专利名称：具有辐射孔的源天线的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及由辐射孔，尤其是喇叭状的辐射孔组成的源天线。本发明还涉及包括依照本发明的源天线的天线结构，与均匀透镜型的聚焦系统有关。
背景技术：
在低轨道卫星通信系统的情况下，抛物面型聚焦系统的使用并不令人满意。特别地，为了确保在其轨道上对非同步卫星的持续跟踪，并且为了避免所述卫星与地面天线不再成笔直的瞄准线时通信中断，至少在由一个卫星切换到另一个卫星期间，所述地面天线必须具有两个分离的波束。此外，必须确保波束的角度覆盖范围达到一个很宽的区域。
为了解决这些问题，可以使用椤勃透镜型聚焦系统，利用其球面对称性，通过对透镜焦面上发射/接收源的简单移位，从而可以在宽角度的扇区上观察多个波束和卫星的跟踪。然而，应用椤勃透镜的实施例是复杂而昂贵的。因此，代替椤勃透镜，可以设想使用均匀球面透镜。
均匀透镜具有较低的制造成本。然而，它不能让入射的平面波得到极佳的焦距。特别地，注意到焦面水平的层次上有像差现象。在均匀透镜的情况下，不再像在由抛物面或椤勃透镜构成的聚焦系统中那样将其称为焦点，而是焦斑，聚焦区域被扩大了。
因此，均匀透镜的聚焦缺陷导致相关的主源天线的设计限制更加复杂。因此，与均匀透镜相关的源天线的主要功能是为了尽可能好地考虑并补偿由该有缺陷的聚焦系统引入的相位和幅度的失真。
因而，Robieux定理的应用可以表现出在源天线和聚焦系统的电场E和磁场H相互共轭时，包括主源天线的天线系统和其相关的聚焦系统的效率是最佳的。因此在源天线的孔中，这些场的分布必须在幅度方面与聚焦系统是一致的，并且其相位响应必须是反相的。
因此，本发明涉及一种源天线，其可以在辐射孔中得到场分布，并且使该场尽可能好地与由聚焦系统产生的场重叠。当聚焦系统是一个抛物面型的系统时，源天线常用的解决方案是喇叭。然而，在例如喇叭形天线的源天线的情况下，这种方法主要用来确保E和H的平面对称，该技术在于喇叭形天线内部或外部添加横向或纵向波纹或者波皱，从而在喇叭形天线的孔的层次上，调整电磁场的形态分布。实际上，所述波皱在波皱的层次上，引入更高的混合模式到引导结构中，该波脊使喇叭形天线的孔中的相位和幅度响应能够协调。
因此，当聚焦系统是均匀透镜时，聚焦效果没有传统的抛物面型聚焦系统的输出处有效，这转化为得到更大扩展的聚焦区域。因此，起皱的喇叭天线在均匀透镜型聚焦系统的情况下，不会构成最好的解决方案。
从而，本发明披露了由辐射孔构成的源天线的另一解决方案。
发明内容
根据本发明，天线由内部设有介电插入件的辐射孔型源天线构成。介电插入件的使用能够1)建立对称的相位响应，特别是在根据本发明，该插入件沿着该孔的横向截面呈椭圆形的情况下，2)通过变换介电插入件的位置和纵向的轮廓，使源天线的相位和幅度响应适应均匀透镜的相位和幅度响应。特别是，插入件沿着孔的辐射Oz轴方向的截面呈凹入或凸出状。这种特殊的形状将修改光路径，从而修改了辐射孔内的相位响应和幅度分布。
根据本发明的另一特征，所述辐射孔由喇叭天线构成。
根据第一实施例，所述喇叭形天线由一块合成材料制成的泡沫形成，其外表面经过金属化，所述的块形成内部凹槽以接纳插入件。
根据另一实施例，喇叭形天线由一块向内凹进的合成材料制成的泡沫并且将内外表面进行金属处理。
本申请还涉及一种天线结构，包括如上所述的源天线，所述源天线与均匀透镜型的聚焦系统相关联。
本发明的其他特征和优点将在阅读下面给出的各种实施例的说明中变得更明显，该描述将参照附图进行，其中图1分别示出了设置有介电插入件的喇叭型源的横向和纵向截面的视图。
图2示出了喇叭形天线不具有插入件和具有插入件的情况下的相位图。
图3是插入件的几何形状的示意正视图和侧视图。
图4是给出了单独的喇叭形天线和具有插入件的喇叭形天线的E场沿透镜的 轴方向的幅度的曲线。
图5A和5B是在E场和H场的相位沿 轴方向的情况下，与图4相同的曲线。
图6示出了不具有插入件的喇叭形源天线在E和H平面上的辐射图。
图7示出了具有插入件的喇叭形源天线在E和H平面上的辐射图。
图8表示16GHz下的各种辐射图。
图9是喇叭形天线的第一实施例的示意图。
图10是喇叭形天线的第二实施例的示意图。
图11是根据本发明，设置有插入件的喇叭形天线的实施例的截面图。
图12是第二实施例的与图11相同的截面图，和图13是第三实施例的与图11和12相同的截面图。
具体实施例方式
为了简化图中的描述，相同的组件由相同的参考符号表示。
根据本发明的源天线的实施例将首先参照图1至8进行描述。在这种情况下，如图1所示，形成源天线的辐射孔由一端呈圆柱形1a的辐射材料制成的喇叭形天线1组成，该圆柱形1a逐渐张开至它的孔1b。
根据本发明，在喇叭形天线1内部安装有由介电材料制成的插入件2。
可以用到的材料是商业名如下的材料Eccostock Lok介电常数1.7，损耗角正切0.004Eccostock SH-14介电常数1.25损耗角正切0.005一般习惯上，任何介电常数＞1并且损耗角正切低到足以将介电损耗降到最低的介电材料都可以使用，这种材料一般是可加工或可模压的。
正如图1的横截面中清楚地描述的，介电插入件2的椭圆形正视图。实际上，插入件的形状在图3中有更加详细的表示。图3的左侧示出了插入件2的椭圆形面，而右侧是轮廓图，并且示出了根据其纵向轮廓，插入件2具有凹进的外形。图3中所给出的插入件的尺寸将在随后的仿真中使用。
介电插入件的作用在图2中表示，其分别在喇叭形天线不具有插入件(左手图)和喇叭形天线具有椭圆形介电插入件(右手图)的情况下，给出在沿Ox轴方向线性极化的传统喇叭形天线的孔中获得相位图。正如图中清楚显示地那样，椭圆形插入件的添加能够使喇叭形天线的孔中的相位响应对称。这在辐射图的层次上转变为E和H平面上的对称化。
此外，介电插入件的几何形状对获得这种对称化很重要。插入件的椭圆形特性对确保相位响应的对称化来说是必须的，不带插入件的喇叭形天线的相位不对称越大，则椭圆形轮廓就越明显。
此外，如图3中所示，略微凹入的插入件的纵向轮廓以及插入件在喇叭形天线内部的定位是能够以最优方式相对于给定透镜的所需响应来适配相位和幅度响应的两个参数。插入件沿Oz轴的定位大大影响到幅度的校正，凹入的轮廓让中间和边缘射线的相移得到降低。
正如图1描述的，将椭圆形插入件插入到如图1所示的喇叭形天线获得的结果已经在通过12GHz、沿Ox轴线性极化作用激发的喇叭形天线的基础上，使用商业名称为“Feko”的程序而被验证。为了确保介电常数1.5并且直径30cm的均匀介电透镜的亮度，已经确定喇叭形天线的尺寸。该喇叭形天线在顶部中心辐射孔的层次上表现为平面直径有4cm，并且插入件具有图3所给出的尺寸，也就是椭圆的长轴为14mm，短轴为7mm，并且两凹入部分之间的深度为18mm，介电常数为1.4。仿真的结果由不同的曲线4、5A、5B、6、7和8给出。图4、5A和5B的曲线是E场沿Ox轴方向的幅度或者沿相同方向的E场相位和H场相位的曲线。当分别针对透镜，喇叭形天线单独存在和喇叭形天线加上插入件，比较各种曲线时，可以看出，介电插入件的添加使得可以在焦斑的层次上，使喇叭形天线中存在的出射场(exit field)分布适应透镜的出射场分布，在相位和幅度方面也是这样。
此外，正如图6和7所示的那样，相位响应的对称化转化为辐射图的显著改善，在图6中描述了喇叭形天线不具有插入件的辐射图的情况，在图7中描述了喇叭形天线具有插入件的辐射图的情况。在这些图中，可以看出椭圆形插入件使E和H平面中的响应对称化成为可能，同时使降低旁瓣水平成为可能。
因此，象图8中描述的那样，插入件提供显著改善的同时大幅降低了旁瓣，这使得可以实现宽频带操作。
现在，将参照附图9至13对喇叭型源天线的各种实施例以及本发明的各种实施例加以说明。
如图9所述，喇叭形天线可以由泡沫块10构成，泡沫块10向内凹陷，并且具有外部金属化层11和内部金属化层12，喇叭形天线内部充满空气。在这种情况下，浮动插入件可以固定在喇叭形天线内部的凹槽中，但没有在图9中示出。
图10所示的是喇叭形天线使用泡沫技术的另一个实施例。在这种情况下，喇叭形天线由合成材料制的固体泡沫块构成，所述合成材料成型为具有向外延伸展开的圆柱部分。在这种情况下，泡沫块20的外表面被金属化以制成源天线。
泡沫喇叭形天线可以由下述商名的材料制成Rohacell 71介电常数1.09，损耗角正切0.0038或，
Eccostock PP介电常数从1.03至1.1，损耗角正切0.0002。
如参照图10所描述的，现在将参照图11、12和13说明在喇叭形天线由金属化的泡沫块构成的情况下，喇叭形天线的各种可选的实施例。
在图11的情况下，泡沫块30在其外表面上容纳金属化层31。此外，喇叭形天线30的有孔一侧设置有凹入形的转角(nook)32，使介电材料制成的插入件33的插入成为参照图3所述类型的形状。该插入件具有略微凹入的轮廓，从而可以使边缘射线相对于中间射线的相移减小。
在图12中描述的是一个类似于图11中喇叭形天线的喇叭形天线40。该喇叭形天线在其外表面上设置有金属化层41并且在其孔的平面具有转角42，可以实现介电插入件43的插入。然而，在该实施例中，插入件43具有凸起型的轮廓，相反地，使边缘射线相对于中间射线的相移增加。
图13表示的是由泡沫块50构成的喇叭形天线的另一个实施例，在其外表面上涂有金属涂层51。在这种情况下，多个介电插入件53A和53B用于使E和H平面上的响应对称化。如图13所示，泡沫块50包括中间转角52A，用于容纳由介电材料制成的第一中间插入件53A；和圆形凹槽52B，用于容纳环形槽53B形成的插入件。在这种情况下，中间插入件能够在焦斑中心平面上进行校正，同时在外围表现为圆环形形状的插入件能够在辐射孔的外围平面上，适配场的分布状态。
对于本领域技术人员来说很显然，上述实施例仅仅是可以按照很多方式进行修改的几个例子。尤其是，辐射孔的几何形状不仅仅局限于图中所示的喇叭形。它也可以具有其他形状，特别是，锥形喇叭形或辐射孔表现为已知的其他形状。同样的，介电材料的插入件也可以具有与上述形状不同的其他形状。尤其是，椭圆形可以被改为圆形，并且轮廓可以具有凹入或凸起形状不同的形状。
权利要求
1.由辐射孔构成的源天线，其特征在于所述源天线包括至少一个由介电材料制成的插入件(2)，该插入件(2)浮动地安装在辐射孔(1)内部。
2.根据权利要求1的源天线，其特征在于，插入件沿所述孔的横截面呈椭圆形。
3.根据权利要求1或2的源天线，其特征在于，所述插入件沿所述孔的辐射轴(Oz)方向的截面呈凹入或凸出状。
4.根据权利要求1至3之一的源天线，其特征在于，所述插入件定位在该孔内部沿孔的辐射轴(Oz)方向上，具有按需要的幅度校正的功能。
5.根据权利要求1至4之一的源天线，其特征在于，所述辐射孔由喇叭形天线构成。
6.根据权利要求5的源天线，其特征在于，所述喇叭形天线由合成材料制成的泡沫块构成，其外表面经过金属化，所述块具有内部凹槽，用于容纳所述插入件。
7.根据权利要求5的源天线，其特征在于，所述喇叭形天线由向内凹陷的合成材料制成的泡沫块构成，所述材料外表面和内表面经过金属化。
8.包括根据权利要求1至7之一的源天线的天线结构，所述源天线与均匀透镜型的聚焦系统相关联。
全文摘要
本发明涉及由辐射孔1构成的源天线，其包括至少一个由介电材料制成的插入件2，所述插入件浮动地安装在辐射孔的内部。
文档编号H01Q19/10GK1612413SQ20041009599
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月31日
发明者阿里·卢齐耶, 让-弗朗索瓦·平托斯, 菲利普·尚贝宁, 弗洛朗·阿韦蒂, 多米尼克·洛希里通, 科琳娜·尼古拉, 克里斯蒂安·佩尔松, 让-菲利普·库佩, 加布里埃勒·兰德拉克 申请人:汤姆森许可贸易公司