CN1922765A - 无线电波透镜天线装置 - Google Patents

Abstract

一种使用近似的椤勃透镜的天线装置，其中，可使高增益和低旁瓣兼容。一种透镜天线装置包括由介电材料制成的一个无线电波透镜(1)和一个基本辐射器(2)，它们互相结合。该无线电透镜满足条件0＜a≤r，式中，从透镜(4)的前表面至透镜焦点的距离为a，透镜的半径为r。该基本辐射器(2)的10dB波束宽度为θ，其中由公式A＝θ/2×(1+2a/r)确定的A至少为40～80，更好是至少为50～70。

Description

无线电波透镜天线装置

技术领域

本发明涉及达到高增益和低旁瓣的透镜天线，该天线由基于椤勃(Luneberg)透镜的无线电波透镜与基本馈源结合构成。

另外，基于椤勃透镜的无线电波透镜表示无线电波的折射特性近似于椤勃透镜的折射特性，并满足条件：0＜a≤r的透镜。式中a为从透镜表面至透镜焦点的距离，r为透镜的半径(以后称为“近似的椤勃透镜”)。

背景技术

使用椤勃透镜的天线作为多波束天线是有效的，并可作为接收从卫星来的无线电波或将无线电波传送至卫星的天线。

然而，为了得到该天线最佳的性能-例如高增益和低旁瓣，优化馈源成为需要和重要的。

抛物面天线包括一个抛物面反射器和一个LNB(低噪声下变频器)。无线电波在该抛物面反射器上被反射，聚焦在焦点上，同时透镜天线包括一个透镜和一个LNB。无线电波通过该透镜的内部被折射，聚焦在透镜的焦点上。

因此，每一个使用抛物面天线和近似的椤勃透镜的天线彼此在原理和条件上不相同，因此，它们的最优馈源不是总是互相相同的。

对于抛物面天线，基本馈源如在参考文献1中所述。

参考文献1：“天线工程手册”第三版，17-17～17-21。

参考文献1说明，如果θ₁表示离开基本馈源和抛物面反射器(圆盘)的边缘之间对着的角度，则带有在角度θ₁位置上的增益为从基本增益下降10dB的天线图形的基本馈源，在增益和旁瓣方面是有利的。

关于近似的椤勃透镜，已经设计了可充分满足实际使用的透镜。然而，不论该透镜的性能如何好，没有恰当的馈源，天线的性能不能改善。

在抛物面天线中，天线的增益改变，取决于波束宽度的改变。如果波束宽度太宽，则产生无线电波的泄漏，因此增益降低。另一方面，如果波束宽度太窄，则该抛物面反射器的一些区域不能使用，造成增益减小。

另外，当抛物面天线的基本馈源的波束宽度较窄时，则天线的旁瓣减小。一般已知，通过在该抛物面天线的孔径表面的边缘，减小功率，形成有锥度的功率分布，可以减少旁瓣。另一方面，如果基本馈源的波束宽度狭窄至一定程度，则增益逐渐损失和增益迅速减小。

在透镜天线的情况下，通过用上面所示的相同方法，使与透镜结合的基本馈源的波束宽度变窄，也可以减小旁瓣。然而，由于透镜的孔径表面不能有效地用于天线增益，因此在基本馈源的波束宽度的一个确定位置上，天线的增益迅速减小。结果，不容易使高增益和低旁瓣兼容。

特别是，在使用近似的椤勃透镜的天线的情况下，不象在抛物面天线中那样，透镜的特性远不是理想的。在抛物面天线中，可以形成物理上理想的曲线表面，并且焦点的位置由该曲线表面的曲率确定。例如，在制造实际透镜中由天线结构造成的相对介电常数的不连续性，或者产生的无线电波的折射率的变化是不可避免的。这种变化造成旁瓣的增大。因此，与抛物面天线比较，使高增益和低旁瓣兼容要困难得多。

为了达到使用近似的椤勃透镜的天线的最佳性能，要求优化馈源。然而，由于使用近似的椤勃透镜的天线是最近出现获得实际应用的，因此得到最优的馈源的参数还没有找到。

如上所述，由于使用近似的椤勃透镜的天线在原理和条件上与抛物面天线不同，并具有在制造实际的透镜中产生的诸如由结构引起的相对介电常数不连续和无线电波的折射率变化一类的问题，基本馈源的性能不能由用同样的方法将抛物面天线的概念用在其上来确定。考虑到这点，馈源的优化是不充分的，因此没有达到天线充分的性能。因此，需要解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明提供了一个无线电波透镜(近似的椤勃透镜)。该无线电波透镜由介电材料制成并与基本馈源结合，该无线电波透镜满足条件0＜a≤r，式中a表示从透镜表面至透镜焦点的距离，r为透镜的半径；该基本馈源的10dB波束宽度为θ，θ表示基本馈源的10dB的波束宽度，A由公式A＝θ/2×(1+2a/r)确定，并且至少为40-80。

这里10dB波束宽度表示，从无线电波的最大增益以下10dB处的波束宽度，如图15所示那样。

该基本馈源最好设定为在A至少为50～70时具有θ。

根据本发明，无线电波透镜由将半球形透镜与一个反射板结合构成，在该反射板中，反射表面的一部分从该透镜向外，向着无线电波的入射方向突出；以及一包括该无线电波透镜的透镜天线，该基本馈源和将该基本馈源支承在固定位置的一个支承装置的透镜天线考虑作为一个实施例。另外，它适用于接收从对地静止卫星来的无线电波和将无线电波传输至对地静止卫星。

在如上所述那样确定与近似的椤勃透镜结合的基本馈源的10dB波束宽度θ时，可以得到旁瓣较低和增益减小不太大的无线电波透镜天线。

通过找到那样参数，可以提供增益高和旁瓣低的高性能天线，同时可节约开发时间和周期。

附图说明

图1表示根据本发明的示例性的透镜天线的侧视图；

图2表示根据本发明的另一个示例性透镜天线的侧视图；

图3表示从透镜表面至透镜焦点的距离和透镜半径之间的关系；

图4表示透镜天线的性能测量方法；

图5表示透镜天线的性能测量结果；

图6表示在a/r＝0.005情况下的数据；

图7表示在a/r＝0.04情况下的数据；

图8表示在a/r＝0.09情况下的数据；

图9表示在a/r＝0.14情况下的数据；

图10表示在a/r＝0.25情况下的数据；

图11表示在a/r＝0.35情况下的数据；

图12表示在a/r＝0.51情况下的数据；

图13表示在a/r＝0.71情况下的数据；

图14表示在a/r＝0.93情况下的数据；

图15表示基本馈源的10dB波束宽的定义。

符号说明

1-无线电波透镜，

2-基本馈源

3-支承装置，

4-透镜，

5-反射板，

6-天线罩，

7-谱分析仪，

S-焦点，

O-透镜的中心，

a-从透镜表面至焦点的距离，

r-透镜的半径。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的一个优选实施例。图1所示的透镜天线包括一个无线电波透镜1，放置在该无线电波透镜1的焦点上的一个基本馈源2(焦点位置相应于通讯目标的对地静止卫星)，和一个可在固定位置上支承该基本馈源2的一个支承装置3。

所示的无线电波透镜1通过由介电材料制成的半球形透镜4与固定在透镜4的球的半切开表面上的反射板5的结合构成。

该无线电波透镜1可以由基本馈源与图2所示的球形透镜4或1/4球形透镜结合构成。该图2的球形透镜4由天线罩6支承。

透镜4为由具有不同的相对介电常数的层叠层构成的近似的椤勃透镜，它折射从一定方向入射的无线电波，使无线电波聚焦在焦点上。透镜4由介电材料制成，该透镜满足条件：0＜a≤r，如图3所示，式中a表示从透镜表面至透镜焦点的距离，r表示透镜的半径。

另外，该基本馈源2具有10dB波束宽度θ。θ表示该基本馈源的10dB波束宽度，由式A＝θ/2(1+2a/r)确定的A至少为40-80，更好为至少50～70。

另外，当a＝0时，该基本馈源2碰到透镜，因此不能安装该基本馈源2。当a＞r时，由于基本馈源2离透镜太远，造成天线体积大，作为可销售产品没有价值。为了避免这些问题，应满足条件0＜a≤r。

可以使用圆锥形号角天线，金字塔形号角天线，波纹形号角天线，介电杆天线，介电材料加载号角天线，微带天线(MSA)等中的一种作为该基本馈源2，但不是仅限于此。

反射板5的尺寸比透镜4的尺寸大，使得反射表面的一部分从透镜向外向着无线电的入射方向突出。

在图1的天线中，使用可以调节仰角的拱形形式的臂作为支承装置3，但也可以使用固定的支架等。

优选实施例

下面，详细说明本发明的优选实施例。作为近似的椤勃透镜，准备下列条件：

透镜：直径φ＝370mm，半球形形状，总共8层；

a/r＝0.005，0.04，0.09，0.14，0.25，0.35，0.51，0.71和0.93；总共9种情况。

另外，准备各具有不同的10dB波束宽度的波纹形号角天线CH1～CH9作为基本馈源。

表1

	10dB波束宽度(°)
		CH-1	54.0
CH-2	65.2
		CH-3	76.4
CH-4	87.6
		CH-5	99.2
CH-6	110.0
		CH-7	120.8
CH-8	130.8
		CH-9	140.4

其次，分别将其上固定着反射板的每一个透镜与表1中的波纹形号角天线CH-1～CH-9结合构成透镜天线，以后得到每一个透镜天线的增益和偏离12.7GHz处的旁瓣为基础的超过率。

增益和旁瓣的超过率利用图4的使用谱分析仪7的测量装置测量。结果表示在图5中。图5中，实线表示由公式A＝θ/2×(1+2a/r)确定的A和透镜天线的增益之间的关系，而虚线表示A和旁瓣的超过率之间的关系。

旁瓣基础为：

1)29-25logθ(4.4°≤θ＜30°)

2)-8        (30°≤θ＜90°)

3)0         (90°≤θ＜180°)

图6～14分别表示在a/r＝0.005，0.04，0.09，0.14，0.25，0.35，0.51，0.71和0.93情况下的数据。图5表示图6～14给出的数据的重叠。每一个天线的每一个增益和旁瓣的每一个超过率大部分集中在沿着曲线聚集的位置上。因此，利用上式的A作为参数，可以推导出天线的最优馈源。

如果满足50％或以上的孔径效率(增益为31dB)和20％或以下的旁瓣的性能，则可以利用它作为天线，从而导致条件40≤A≤80。另外，如果满足孔径效率为65％或以上(增益为32dB)和旁瓣为10％和以下的性能，则可以得到更好的天线，从而得到更好的值A，50≤A≤70。

Claims (3)

1.一种透镜天线，包括：

一个无线电波透镜，该无线电波透镜的无线电波折射特性近似于椤勃透镜的折射特性，并由介电材料制成，该透镜满足条件0＜a≤r，式中a表示从透镜表面至透镜焦点的距离，r表示透镜的半径；和

具有10dB波束宽度θ的一个基本馈源，这里θ表示该基本馈源的10dB波束宽度，由公式A＝θ/2×(1+2a/r)确定的A至少为40-80。

2.如权利要求1所述的透镜天线，其特征为，设定该基本馈源的10dB波束宽度θ，使A至少为50～70。

3.如权利要求1或2所述的透镜天线，其特征为，该无线电波透镜包括一个半球形透镜和一个反射板，该反射板中一部分反射表面从该透镜向外，向着无线电波的入射方向突出；并且该透镜天线还包括一个支承装置，用于在固定位置支承该基本馈源，进行从对地静止的卫星上接收信号和传输信号至该卫星上。

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