专利名称：多波束反射面盘型天线及其成形方法
技术领域：
本发明涉及一种盘型天线，特别是涉及一种多波束反射面盘型天线，可通过数值分析与合成方法，在天线尺寸不变的情况下来提升增益。
背景技术：
现代用卫星通信实时散布音频与视频数据到世界各地变得越来越重要。一个很明显的目标是增进一个卫星系统的数据容量，例如直播卫星系统(direct broadcast system DBS)。而反射面盘型天线系统是一种常见应用在卫星通信的天线系统。
传统上，已知盘型接收天线通常使用最广泛的圆形抛物面天线。其盘面的曲面以圆形的抛物面方程式x^2+y^2＝4fz表示，其中，f代表此圆形盘面的焦距。一整合馈入的低噪声放大器模块(low noise block withintegrated feed，LNBF)装设在盘型天线的抛物面反射面的焦点上，用来接收及转换卫星讯号。在焦点上的LNBF模块接收到C/N比值(carrier tonoise ratio)极高的卫星讯号，可改善接收信号的品质与提高增益，且降低过溢散失(spill-over loss)。另一方面，由于抛物面天线的聚焦能力相当强，来自其它卫星的讯号仅会产生一平行于抛物面天线的极小讯号。此外，要同时接收多个卫星讯号，只有装置多个抛物面天线才可达到这个功能。
因此，另一个方法是在一个盘型天线上放置多个独立的LNBF模块，用来同时接收多个不同的卫星信号。相较于装置多个抛物面天线，此方法占用空间较小也比较便宜，对使用者而言相当实用与方便。然而，使用单一复合LNBF模块的方法，还可进一步实现上述优点，且与多个独立LNBF模块的盘型天线具有同样的功效。
本发明部分相关背景技术请参考下列的论文Research Disclosure Vol.43，NO.1，“A Generalized DiffractionSynthesis Technique for High Performance Reflector Antenna”，IEEETrans.On Antennas and Propagation，Dah-Ewih Duan and Yahmat-Samii，January 1995，discloses a steepest decent method(SDM)which is awidely employed procedure for the synthesis of shaped reflectors incontoured beam applications.The SDM is efficient in computationalconvergence，but highly depends on an initial starting point andcould very easily reach a local optimum。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可同时接收不同卫星讯号的多波束反射面盘型天线。本发明的另一目的是提供一种盘型天线辐射场型的分析方法与具有此种辐射场型的盘型天线。因此本发明提供一种多波束反射面盘型天线与其分析方法。此盘型天线包括一个反射面，还有一主要单电路板上设置整合馈入的低噪声放大器模块(low noise block with integratedfeed，LNBF)。具有N阶曲线的盘型天线反射面，用一个盘型表面在一角度范围内同时接收来自不同卫星的讯号，且形成分别对应于不同卫星讯号的聚集波束。一主要复合LNBF模块包含多个位于反射面的聚焦平面上的次LNBF模块，用来接收对应于不同卫星讯号的聚集波束。
藉由以下结合附图的详细描述，将可更好地了解上述内容及本发明的诸多优点，其中图1为本发明的盘型天线系统图；图2为本发明的盘型天线的反射面形状原理图；图3为本发明的盘型天线的反射面合成方法的流程图；图4为本发明的多波束反射面盘型天线的剖面图。
具体实施例方式
本发明披露了一种具有复合LNBF模块的多波束反射面盘型天线，用来同时接收来自不同卫星的讯号。图1为本发明的盘型天线系统图。依据本发明的多波束反射面盘型天线可将多个LNBF模块整合在单个复合LNBF模块上。盘型天线的反射面10接收来自不同卫星的讯号，且产生多方的辐射波20。盘型天线的盘型表面是一个具有N阶投影孔径的反射面，使用方程式F(x)^n+F(y)^n＝F(z)表示，其中n的值在本实施例中是采用2.1。
图2为本发明的盘型天线的反射面10形状原理图。其中，盘型天线的反射面10是由曲面形变而形成，且反射面10的形状是使用超椭圆投射而得。此超椭圆满足方程式[x/A]^n+[y/B]^n＝1，且z＝f，其中n的值为2.1，而A是本发明具有N阶投影孔径在水平轴上的长度，且B是在垂直轴上的长度。要形成本发明的盘型的方法，可从两方面来考虑数值分析与合成方法。重点是分析由盘形天线的反射面10已馈入盘型天线的馈电器组件(包括辐射波形与重量)所产生的辐射场型。考虑馈电器组件与辐射波形，因为假设是由cos^qθ作为预设波形，所以辐射波形的变化部分不在此分析方法中。利用物理光学理论，对所切割的面积进行基底展开，可以得到球面展开式(global surface expansion)为z(t,φ)=Σ0nΣ0m[Cnmcosnφ+Dnmsinnφ]Fmn(t).]]>其中两个∑分别代表对n与m进行加总的程序，其中Cnm与Dnm可用积分方程式求出每个基底系数。并且，可根据所得到的基底系数，推导出所对应的辐射场型、波峰(peak)角度、增益、与旁波瓣值等等，再比较上述诸值是否符合条件值的要求，以决定递归程序(iteration procedure)是否实现。辐射波形的主要波瓣与第一旁波瓣值对于盘型天线是相当关键的。要实现物理光学上效果好的波瓣值可由上述的研究方法。
合成的目的是要改进盘形天线的反射面10的重量和形状，以使盘型天线的反射面10产生希望的标准波形。通常，依照希望的标准波形条件反复调整馈电器组件的重量，或者盘型天线的反射面10的形状，直到实现希望的标准波形条件。简要地说，上面的等式提供一开始时预设盘型天线的反射面10的设定值(反射面10的Cnm与Dnm、馈电器的辐射波形、坐标、盘型天线的反射面10的相位与重量默认值)，且希望反射面10的辐射场型(要得到最低与最高增益的角度)，直到使用合成方法实现预设条件。辐射场型依据得到的系数去分析以修改辐射场型需要的条件，重复使用合成方法直到展开的基底系数Cnm与Dnm符合辐射场型。这些展开的基底系数作为详细说明盘型天线的反射面10，设计、制造与测试样品的坐标。
图3为本发明的盘型天线的反射面合成方法的流程图。合成盘型天线的反射面10包括以下的步骤。步骤S1，预设辐射波形。首先决定此辐射波形作分析合成。步骤S2，切割孔径投射至盘型天线的反射面10决定切割形状。盘型天线的反射面10的切割形状由切割孔径投射而成。步骤S3，预设盘型天线反射面10的抛物面方程式系数。由抛物面方程式的切割孔径投射，得到一组输入基底系数。步骤S4，决定辐射波形的条件。辐射波形的条件包括水平轴半径、垂直轴半径、焦距以及中心点至Z轴的距离。步骤S5，分析辐射波形得到基底系数。根据辐射波形的分析与上述辐射波形的条件，可得到一组输出基底系数。步骤S6，确认是否符合预设辐射波形。步骤S7，修改反射面10的对称系数，以再次确认是否符合预设辐射波形。如果不符合预设辐射波形，修改反射面10的对称系数，以再次确认是否符合预设辐射波形。步骤S8，得到一组新的基底系数。如果辐射波形依然无法符合默认值，在修改对称系数前，先将起始的输入基底系数以输出基底系数代换，然后重复步骤4直到找到符合的基底系数Cnm与Dnm产生预设的辐射波形。
本发明的盘形天线的分析合成方法数据详列如下盘型天线的表面如图2盘型天线的剖面图如图4LNBF模块具有三个次LNBF，两相邻的次LNBF的馈电器中心相距66厘米。
盘型天线的反射面尺寸大小反射面20.4(inch)*16.94(inch)实际大小20.9(inch)*18.4(inch)盘面上每点误差在+0.02″到-0.02″之间反射面焦距12.25(inch)盘型天线的反射面基底系数如下面表1所列表1nm CnmDnm00-6.886965 0.00E+0001-0.40448810.00E+00024.81E-03 0.00E+0003-6.92E-04 0.00E+00100.00E+00 1.619216
110.00E+00 -9.52E-03120.00E+00 -2.61E-04200.1238 0.00E+0021-6.41E-030.00E+00221.00E-05 0.00E+00300.00E+00 2.35E-02310.00E+00 1.07E-0340-1.44E-030.00E+00411.12E-03 0.00E+00500.00E+00 -3.20E-0360-2.12E-030.00E+00盘型天线分析与测试数据
因此，与已知的技术相比较，多波束反射面盘型天线有下列的优点。依据多波束反射面盘型天线的需求，用分析合成方法布署一反射面表面形变，且根据盘型天线产生的影响分析这个合成的反射面，提供最好的可能结果。多波束反射面盘型天线以一反射面合成与形变制成，进而达到比已知技术更大角度的接收范围与效果(更高的增益与较佳的旁波瓣值)。本发明的较小的盘型天线的反射面是以数值分析和合成方法制成，以较低的成本达到更好的效果。在盘型天线的单一反射面使用相位数组馈电器产生多波束，是最近在盘型天线上一个重要的应用。不仅能使盘型天线的单一反射面传送双向讯号至多个卫星以节省成本，同时有效地追踪卫星，也能用于点对点的微波传输。
虽然本发明已以一实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围视后附的权利要求为准。
权利要求
1.一种多波束反射面盘型天线系统，包括一个反射面可同时接收多颗卫星传送的讯号；及，至少一第一低噪声放大器模块，接收由该反射面产生的聚焦波束，其中该反射面是依下列步骤决定提供一满足方程式F(x)^n+F(y)^n＝F(z)的n阶曲线表面，其中n的值为2.1；展开该方程式为z(t,φ)=Σ0nΣ0m[Cnmcosnφ+Dnmsinnφ]Fmn(t),]]>其中Cnm与Dnm为基底系数；依据基底系数Cnm与Dnm分析反射面的辐射波形；合成反射面的辐射波形以产生对应的辐射场型；及依据基底系数Cnm与Dnm与该辐射场型得到该多波束反射面，其中Cnm与Dnm基底系数如下所列nmCnmDnm00-6.8869650.00E+0001-0.4044881 0.00E+00024.81E-03 0.00E+0003-6.92E-040.00E+00100.00E+00 1.619216110.00E+00 -9.52E-03120.00E+00 -2.61E-04200.1238 0.00E+0021-6.41E-030.00E+00221.00E-05 0.00E+00300.00E+00 2.35E-02310.00E+00 1.07E-0340-1.44E-030.00E+00411.12E-03 0.00E+00500.00E+00 -3.20E-0360 -2.12E-03 0.00E+00
2.如权利要求1所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该盘型天线的反射面大小概略为长18.4英吋、宽20.9英吋。
3.如权利要求1所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该盘型天线的反射面焦距为12.25英吋，且其盘形表面的每点误差在0.02英吋到-0.02英吋之间。
4.如权利要求1所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该第一低噪声放大器模块包括多个第二低噪声放大器模块。
5.如权利要求4所述的一种多波束反射面盘型天线系统，还包含位于该第二低噪声放大器模块的焦点上的馈电器。
6.如权利要求5所述的一种多波束反射面盘型天线系统，每一位于该第二低噪声放大器模块的馈电器仰角概略是38.45度。
7.如权利要求5所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该每个第二低噪声放大器模块的水平距离概略为66毫米。
8.一种多波束反射面盘型天线系统的制造方法，其包括下列步骤提供该盘型天线系统一n阶曲线表面的反射面，满足方程式F(x)^n+F(y)^n＝F(z)，其中n的值为2.1；展开该方程式为z(t,φ)=Σ0nΣ0m[Cnmcosnφ+Dnmsinnnφ]Fmn(t),]]>其中Cnm与Dnm为基底系数；依据基底系数Cnm与Dnm分析反射面的辐射波形，该辐射波形系被一第一低噪声放大器模块所接收；合成反射面的辐射波形以产生对应的辐射场型；及依据基底系数Cnm与Dnm与该辐射场型得到该多波束反射面盘型天线，其中Cnm与Dnm基底系数如下所列nmCnmDnm00-6.886965 0.00E+0001-0.40448810.00E+00024.81E-03 0.00E+0003-6.92E-04 0.00E+00100.00E+00 1.619216110.00E+00-9.52E-03120.00E+00-2.61E-04200.1238 0.00E+0021-6.41E-03 0.00E+00221.00E-050.00E+00300.00E+002.35E-02310.00E+001.07E-0340-1.44E-03 0.00E+00411.12E-030.00E+00500.00E+00-3.20E-0360-2.12E-03 0.00E+00
9.如权利要求8所述的制造方法，该盘型天线的反射面大小概略是长18.4英吋、宽20.9英吋。
10.如权利要求8所述的制造方法，该盘型天线的反射面焦距概略为12.25英吋，且其盘形表面的每点误差在0.02英吋到-0.02英吋之间。
11.如权利要求8所述的制造方法，该第一低噪声放大器模块包括多个第二低噪声放大器模块。
12.如权利要求11所述的制造方法，还包含位于该第二低噪声放大器模块的焦点上的馈电器。
13.如权利要求12所述的制造方法，每一位于该第二低噪声放大器模块的馈电器仰角概略是38.45度。
14.如权利要求12所述的制造方法，该每个第二LNBF模块的水平距离概略为66毫米。
15.一种多波束反射面盘型天线系统，包括一个反射面可同时接收多颗卫星传送的讯号；及，至少一第一低噪声放大器模块，接收由该反射面产生的聚焦波束，其中该反射面是一n阶曲线表面，满足下列方程式z(t,φ)=Σ0nΣ0m[Cnmcosnφ+Dnmsinnφ]Fmn(t)]]>其中Cnm与Dnm为基底系数，如下所列nmCnmDnm00-6.886965 0.00E+0001-0.4044881 0.00E+00024.81E-030.00E+0003-6.92E-04 0.00E+00100.00E+001.619216110.00E+00-9.52E-03120.00E+00-2.61E-04200.1238 0.00E+0021-6.41E-03 0.00E+00221.00E-050.00E+00300.00E+002.35E-02310.00E+001.07E-0340-1.44E-03 0.00E+00411.12E-030.00E+00500.00E+00-3.20E-0360-2.12E-03 0.00E+00
16.如权利要求15所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该盘型天线的反射面大小概略为长18.4英吋、宽20.9英吋。
17.如权利要求15所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该盘型天线的反射面焦距为12.25英吋，且其盘形表面的每点误差在0.02英吋到-0.02英吋之间。
18.如权利要求15所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该第一低噪声放大器模块包括多个第二低噪声放大器模块。
19.如权利要求18所述的一种多波束反射面盘型天线系统，还包含位于该第二低噪声放大器模块的焦点上的馈电器。
20.如权利要求19所述的一种多波束反射面盘型天线系统，每一位于该第二低噪声放大器模块的馈电器仰角概略是38.45度。
21.如权利要求19所述的一种多波束反射面盘型天线系统，该每个第二低噪声放大器模块的水平距离概略为66毫米。
全文摘要
一种多波束反射面盘型天线系统，使用一复合低噪声放大器模块(low noise block with integrated feed，LNBF module)同时接收来自不同卫星的讯号。盘型天线包括了N次曲面成形的反射面，一由多个LNBF模块所构成的复合LNBF模块。反射面是借着在抛物面上进行边界切割，再以合成法进行曲面形变而形成。除了可反射不同卫星讯号外，并可在焦平面上分别产生近似辐射场型、水平增益的聚焦波束，而被复合LNBF模块所接收。
文档编号H01Q19/17GK1534830SQ20041000787
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月3日 优先权日2003年4月1日
发明者高健荣, 詹长庚, 赖中民 申请人:启碁科技股份有限公司, 启 科技股份有限公司