的局部横截面示出了根据本发明的馈电的示例；

图4示出了从反射器看来的根据本发明的馈电的示例；

图5示出了根据本发明第一尺寸的辐射曲线；

图6示出了根据本发明第二尺寸的辐射曲线。

具体实施方式

本发明所应用的原理在于，利用短介质杆来修改简单波导的辐射。由于对于给定频率，波导的横截面决定了波导的辐射，其并不适用于照射椭圆反射器。短杆修改了由安装有所述杆的波导形成的孔径中的场分布。修改所得到的辐射图，而无需用作行波馈电的杆。按照使其获得适于照射椭圆区域的辐射图的方式，在等效的孔径中分布场。

图1到图4以不同的视图示出了根据本发明的馈电的典型实施例。在所描述的示例中，所述馈电包括波导1，典型地为正方形截面，其一端形成辐射孔径。根据已知技术确定波导的尺寸，以获得粗略等于要接收或要发送的平均波长的导波波长，例如，对于12GHz，导波的截面为21mm×21mm。将介质杆设置在辐射孔径中。所述杆由具有较低损耗和大于1的相对介电常数的电介质材料制成。此材料可以是塑料，如聚苯乙烯、聚丙烯或任何其他化合物电介质材料，通常由光塑料材料基质制成，填充有陶瓷型高介电常数材料，用于控制所得到的杆的相对介电常数的值。

所述杆包括三个部分2到4。第一部分2提供阻抗匹配，以便以最小的损耗从空波导向电介质材料传播。通过改变传播介质，根据波导中的波传播的已知定理来确定第一部分2的尺寸。第一部分2通常由锥形主体(conical trunk)制成，其截面对应于波导1的截面。第二部分3与波导1的形状相匹配，此第二部分3用于沿波导1的末端处的位置支撑杆，此第二部分3的长度从机械上紧固杆。第三部分4用于校准波导1的辐射孔径的辐射。第三部分4沿两个平面中的每一个不同地展开，所述两个平面一方面通过传播轴，另一方面通过所照射的椭圆的每个对称轴。

本发明主要在于确定了馈电的辐射图的杆的第三部分4。此第三部分4的长度L形成了波导的截面与辐射表面5之间的阻抗匹配长度。

根据计算等效辐射孔径的已知方法来计算辐射表面5。辐射孔径可以具有大范围变化的形状，但为了简化计算，可以选择提供了准椭圆辐射图的矩形辐射表面。在确定了辐射表面5的尺寸之后，根据已知的技术，确定长度L，以获得针对最小长度进行了优化的阻抗匹配。为了简化杆的生产，使用优化线性阻抗匹配，在两个平面中的每一个中，不同地展开。作为示例，为了获得具有沿椭圆的长轴50°和沿椭圆的短轴38°的-13dB的孔径的椭圆辐射图，结果是截面a×b＝3mm×23mm的矩形辐射表面5。然后，计算以优化阻抗匹配从波导1的截面传播到辐射表面5的长度，得到长度L＝35mm。

图5示出了通过针对此尺寸的仿真而获得的辐射图。垂直坐标表示增益，水平坐标表示相对于波束中心的孔径角。曲线10示出了在与由辐射表面5的宽度尺寸b所定义的椭圆的长轴相对应的平面中的辐射图。曲线11示出了在与由辐射表面5的宽度尺寸a所定义的椭圆的短轴相对应的平面中的辐射图。本领域的普通技术人员可以看到获得了48°和37°。给出了所需的辐射图，该结果是极其合适的。但是，如果需要近似所需图案的图案，仍然可以调整辐射表面5的尺寸a和b，并使用连续仿真以优化这些尺寸。

作为补充示例，为了证明以此类馈电所提供的可能性，a＝6mm、b＝36mm、长度L＝25mm的辐射表面尺寸提供了如图6所示的结果。本领域的技术人员可以看到对于椭圆的长轴，辐射角变为110°，而对于椭圆的短轴，变为28°。能够利用此技术获得非常宽的选择范围。

根据这两个尺寸，本领域的普通技术人员可以看到，长度L可以粗略地与导波波长相同。如果波导1的截面与辐射表面5之间的差允许，此长度L甚至可以短于波长。如果使用指数匹配剖面来代替线性匹配剖面，也能够具有更短的长度，但这或多或少地增加了生产的复杂性。

优选示例能够与非偏振波和偏振波同样优良地一起使用。但是，当使用具有线偏振的波时，主要是检查由介质杆所引入的相位差对于两个正交的偏振方向相同。此条件容易满足，因为所需要的只是在包含波的传播方向和偏振方向的纵向平面中的对称杆。

在波圆偏振的情况下，必须考虑到杆的外形来确定起偏器的尺寸。第一阻抗匹配部分不再是锥形的，而是用作起偏器，通过引入电场的两个相互垂直的分量之间的相位差，产生圆偏振。由杆的外部部分所产生的任何去偏振也必须由起偏器补偿。

优选示例示出了杆在一侧变得更大，而在另一侧变得更小。但是，对于辐射表面，也可以是杆在两侧同时变大或变小。

优选示例使用了正方形截面波导。显然，可以使用任何波导剖面，例如圆形的或矩形的，只要波导具有两个彼此垂直的对称面。本发明的一个优点在于，获得了形状不同于波导的截面的辐射表面，并且与波导的截面无关。

Claims (10)

1、一种天线，包括：由波导(1)制成的辐射馈电，所述波导(1)的截面具有至少两个彼此垂直的对称面，每个平面沿波传播的轴延伸，所述波导的一端形成辐射孔径，形成所述辐射孔径的所述端安装有由电介质材料制成的杆，所述杆部分插入到所述波导(1)中(2、3)，并填充所述波导(1)的截面超过定义的长度，其特征在于所述杆的部分(4)延伸超过所述波导短于两倍导波波长的长度(L)，并且所述杆的截面，在每个平面中，在所述波导的外部，不同地展开。

2、根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述杆的截面在所述波导外部的展开是线性的，但在两个平面中的每一个中沿不同的方向。

3、根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于在一个平面中，所述杆可以变得较大，而在另一平面中，所述杆可以变得较小。

4、根据权利要求1到3之一所述的天线，其特征在于所述波导是正方形、矩形或圆形截面的。

5、根据权利要求4所述的天线，其特征在于所述杆位于所述波导(1)外部的末端(5)具有不同于所述波导的截面的形状的截面。

6、根据权利要求5所述的天线，其特征在于所述波导(1)的截面是正方形的，而所述杆位于所述波导外部的末端(5)的截面是矩形的。

7、根据权利要求1到6之一所述的天线，其特征在于所述杆位于所述波导内部的部分(2、3)终止于由具有与所述波导相同截面的锥形主体构成的阻抗匹配区域(2)。

8、根据权利要求1到7之一所述的天线，其特征在于在所述波导中传播的波是偏振波。

9、根据权利要求8所述的天线，其特征在于偏振波是与波的传播轴垂直的线偏振的且沿两个不同的方向，每个方向被包括在所述两个平面之一中，并且所述杆位于所述波导外部的形状相对于两个平面中的每一个对称。

10、根据前述权利要求之一所述的天线，其特征在于所述杆延伸到所述波导的外部超过短于波长的长度。

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