包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽带卫星通信的天线系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种包括至少四个喇叭天线的天线系统，该四个喇叭天线支持两个正交的线偏振，并且在两个偏振面中具有收缩。通过对称的几何收缩使喇叭天线在两个偏振面中收缩的事实使得喇叭天线的带宽大致增加，从而使得能够服务宽的发射和接收频带或频率相距很远的发射和接收频带，诸如Ka频带。为了能够在相距很远的服务频带中最佳地操作各个脊状喇叭天线，有利地使喇叭天线和收缩都是阶梯状的。适当地选择喇叭天线的阶部和收缩的阶部的高度和宽度，使得能够将喇叭天线调节到与阻抗对应的服务频率。
【专利说明】包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽 带卫星通信的天线系统
[0001] 本发明涉及一种用于地面无线电台与卫星之间的宽带通信、特别是用于移动和航 空应用的天线系统。
[0002] 对用于以非常高的数据率发射数据的无线宽带信道的需求不断增长，特别是在移 动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天 线，具体来说，诸如尺寸小和重量轻的天线。对于与卫星进行定向无线数据通信（例如，在 Ku或Ka频带），由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线系统的发射特 性有极高要求。
[0003] 在航空应用中，天线系统的重量和尺寸非常重要，因为它们降低了飞行器的有效 载荷并且产生了额外的操作费用。
[0004] 因此，问题在于提供尽可能小且重量轻、并且即使如此也能够符合在移动载体上 进行操作期间的对于发射和接收操作的规定要求的天线系统。
[0005] 例如，对发射操作的规定要求来自标准47CFR 25. 209、47CFR25. 222、47CFR 25. 138、ITU-R M. 1643、ITU-R S.524-7、ETSI EN 302186或ETSI EN 301459。所有的这些管 理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射操作期间在相邻的卫星之间不产生干扰。为此 目的，通常基于相对于目标卫星的分离角来定义最大光谱功率密度的包络（遮罩，mask)。 在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定分离角规定的数值。这导致了对于根 据该角度的天线特性的严格的要求。随着与目标卫星的分离角增大，天线增益必须急剧减 小。这仅能够通过天线的非常均匀的幅度和相位配置而物理实现。因此，通常使用具有这 些特性的抛物线天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物线镜因其尺寸和圆 形孔而仅具有很差的适用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且因此由 于额外的空气阻力而必须仅具有最小的可能高度。
[0006] 虽然设计成抛物线（"香蕉状的镜子"）截面的天线是可能的，但是由于其几何收 缩，所以它们仅具有很低的效率。
[0007] 相反，能够使用任意几何形状和任意纵横比设计由单辐射元件构成并且具有合适 的馈送网络的天线阵列，而不会对天线效率产生不利影响。特别地，能够实现很低高度的天 线阵列。
[0008] 然而，特别是当接收频带与发射频带分开很远时（诸如在接收频率大约是 18GHz-21GHz并且发射频率大约是28GHz-31GHz的Ka频带中），在天线阵列中产生的问题 是：阵列的单辐射元件必须支持很大的带宽。
[0009] 已知喇叭天线是迄今阵列中的最有效率的单辐射元件。另外，喇叭天线可以是宽 带设计的。
[0010] 然而，在由喇叭天线构成并且通过纯波导网络馈送的天线阵列的情况下，在天线 图形中产生明显的寄生旁瓣（称为"栅瓣"）的已知问题。由于根据该设计的波导网络的尺 寸，所以这些栅瓣由形成天线阵列的天线元件的波束中心（相位中心）彼此间隔太大而引 起。特别是在大约20GHz以上的频率，这能够在特定波束角处导致天线辐射元件之间的正 干扰，并且因此导致在不期望的立体角范围内不期望地发射电磁功率。
[0011] 如果接收频率和发射频率也处于分开很远的频率上，并且如果为了管理原因而需 要根据发射频带的最小有用波长来设计波束中心之间的间隔，则喇叭天线通常变得如此 小，以至于喇机天线不再能够支持接收频带。
[0012] 例如，在Ka频带中，最小有用波长是仅大约1cm。使得天线阵列的辐射元件密集， 也就是说不产生寄生旁瓣（栅瓣），矩形喇叭天线的孔面面积可以是仅大约lcmXlcm。然 而，由于有限的开口角度意味着需要将其接近截止频率而操作，所以传统的这种尺寸的喇 叭仅在接收频带中具有大约18GHz-21GHz的很低的性能。Ka接收频带不再能够支持这样的 喇叭，或者喇叭的效率在该频带中急剧降低。
[0013] 另外，由于变得需要在喇叭输出端处的被称为变换器的正交模式信号转换器，所 以喇叭天线通常具有进一步限制几何机动空间的两个正交偏振。因为在相对高的GHz频率 不存在可用的充足安装空间，所以使用波导技术的正交模式信号转换器的设计通常失败。
[0014] 如果密集地封装阵列中的喇叭天线，则还存在位于喇叭阵列后面的可用安装空间 不能进一步容纳有效的馈送网络的问题。
[0015] 已知使用波导技术设计的喇叭天线的阵列的馈送网络仅产生很低的消耗性损失。 在最佳情况下，由波导部件馈送阵列的单个喇叭天线，并且整个馈送网络同样包括波导部 件。然而如果接收频带和发射频带包含分开很远的频率，则产生传统的波导不再能够支持 然后要求的频率带宽的问题。
[0016] 举例来说，在Ka频带中要求的带宽超过13GHZ(18GHZ-31GHz)。传统的矩形波导不 能有效地支持这样大的带宽。
[0017] 因此，对于移动的、特别是航空的小尺寸的卫星天线产生下面的需要同时解决的 问题：
[0018] 1.在使得能够以最大光谱功率密度操作天线的发射频带中没有寄生旁瓣（栅瓣） 的符合规定的天线图形，
[0019] 2.即使在小的单辐射元件尺寸的情况下，在接收频带和发射频带二者中也有高的 天线效率，
[0020] 3.占据尽可能小的安装空间并且产生可能的最低消耗性损失的有效馈送网络，
[0021] 4.可能的最紧凑并且节省空间、同时具有可能的最高天线效率的天线的设计。
[0022] 如果通过适当的布置解决了这些问题，则即使仅存在用于小天线的有限的安装空 间，也能够提供一种性能卓越的宽带系统。
[0023] 已知：如果单辐射元件的相位中心小于最大的有用频率的波长，则设计成单辐射 元件的阵列的天线能够用于实现无栅瓣的天线图形。另外，已知这种天线阵列的抛物线幅 度配置能够抑制天线图形的旁瓣（例如，J. D. Kraus和R. J. Marhefka，"Antennas :for all applications", 3rd ed. ,McGraw-Hill series in electrical engineering, 2002) 〇 特定 的幅度配置使得能够实现最佳匹配到给定天线尺寸的管理遮罩（例如，DE 102010 019 081 A1 ;Seifried, Wenzel 等人）。
[0024] 本发明的目的是提供一种特别是用于航空应用的GHz频率范围中的宽带天线系 统，该宽带天线系统使得能够以最小尺寸利用最大光谱功率密度进行符合规定的发射操 作，并且同时在接收操作中具有高的天线效率和低的背景噪音。
[0025] 通过根据权利要求1的天线系统实现该目的。
[0026] 根据本发明，该天线系统包括至少四个喇叭天线，其中，喇叭天线支持两个相互正 交的线偏振，并且在两个偏振面中都装备有收缩。由于喇叭天线在沿着电磁波的传播方向 具有对称的几何收缩的两个偏振面中是收缩的（设置有"脊"），所以能够极大地增加喇叭 天线的带宽。因此，像在Ka频带中的情况一样，能够使用即使是宽的发射和接收频带或者 处于大频率间隔的发射和接收频带。
[0027] 为了实现高水平的交叉偏振去耦，更有利的是将喇叭天线设计成使得它们支持两 个正交的线偏振。这样的喇叭天线能够用于实现远超40dB的隔离。特别是在利用高频谱 效率编码的信号的情况下，需要这样的隔离值。
[0028] 使得当有用频带相距很远时，也能够以最佳方式操作各个脊状喇叭天线，喇叭天 线和收缩二者都需要是阶梯状设计。然后，适当选择喇叭天线的阶梯的高度和宽度，以及收 缩的阶梯的高度和宽度，使得喇叭天线能够设置有与有用频带匹配的适当阻抗匹配。
[0029] 然后，在优选实施例中，选择相反的阶梯收缩之间的间隔和关联的喇叭截面的开 口，使得该间隔从孔口到喇叭端部逐阶减小，并且在每个阶部上，与各个间隔并且与各个喇 叭开口相关的下截止频率比最低有用频率低。
[0030] 能够使用数字模拟方法确定与各个间隔和各个喇叭口关联的下截止频率。
[0031] 另外，使得在天线系统的天线图形中不产生寄生旁瓣（栅瓣），直接相邻的喇叭天 线的相位中心之间的间隔小于或至多等于由于管理原因而不允许产生栅瓣的最高发射频 率的波长入 s。
[0032] 另外，喇叭天线的孔选择为矩形是有利的，特别优选地，使得两个缘长小于或至多 等于A s。然后，以最佳方式采用可用的孔表面区域，并且实现最大的天线增益。
[0033] 对于包括多个喇叭天线的天线系统，已经发现以下是有利的：如果选择喇叭天线 中的阶梯和收缩中的阶梯，使得至少对于一些阶梯，对于两个相反的收缩上的第i个阶梯 之间的间隔屯和第i个阶梯的喇叭天线截面的相关的缘长％ (例如，图4d)，
【权利要求】
1. 一种天线系统， 具有至少四个单福射元件（1)，其中，所述单福射元件是卿趴天线的形式，并且所述卿 趴天线（1)支持两个相互正交的线偏振，并且在两个偏振面中装备有收缩（15、16)。
2. 根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述收缩（15、16)相对于所述卿趴天 线中也轴对称。
3. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，在所述卿趴天线（1) 的壁中与在所述对称的几何收缩（15、16)至少在一定程度上是阶梯状设计。
4. 根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，两个相反的收缩（15、16)之间的间隔 从所述卿趴天线（1)的孔到卿趴端部逐阶减小，并且在每个阶部上，与各个阶部相关的卿 趴截面的与各个间隔相关的下截止频率、低于所述天线系统的最低有用频率。
5. 根据权利要求3或4所述的天线系统，其特征在于，所述卿趴天线（1)的孔无论如何 都是大致矩形，所述卿趴天线和所述收缩（15、16)是阶梯状设计，两个相反的收缩（15、16) 之间的间隔和所述卿趴天线开口的截面从所述天线（1)的孔到卿趴端部逐阶减小，至少对 于一些该些阶部，该阶部设计成使得；对于两个相反的收缩（15、16)中的第i个阶部之间的 间隔中、和相关的所述第i个阶部的所述卿趴天线截面的开口的缘长ai，当A C表示所述天 线系统的最低有用频率的自由空间波长时，
Pi在0.3和0.4之间，并且P2在0.25和0.35之间，其中，优选地Pi = 0.35并且P2 = 0. 29。
6. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述卿趴天线（1)的 孔无论如何都是大致方形，所述卿趴天线（1)和所述收缩（15、16)是阶梯状设计，两个相反 的收缩（15、16)之间的间隔和所述卿趴天线开口的截面从所述卿趴天线（1)的孔到卿趴端 部逐阶减小，至少对于该些阶部中的一些，该阶部设计成使得；对于两个相反的收缩（15、 16)中的第i个阶部之间的间隔di、和相关的所述第i个阶部的所述卿趴天线截面的开口 的缘长ai，当A。表示所述天线系统的最低有用频率的自由空间波长时，
Pi = 0. 35并且P2 = 0. 29,并且当a。表示所述孔的缘长，并且入S表示所述天线系统的 最高有用频率的自由空间波长时，
7. 根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，在匹配到所述发射频带和/或接收频 带的阻抗中进行分级。
8. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，一些所述卿趴天线 (1)或者全部所述卿趴天线（1)都装备有介质十字膜片和/或介质透镜。
9. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述卿趴天线（1)在 一定程度上或完全填充有电介质（19)。
10. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，选择至少一些所述卿 趴天线（1)的尺寸，使得两个直接相邻的所述卿趴天线（1)的相位中也之间的间隔小于或 最多等于处于所述天线系统的所述发射频带中的参考频率的波长。
11. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，通过用于所述第一正 交的线偏振的第一微带线（2)和用于所述第二正交的线偏振的第二微带线（3)来馈送所述 卿趴天线（1)，并且用于所述第一偏振的所述微带线（2)和用于所述第二偏振的所述微带 线（3)分别形成分离的微带线网络（2、3)。
12. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述卿趴天线（1)朝 向一个平面。
13. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，微带线网络（2、3)处 于二叉树的形式，使得并行馈送所述卿趴天线（1)。
14. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络（2、 3)的微带线位于薄基板上，并且布线在腔体中，所述腔体的壁至少在一定程度上是导电的。
15. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述天线系统由各个 层（22、23a、23b、23c、24)构成，并且在该种情况下，用于一个偏振的微带线网络（2)与用于 另一个偏振的微带线网络（3)在所述层之间彼此分开定位。
16. 根据权利要求12所述的天线系统，其特征在于，不同层（22、23a、23b、23c、24)由 金属制成，并且所述微带线网络（2、3)的微带线（26)布线在腔体中，所述腔体设计成所述 层（23a、23b、23c)中的凹部（25)，一个凹部（25)位于所述微带线（26)上方并且一个凹部 位于所述微带线（26)下方。
17. 根据权利要求14所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络（2、3)的基板设置 有锻有金属的通孔（27)，从而在所述凹部（25)的边缘之间建立电接触。
18. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，馈送网络装备有将发 射频带（34)的信号与接收频带（35)的信号分开的频率双工器（45、46)，使得能够进一步分 开处理该信号。
19. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，选择微带线网络（2、 3)的微带线的尺寸，使得支持所述天线的发射频带和接收频带二者。
20. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，选择所述微带线（2、 3)的所述微带线尺寸，使得对于所述天线系统的接收频带设计第一微带线网络（2)，并且 对于所述天线系统的发射频带设计第二微带线网络（3)。
21. 根据权利要求20所述的天线系统，在所述接收频带中具有均质幅度配置，使得所 有的所述卿趴天线（1)的功率贡献大致相等，并且在所述发射频带中具有幅度配置，使得 至少一些所述卿趴天线（1)的功率贡献彼此不同。
22. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，在所述馈送网络中具 有90°混合禪合器（47、48)，使得能够从线偏振信号产生圆偏振信号。
23. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述卿趴天线（1)装 备有用于接收和发送圆偏振信号的偏振器（21)。
24. 根据权利要求23所述的天线系统，其特征在于，所述偏振器（21)设计成多层曲流 线偏振器，并且安装在所述卿趴天线（1)的孔的前面。
25. -种天线阵列，该天线阵列具有多个如在前述权利要求中的任意一项所述的天线 系统，该多个天线系统通过波导网络巧、10)而彼此禪合。
26. 根据权利要求25所述的天线阵列，其特征在于，第一波导网络（9)将所述第一偏振 的所有信号集合到一起，并且第二波导网络（10)将第二偏振的所有信号集合到一起。
27. 根据权利要求25或26所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波导网络巧、 10)沿着所述电磁波的传播方向具有至少一个几何收缩（15、16)。
28. 根据权利要求27所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波导网络巧、10)设 计成单脊或双脊波导。
29. 根据权利要求25至28的任意一项所述的天线阵列，其特征在于，至少一些所述波 导网络巧、10)全部或者在一定程度上填充有电介质（19)。
30. 根据权利要求25至29的任意一项所述的天线阵列，其特征在于，选择所述波导网 络巧、10)的所述波导的尺寸，使得支持所述天线系统的所述发射频带和所述接收频带二 者。
31. 根据权利要求25至30的任意一项所述的天线阵列，其特征在于，选择所述导波网 络巧、10)的所述波导的尺寸，使得对于所述天线系统的接收频带设计第一波导网络巧）， 并且对于所述天线系统的发射频带设计第二波导网络（10)。
32. 根据权利要求31所述的天线阵列，在所述接收频带中具有均质幅度配置，使得所 有的所述卿趴天线（1)的功率贡献大致相等，并且在所述发射频带中具有幅度配置，使得 至少一些所述卿趴天线（1)的功率贡献从所述天线阵列的边缘到中也增加。
33. 根据权利要求25至32的任意一项所述的天线阵列，其特征在于，至少在所述发射 频带中，至少在所述卿趴天线（1)密集的方向上，所述幅度配置遵循适当的抛物线轮廓，使 得位于所述天线阵列的边缘的所述卿趴天线（1)的功率贡献、小于位于所述天线阵列的中 也的所述卿趴天线（1)的功率贡献。
34. 根据权利要求25至33的任意一项所述的天线阵列，其特征在于，所述波导网络 巧、10)构造成二叉树，使得并行馈送各个所述天线系统。
【文档编号】H01Q13/02GK104428948SQ201380035909
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】约尔格·欧朋兰德, 迈克尔·文策尔, 亚历山大·莫辛格, 迈克尔·塞弗里德, 克里斯托夫·霍伊斯勒, 亚历山大·弗里斯 申请人:利萨·德雷克塞迈尔有限责任公司