TWI437760B - Ｋｕ／ｋａ波段之發射器-接收器系統、方法及裝置 - Google Patents

Ｋｕ／ｋａ波段之發射器-接收器系統、方法及裝置 Download PDF

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Description

KU/KA波段之發射器-接收器系統、方法及裝置
本發明一般係關於一種衛星傳輸與接收單元，特別是，關於供用以結合一Ku波段接收器而操作的一Ka波段發射器－接收器之系統、方法及裝置。
隨著電信、無線技術及各種資訊系統之擴充，需要更大量之作業頻率以符合期望的需求。Ka波段係一相對較新開放之衛星傳輸頻率，用以提供此不斷成長之需求。其被指派在約20 GHz至大約30 GHz的頻率範圍，其中接收發生在約20 GHz，而傳輸發生在約30 GHz。
Ku波段係一相對較標準化之衛星傳輸頻率，而且有時為標準之一。其操作在約12 GHz之範圍。Ku波段頻率的一缺點為：當電信競爭之需求繼續暴漲時，其變得愈來愈無法使用，亦即，可獲得的有用頻率將縮減。應了解的是，未來之技術並非僅僅廢除“老化(aging)”頻率，因為許多系統未來仍將長期仰賴Ku波段。
在不久的將來，預期將會啟用若干Ka波段衛星。此等Ka波段衛星之配送的一主要用途為：提供例如寬頻資料服務給家庭和小企業，及因應上述之Ku波段頻率的成長限制。主動發展此寬頻服務供應之若干服務供應者，已針對低成本、有效率之地面終端而定義一需求，其可供一Ka波段服務使用，且同時可接收操作在國際電信聯盟(ITU)定義之Ku波段頻譜中的標準固定衛星服務(FSS)和直播衛星(DBS)服務。此種伴隨Ku波段接收功能之雙Ka波段接收/傳輸功能較常稱為一三波段組態(tri－band configuration)。
此刻，若干技術解決方案係在發展中或已經提出，而且大部分方法並不符合企圖強烈之成本目標，因為發展供操作以接收及傳輸Ka波段衛星訊號並接收Ku波段訊號的單元，本質上令人卻步。在一範例中，使用包含一號角形饋電(feed horn)的一同軸饋電(co－axial feed)，作為該三波段組態之解決方案，而且其揭露於Raytheon公司之6,720,933專利。然而，Raytheon之專利所揭露的組態要求極緊密而且精確的裕度。此等裕度要求使得在大量行銷方案中(即能夠以一低成本將單元提供給一般大眾)，單元成本過高。
另一範例，揭露於6,512,485專利而且讓渡給WildBlue通信公司，其描述包含一二色子反射器(dichroic subreflector)的一三波段反器面。實質上，二色子反射器允許某些頻率濾出，而反射其他頻率。此一組態允許較低之Ku波段頻率穿過，而反射較高頻率之Ka波段訊號。然而，本發明亦受限於極緊密而且精確之製造裕度。因此，在一大量行銷層面上，Wild Blue之實施例成本終究還是過高。
在又一範例中，某些製造商試圖利用折疊光學(folded optics)之某些特徵而組裝一組合的Ka波段/Ku波段發射器－接收器。通常，折疊光學合併雙反射碟，且亦可考慮到雙焦點之好處。此技術亦遭遇與上述技藝相同之限制。亦即，此技術要求極高的精確度和嚴格的裕度，因而通常太昂貴而無法併入試圖滿足一般大眾需要的一大量生產產品中。
因此，需要一種低成本的地面終端，用以傳輸或接收Ka波段衛星訊號，以提供例如寬頻資料服務給家庭和企業，且同時能夠接收操作在ITU定義之Ku波段頻譜中的標準FSS和DBS服務。
以下將更詳細討論本發明用以克服先前技藝之缺點的方式，一般而言，本發明提供一種結合一Ku波段接收器而操作之Ka波段發射器－接收器，其可供應先前技藝所無法提供的顯著優點給使用者。
例如，根據本發明之各種具體實施例，一三波段饋電包含一普遍可得之電介質加載Ka波段傳輸/接收饋電、以及操作在Ku波段頻率之相位組合插線接收天線(patch receiving antenna)天線的一陣列。
以下描述僅為說明本發明之各種較佳實施例，而非用以限制本發明的範圍、可應用性或組態。反之，以下的描述係用以提供可實施本發明之各種實施例的一幫助性說明。由以下的描述將可明白，在不偏離後附之申請專利範圍所述之發明範疇下，這些實施例中所述元件的功能和安排可有各種改變。例如，在本發明之內文中，關於圍繞於一Ka波段接收器－發射器系統之一些Ku波段接收插線天線的一圓形陣列，本發明之裝置發現特殊的用途。然而，一般而言，根據本發明，Ku/ka波段發射器－接收器之其他組態亦適用。
參考圖1，在本發明的一較佳實施例中，三波段系統100包含插線天線110的一圓形陣列，用以適當定向及/或相位對準，以接收一Ku波段傳輸。在插線天線110之圓形陣列的中間，三波段系統100亦可用以合併一Ka波段發射器－接收器120。
參考圖2，在一較佳實施例中，三波段天線系統200包含(如上所述)與一Ka波段接收器－發射器結合之一些Ku波段插線天線210。三波段系統200亦可包含支援三波段系統之其他電子元件。例如，系統200可包含一Ku波段低雜訊區塊(LNB)240、一Ku波段印刷線路板(PWB)230、一低雜訊放大器(LNA)(圖未示)、一互連260、及/或一保護蓋270。
Ku波段插線接收天線210通常用以接收Ku波段訊號範圍內的一傳輸訊號，而且可包含任何作為此用途之組態，包含現在已知或以後想出來的。在一方面，插線天線210包含裝設在一接地板旁的一方形導體。方形體之尺寸約為接收波長的1/2。例如，如果一衛星之操作頻率為12.2GHz，則波長的一半約為(3.0×108 /1.22×1010 )*0.5，因此尺寸約為12mm。方形導體與接地板之間的絕緣空間可為空氣。在本發明的一範例實施例中，其他範例插線天線亦可包含具有一稍高介電常數之以鐵弗龍(Teflon)為主的介電質電路板材料。此稍高介電常數允許插線稍微小些。一範例電路板可包含Rogers公司所製造之RO4003。
繼續圖1，插線天線110之圖案及/或組態可用以改善Ku波段訊號的接收。例如，天線元件陣列可被安排以提供足夠的天線增益並降低不要之旁瓣(sidelobe)(離軸)增益。此外，根據標準相位陣列天線設計法，可使用電磁場模擬器來最佳化插線元件之配置和間隔。然而，應明白的是，插線天線110可組態為允許接收一Ku波段訊號之任何幾何方式。在一示範實施例中，插線附著於印刷線路板(PWB)130，其有時亦稱為一印刷電路板(PCB)。
如以上之簡述，三波段系統100可包含PWB 130。PWB 130可進一步為電子組件所附著的一基底。PWB 130可由許多材料所形成，像是玻璃纖維(玻璃環氧樹脂)、紙環氧樹脂、膠木塑膠及/或類似材料。板子通常在0.1英吋(2.54 mm)的間隔鑽有0.8 mm的孔。此孔之圖案可從一邊至另一邊完全地覆蓋板子。通常有一銅層“軌面(land)”或“襯墊(pad)”在板子的一側並圍繞每一孔。至於像是插線天線110之組件則放置於板子上之銅層側的對面，而組件導線穿過孔及焊接線路而放置。在一方面，銅層可預焊(鍍錫)，使焊接更容易。
參照圖2，在一示範實施例中，PWB 230可包含一或更多低雜訊放大器(LNA)。LNA可用以藉由在元件與LNA裝置間提供一輸入匹配電路而最佳化雜訊圖形效能。LNA可用以放大插線天線210所接收的訊號，而不會增加大量的過剩雜訊。藉此，其餘電子組件可處理所增強的訊號，供後續使用。若干適當的LNA裝置可在市面上取得。適當LNA裝置的一例示為NRC公司製造的一NE3210。應明白的是，可使用與NE3210裝置相當之其他組件來增強訊號。
當插線陣列接收Ku波段訊號時，插線可被定向及/或相位調正。然後，將訊號導向至一Ku波段低雜訊區塊(LNB)240，其有時稱為一低雜訊區塊降頻器(Down Converter)。LNB之一例示為：一美國Monolithics公司之零件，零件號碼USMLNBKu6DLF02154。LNB 240的其中一用途例如可為將所接收訊號放大並轉換成一較低頻率。例如，Ku波段插線接收器110可接收在約12 GHz範圍內的一訊號；然而，此頻率可能太高而無法供其他電子組件的後續處理及使用。因此，LNB降頻器240可將訊號轉換成一較有用頻率。雖然此處以一LNB加以說明，但其他類型之組件亦可用以提供放大及頻率轉換。在另一例示中，針對此應用，可使用其他適當之低成本混合器和本地振盪器。
在本發明的一示範實施例中，三波段單元可包含一連接器260，將一室內單元(indoor unit)連接至Ka波段發射器220。連接器260亦可包含從Ka波段和Ku波段LNB 240至一室內單元的一連接。連接器260針對訊號而提供一導管(conduit)於三波段單元200與一室內作業單元間，其未示於圖中。在本發明的一方面，標準同軸電纜(圖未示)用以連接例如一“F”連接260至一適當的室內單元。使用“F”連接係因為其成本低廉，而且因為其在有線TV的技術中已廣為人知。雖然此處以一“F”連接來說明連接器260，但亦可使用其他類型之連接器。例如，其他適當的連接器類型可包含一“N”連接器、一“SMA”或任何其他適當的RF連接器。
如以上之簡述，並再參考圖1，在一示範實施例中，三波段單元100可包含一組合之Ka波段發射器/接收器(Ka收發器)120。Ka收發器120可組態以位在Ku波段插線天線110之圓形陣列的中心內，較佳情況如圖1。在一示範實施例中，Ka波段收發器120亦可包含一LNA及/或一LNB，以提供如同Ku波段插線天線110之LNA和LNB的一類似功能。在一例示中，一商用Ka波段收發器120包含美國Monolithics公司的零件，零件號碼TXR29303W。
在本發明之另一示範實施例中，較佳情況如圖3，Ka波段收發器320可偏離插線天線310之圓形陣列的中心。在此實施例中，三波段系統可進一步包含佔用中心位置的一額外插線天線。以此方式，Ku波段插線接收器310可以比沒有中心插線的插線天線陣列具有更高的作業效率。例如，參照圖4，其顯示用以描繪增益的一圖形，此增益係來自具有中心插線及不具有中心插線的Ku波段接收器。圖形指出，併入含有中心插線之一插線陣列之組態比沒有中心插線之一陣列之組態具有更高的增益。圖形亦顯示，含有中心插線之陣列(曲線401)較沒有中心插線之陣列(曲線402)具有明顯較低之旁瓣。
繼續說明偏離中心之Ka波段收發器320，訊號係從偏離中心之號角形饋電(feed horn)而接收及傳輸，其係透過設計號角以一稍微非對稱之方式輻射能量，藉此均勻地靜態照射反射器。此亦稱為”波束導引(beam steering)”。此組態允許Ku波段收發器320合併一“中心”插線天線，因此而改良Ku波段之訊號接收，而不會降低Ka波段之天線效能。
在本發明的一具體實施例中，其中隨時參照圖2，三波段單元200可包含用以保護此單元的一蓋子。於使用期間，三波段單元200可被配置而安裝於一外面環境，以接收高架衛星傳輸。如此，單元200，特別是電子組件，將容易遭受像是雨、雪、霰、雹、霧、紫外線等環境的損壞。通常，為了保護單元200免於這類不利因素，蓋子270可包含一塑膠(例如一聚碳酸酯)，作為覆蓋保護。在一示範實施例中，塑膠蓋子通常包含一高度耐用之材料，以保護組件免於天然因素及任何有害紫外波的影響。蓋子270本質上可為半球形，且可組成為不會干擾訊號之接收或傳輸。此外，能夠合理保護單元免於這些因素影響的熱固性塑膠、熱塑性塑膠、合成物或其他類似材料，亦可包含於本發明中。再者，雖然在一示範實施例中，蓋子270本質上為半球形，其可包含其他的幾何組態，這些組態不但允許三波段單元200有效率操作，亦可保護單元200免於這些因素的影響。
在本發明的一示範實施例中，同時參照圖1和3，三波段單元100包含允許Ku波段接收插線天線110與Ka波段收發器120結合之任何組態。例如，此處所述之示範實施例討論具有一中心佔有之Ka波段收發器120的Ku波段插線天線110之圓形陣列。另一實施例討論具有一中心插線天線和一偏離中心之Ka波段收發器320的插線天線310之一圓形陣列。然而，以一類似方式作業、並利用Ku波段接收插線天線310與Ka波段收發器320之結合的其他組態也存在。插線天線310可包含其他幾何組態，例如六角形、八角形、矩形、五角形及其他類似形狀。在又另一組態中，Ka波段收發器320可包含一中心的或偏離中心之組態以外的某些種類。例如，Ka波段收發器320可沿著單元周圍而放置、切線地附加至單元、或在插線天線310的一幾何陣列裡面或外面。
雖然本發明結合特定較佳實施例特別地說明，然而先前的描述僅係用以說明，而非用以限制本法明。應了解的是，許多的修改和變化對熟此技藝者為顯而易見而不脫離本發明的範疇。
100、200、300．．．三波段天線系統
110、210、310．．．Ku波段插線天線
120、220、320．．．Ka波段發射器－接收器
130、230、330．．．Ku波段印刷線路板
140、240、340．．．Ku波段低雜訊區塊
260．．．互連
270．．．保護蓋
本發明之標的已特別的被指出，並在說明書後附的申請專利範圍中明確的主張。然而，藉由參照詳細說明和申請專利範圍並且結合圖式，可更完整地了解本發明，其中：圖1根據本發明之一示範實施例，繪示了在Ku波段插線接收天線元件的一圓形陣列中之一Ka波段發射器－接收器之前視圖；圖2根據本發明一示範實施例，繪示了一三饋電Ka/Ku波段發射器－接收器單元之側視圖；圖3繪示本發明一示範實施例，其中描繪具有一中心插線和一偏離中心之相位導引Ku波段接收器的插線圖案；以及圖4為根據本發明一示範實施例所繪示的示範圖形，描述在沒有中心插線及有中心插線的插線陣列之間的增益差。
100．．．三波段天線系統
110．．．Ku波段插線天線
120．．．Ka波段發射器－接收器
130．．．Ku波段印刷線路板
140．．．Ku波段低雜訊區塊

Claims (14)

  1. 一種用以傳輸及接收衛星訊號之天線裝置，包含：一號角形饋電天線，用於以一第一頻率在一Ka波段中傳輸訊號以及也用於以不同於該第一頻率之一第二頻率在一Ka波段中接收訊號，其中該第一頻率高於該第二頻率大約10GHz，以及其中該號角形饋電天線係一非同軸號角(non-coaxial horn)；以及複數個Ku波段插線天線，用以接收Ku波段頻率，其中該複數個Ku波段插線天線安排於一陣列，其中該複數個Ku波段插線天線的每一個置於距離一中心點相等距離，以及其中該號角形饋電天線置於該複數個Ku波段插線天線的該安排的陣列內之偏離中心處，使得以一稍微非對稱之方式輻射能量，而均勻地靜態照射一反射器。
  2. 如請求項1所述之天線裝置，其中經由該號角形饋電天線傳輸或接收的該訊號被調整相位，供最佳傳輸或接收。
  3. 一種用以傳輸及接收訊號的天線系統，其中該天線系統包含複數個Ku波段插線天線以及一Ka波段號角形饋電；其中該複數個Ku波段插線天線包含插線天線的一圓形陣列；其中該複數個Ku波段插線天線與該Ka波段號角形饋電對焦於一共同反射器；其中該複數個Ku波段插線天線包含一插線天線的圓形陣列與在該插線天線的圓形陣列內之中心處的一插線天線；其中該Ka波段號角形饋電置於該插線天線的圓形陣列內之偏離中心處，使得以一稍微非對稱 之方式輻射能量，而均勻地靜態照射該共同反射器，以及其中該Ka波段號角形饋電係一非同軸號角。
  4. 一種用以傳輸及接收射頻訊號的多波段饋電組合件，包含：一號角形饋電，用以傳輸一第一Ka波段訊號以及接收一第二ka波段訊號，其中該第一Ka波段訊號比該第二ka波段訊號具有一明顯較高的頻率，以及其中該號角形饋電係一非同軸號角；在圍繞該號角形饋電的一同心圖案(concentric pattern)中的一插線天線陣列，該插線天線陣列用以接收一Ku波段訊號；以及其中該號角形饋電與該插線天線陣列對焦於一共同反射器，以及其中該號角形饋電置於該插線天線陣列內之偏離中心處，使得以一稍微非對稱之方式輻射能量，而均勻地靜態照射一反射器。
  5. 如請求項4所述之多波段饋電組合件，更包含一蓋子用以保護該號角形饋電以及該插線天線陣列。
  6. 一種多波段饋電組合件，包含：一第一饋電包含一號角形饋電，其中該號角形饋電用以在一Ka波段以一第一頻率傳輸訊號以及也用以在一Ka波段以不同於該第一頻率的一第二頻率接收訊號，其中該第一頻率高於該第二頻率大約10GHz，以及其中該號角形饋 電係一非同軸號角(non-coaxial horn)；以及一第二饋電包含一Ku波段插線天線陣列圍繞該號角形饋電；其中該Ku波段插線天線陣列以及該號角形饋電附著於一共同基底，其中該共同基底更包含一印刷線路板；其中該第一饋電以及該第二饋電用於共享一共同反射器；其中該多波段饋電組合件不包含一二色子反射器；以及其中該號角形饋電置於該Ku波段插線天線陣列的偏離中心處，使得以一稍微非對稱之方式輻射能量，而均勻地靜態照射該共同反射器。
  7. 如請求項6所述之多波段饋電組合件，其中該號角形饋電以及該Ku波段插線天線陣列朝向一共同方向。
  8. 一種多波段饋電組合件，包含：一反射器；一號角形饋電具有一電性孔(electrical aperture)，其中該號角形饋電係一非同軸號角；一插線天線陣列圍繞該號角形饋電；其中，該號角形饋電置於使得該電性孔係位在該反射器之一焦點的位置；以及其中該號角形饋電傳輸一第一Ka波段訊號，以及從該反射器之該焦點處的該電性孔接收不同於該第一Ka波段訊號之頻率的一第二ka波段訊號，其中該號角形饋電係一非 同軸號角，其中該插線天線陣列從如同該反射器的該焦點之虛擬的(virtually)相同位置接收一Ku波段訊號，以及其中號角形饋電置於該插線天線陣列內的偏離中心處，使得以一稍微非對稱之方式輻射能量，而均勻地靜態照射該反射器。
  9. 一種用以傳輸及接收衛星訊號之天線裝置，包含：一號角形饋電天線用以在一Ka波段以一第一頻率傳輸訊號以及也用以在一Ka波段以不同於該第一頻率的一第二頻率接收訊號，其中該第一頻率高於該第二頻率大約10GHz；以及複數個Ku波段插線天線用以接收Ku波段頻率，其中該複數個Ku波段插線天線被安排於一陣列，以及其中該複數個Ku波段插線天線的每一個置於距離一中心點相等距離。
  10. 如請求項9所述之天線裝置，其中該複數個Ku波段插線天線與該號角形饋電天線對焦於一共同反射器。
  11. 一種用以傳輸及接收訊號的天線系統，其中該天線系統包含複數個Ku波段插線天線以及一Ka波段號角形饋電；其中該複數個Ku波段插線天線包含插線天線的一圓形陣列；其中該複數個Ku波段插線天線與該Ka波段號角形饋電對焦於一共同反射器；其中該複數個Ku波段插線天線包含一插線天線的圓形陣列與在該插線天線的圓形陣列內之 中心處的一插線天線。
  12. 一種用以傳輸及接收射頻訊號的多波段饋電組合件，包含：一號角形饋電，用以傳輸一第一Ka波段訊號以及接收一第二ka波段訊號，其中該第一Ka波段訊號比該第二ka波段訊號具有一明顯較高的頻率，以及其中該號角形饋電係一非同軸號角；在圍繞該號角形饋電的一同心圖案中的一插線天線陣列，該插線天線陣列用以接收一Ku波段訊號；以及其中該號角形饋電與該插線天線陣列對焦於一共同反射器。
  13. 一種多波段饋電組合件，包含：一第一饋電包含一號角形饋電，其中該號角形饋電用以在一Ka波段以一第一頻率傳輸訊號以及也用以在一Ka波段以不同於該第一頻率的一第二頻率接收訊號，其中該第一頻率高於該第二頻率大約10GHz；以及一第二饋電包含一Ku波段插線天線陣列圍繞該號角形饋電；其中該Ku波段插線天線陣列以及該號角形饋電附著於一共同基底，其中該共同基底更包含一印刷線路板；其中該第一饋電以及該第二饋電用於共享一共同反射器；其中該多波段饋電組合件不包含一二色子反射器；以及 其中該號角形饋電置於該Ku波段插線天線陣列的偏離中心處。
  14. 一種多波段饋電組合件，包含：一反射器；一號角形饋電具有一電性孔；一插線天線陣列圍繞該號角形饋電；其中，該號角形饋電置於使得該電性孔係位在該反射器之一焦點的位置；以及其中該號角形饋電傳輸一第一Ka波段訊號，以及從該反射器之該焦點處的該電性孔接收不同於該第一Ka波段訊號之頻率的一第二ka波段訊號，其中該號角形饋電係一非同軸號角，其中該插線天線陣列從如同該反射器的該焦點之虛擬的(virtually)相同位置接收一Ku波段訊號。
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