具有屏蔽件的低旁瓣反射器天线的制作方法
【专利摘要】具有碟式反射器的前馈反射器具有波导，其中该波导耦接至碟式反射器的近端部，从而沿着纵轴突出至碟式反射器内。电介质块可以耦接至波导的远端部并且副反射器可以耦接至电介质块的远端部。屏蔽件耦接至碟式反射器的外周。纵轴与焦点和屏蔽件的远端外周之间的线之间的对角为50度以下。
【专利说明】具有屏蔽件的低旁瓣反射器天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波双反射器天线（reflector antenna)。更特别地，本发明提供低成 本的自支撑前馈反射器天线，其中该自支撑前馈反射器天线具有针对反射器天线可配置的 低旁瓣信号福射图（pattern)特性，W满足诸如欧洲电信标准协会巧TSI)类别4福射图包 络（envelope)等的严格的福射图包络标准。
【背景技术】
[0002] 前馈双反射器天线将入射到主反射器上的信号引导至与主反射器的聚焦区域邻 接地安装的副反射器，而该副反射器又将该信号通常经由馈送卿趴化orn)或孔引导至波 导传输线，从而到达接收器的第一级。在使用双反射器天线来传输信号的情况下，该些信号 从发送器系统的最后级经由波导行进至馈送孔、副反射器和主反射器，从而到达自由空间。
[0003] 反射器天线的电气性能通常由W下进行表征；其增益、福射图包络、交叉极化和回 波损耗性能一高效的增益、福射图包络和交叉极化特性对于高效的微波链路规划和协调 而言是必要的，同时需要良好的回波损耗来进行高效的无线电操作。
[0004] 具有窄福射图包络的反射器天线使得能够将分开的反射器天线W较高的密度安 装在诸如无线电培等的共用支撑结构上，而不会在分开的点对点通信链路之间生成RF干 涉。窄福射图包络通信链路还提供使得能够在相同位置处重复再使用无线电频谱分配的优 点，从而增加对给定数量的信道可用的链路的数量。
[0005] 例如由ETSI提供了天线的福射图包络（R阳）的工业接受标准测量。ETSI提供命 名为类别1?类别4的四个RPE分类，其中类别4规格是最严格的。ETSI类别4RPE规格 要求相对于ETSI类别3RPE规格的显著的改进。如图la和化所示，ETSI类别4RPE相对 于ETSI类别3RPE的要求在旁瓣水平方面要求约10地?12地的改进，从而在无需使用附 加频谱的情况下，得到可被分配的链路数量的35% -40%的提高。
[0006] W前，例如如图Ic所示，满足ETSI类别4规格的反射器天线是Gregorian双反射 器偏移型反射器天线。双偏移配置将副反射器15完全定位在从主反射器50到自由空间的 信号路径之外，该要求大量附加结构W对准和/或完全包围大型光学系统。此外，由于双 偏移配置的非对称性质，要求提高制造和/或组装精度的水平W避免产生交叉极化判别干 扰。该些附加结构和/或路径对准调整的要求大大增加了所得到的天线组件的整体尺寸和 复杂性，由此增加了制造、安装和日常维护成本。
[0007] 深碟式（deep dish)反射器是使反射器焦距（巧与反射器直径值）之比小于或等 于0.25 (与之相对的F/D是例如在更为传统的"平"碟设计中通常为0.35)的反射器碟。在 2005 年 7 月 19 日发行至 Hills 的标题为"I\med Perturbation Cone Feed for Reflector Antenna"的共同拥有的美国专利6, 919, 855扣S6919855)中公开了配置为与深碟式反射 器一起使用的电介质锥型馈源（feed)副反射器的示例，在此通过引用包含其全部内容。 US6919855利用具有副反射器表面和前锥表面的电介质块锥型馈源，其中该前锥表面具有 绕电介质块的纵轴同也的多个向下成角度的非周期扰动。使锥型馈源和副反射器直径尽可 能地最小化，w防止遮挡从反射器碟到自由空间的信号路径。尽管相对于现有设计存在显 著改进，但该些结构具有如下信号模式，其中在该些信号模式中，馈源（feed boom)的副反 射器边缘和远端边缘横跨包括（可能产生与馈源和/或副反射器的二次反射的）副反射器 的接近反射器碟外周的区域和/或遮蔽（shadow)区域的反射器碟表面广泛地福射信号的 一部分，从而导致电气性能劣化。此外，电介质块中的多个成角度特征和/或台阶（step) 需要复杂的制造过程，从而提高了整体制造成本。
[0008] 深碟型反射器碟延伸了所得到的反射器天线的（沿着视轴）的长度，W使得反射 器碟的远端部趋向于用作圆筒屏蔽件。因此，尽管在非深碟型反射器天线中是常见的，但诸 如US6919855等的传统深碟式反射器天线配置通常不利用单独的向前突出的圆筒屏蔽件。
[0009] 因此，本发明的目的是提供简化型反射器天线设备，其中该简化型反射器天线设 备克服了现有技术的局限，并且由此呈现了如下解决方案，该解决方案使得自支撑副反射 器前馈反射器天线在通常的微波通信链路所使用的整个工作频段上，能够满足最严格的福 射图包络电气性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 包括在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，其中附 图中的相同附图标记是指相同的特征或元件并且可能没有针对该些附图标记所出现的每 幅图进行详细说明，并且连同W上给出的本发明的大致说明W及W下给出的实施例的详细 说明一起，用来解释本发明的原理。
[0011] 图la是示出ETSI类别3和ETSI类别4共极化福射图包络的要求之间的差异的 示意图。
[0012] 图化是示出ETSI类别3和ETSI类别4交叉极化福射图包络的要求之间的差异 的示意图。
[0013] 图Ic是通常现有技术的Gregorian双反射器偏移型反射器天线的示意信号路径 图。
[0014] 图2a是示例性副反射器组件的示意剖视侧视图。
[0015] 图化是利用单独的金属碟型副反射器示出的、图2a的副反射器组件的分解示意 剖视侧视图。
[0016] 图3是安装在0. 167F/D深碟式反射器内的图化的副反射器组件的示意剖视侧视 图。
[0017] 图4是现有技术的电介质锥型副反射器组件的示意剖视侧视图。
[0018] 图5是针对W 22. 4化Z进行工作的图2a和图4的副反射器组件的E和H面初级 福射振幅模式建模比较图表。
[0019] 图6是与ETSI类别4R阳和US6919855相比较的、针对安装在根据图10的0. 167F/ D碟式反射器内的图2的副反射器组件的E面福射图范围数据比较图表。
[0020] 图7是与ETSI类别4R阳和US6919855相比较的、针对安装在根据图10的0. 167F/ D碟式反射器内的图2a的副反射器组件的H面福射图范围数据比较图表。
[0021] 图8是针对图4的副反射器组件的E (上半部分）和H(下半部分）面初级能量场 分布模型。
[0022] 图9是针对图2a的副反射器组件的E(上半部分）和H(下半部分）面初级能量 场分布模型。
[0023] 图10是具有圆筒屏蔽件的示例性反射器天线的示意等距视图。
[0024] 图11是图10的反射器天线的示意分解截面图。
[00巧]图12是图10的反射器天线的示意截面图。
[0026] 图13是具有呈向外渐缩的圆筒屏蔽件的示例性反射器天线的示意截面图。
[0027] 图14是示出50度的对角的、具有.0. 163F/D碟式反射器和屏蔽件的示例性反射 器天线的示意半截面图。
[002引图15是与ETSI类别4RPE相比较的、针对图14的反射器天线的W 6. 525GHz建模 的E和H面福射图数据图。注意，W福射图的+-180度范围示出的非符合结果是由于建模 软件计算限制所引起的并且应被忽略。
[0029] 图16是示出50度的对角的、具有.0. 25F/D碟式反射器和屏蔽件的示例性反射器 天线的示意半截面图。
[0030] 图17是与ETSI类别4RPE相比较的、针对图16的反射器天线的W 6. 525GHz建模 的E和H面福射图数据图。注意，W福射图的+-180度范围示出的非符合结果是由于建模 软件计算限制所引起的并且应被忽略。
[0031] 图18是示出50度的对角的、具有.0. 298F/D碟式反射器和屏蔽件的示例性反射 器天线的示意半截面图。
[003引图19是与ETSI类别4RPE相比较的、针对图18的反射器天线的W 6. 525GHz建模 的E和H面福射图数据图。注意，W福射图的+-180度范围示出的非符合结果是由于建模 软件计算限制所引起的并且应被忽略。
[003引图20是示出40度的对角的、具有.0. 163F/D碟式反射器和屏蔽件的示例性反射 器天线的示意半截面图。
[0034] 图21是与ETSI类别4RPE相比较的、针对图20的反射器天线的W 6. 525GHz建模 的E和H面福射图数据图。注意，W福射图的+-180度范围示出的非符合结果是由于建模 软件计算限制所引起的并且应被忽略。
[0035] 图22是具有呈5度的向内渐缩的圆筒屏蔽件的示例性反射器天线的示意等距视 图。
[0036] 图23是图22的反射器天线的示意分解截面图。
[0037] 图24是图22的反射器天线的示意截面图。
[003引图25是图24的区域A的特写图。
[0039] 图26是具有呈10度向内渐缩的圆筒屏蔽件的示例反射器天线的示意截面图。
[0040] 图27是图26的区域B的特写图。
[0041] 图28是相对于应用于圆筒屏蔽件的频率和渐缩的天线效率的所计算数据图。
[0042] 图29是与具有呈5°度向内渐缩和ETSI类别4RPE的圆筒屏蔽件的相同的天线组 件相比较的、针对安装在根据图10的具有圆筒屏蔽件的0. 167F/D碟式反射器内的图2a的 副反射器组件的H面福射图范围数据比较图表。
【具体实施方式】
[0043] 本发明人已意识到由尺寸被设计为使信号能量集中在反射器碟的中壁区域上的 电介质锥型副反射器组件、W及与之成对出现的反射器碟外周处的改进的屏蔽所获得的在 初级福射图控制方面的改进，能够使得成本高效的自支撑副反射器前馈型反射器天线满足 诸如ETSI类别4RPE等的极窄福射图包络电气性能规格。
[0044] 如图2a、化和3所示，锥型福射器副反射器组件1被配置为在支撑远端部20的副 反射器15的一体的（unitary)电介质块10的波导过渡部5处与馈源波导3的端部禪接。 副反射器组件1利用放大的副反射器直径来减小副反射器溢出。副反射器15的尺寸可W 被设计为如下：例如，直径为所需工作频率（诸如所需微波频带的中频带频率）的2. 5倍波 长W上。示例性实施例的尺寸被设计为如下；外径为39. 34mm并且最小电介质福射部直径 为26. 08mm，其中该两者在22. 4化Z微波频带中的所需工作频率处，分别与2. 94倍波长和 1. 95倍波长相对应。
[0045] 位于电介质块10的波导过渡部5和副反射器支撑部30之间的电介质福射部25的 大小也增加。电介质福射部25的尺寸可被设计为例如如下：最小直径为副反射器直径的至 少3/5。例如如图4所示，放大的电介质福射部25可操作于从波导3的端部向外引出信号 能量，由此使在传统的电介质锥型副反射器配置中所观察到的该区域处的衍射最小化。传 统的电介质锥的外径为28mm且"福射区域"中的最小直径为11. 2mm，其中该两者在22. 4化Z 微波频带中的所需工作频率处，分别与2. 09倍波长和0. 84倍波长相对应。
[0046] 沿着电介质福射部的外径设置有多个沟部（corrugation)作为径向向内凹槽35。 在本实施例中，多个凹槽是两个凹槽35 (参见图2a和化）。电介质福射部25的远端凹槽40 可W设置有开始副反射器支撑部30的成角度的远端侧壁45。远端侧壁45可W大致与远端 部20的纵向邻接部平行；也就是说，远端侧壁45可W形成与支撑副反射器15的远端部20 的纵向邻接锥形表面平行的锥形表面，W使得沿着该表面的电介质厚度相对于副反射器45 大致恒定。
[0047] 例如如图3所示，副反射器组件1的波导过渡部5可适于匹配所需的圆形波导内 径，W使得可W使副反射器组件1纳入波导3并由波导3保持，其中该波导3在反射器天线 的碟式反射器50内，在接近碟式反射器50的焦点52处支撑副反射器组件1。波导过渡部 5可W插入波导3内，直到该波导的端部抵靠波导过渡部5的肩部55为止。
[004引肩部55的尺寸可W被设计为如下：使电介质福射部25与波导端部间隔开、W及/ 或者进一步将远端部20的外周（副反射器信号面相对于波导端部的最远纵向距离）定位 在所需工作频率的至少0. 75倍波长处。示例性实施例的尺寸被设计为如下：在22. 4化Z微 波频带中的所需工作频率处与1. 08倍波长相对应的14. 48mm的纵向长度。为了比较，图3 的传统电介质锥的尺寸被设计为8. 83mm纵向长度，或者在相同的所需工作频率处的0. 66 倍波长。
[0049] 可W将波导过渡部5的近端部65的一个或多个台阶60 W及/或者一个或多个凹 槽用于波导3和电介体块10的电介体材料之间的阻抗匹配的目的。
[0050] 所示例的副反射器15具有过渡到远端锥形表面75的近端锥形表面70,其中该远 端锥形表面75与近端锥形表面70相比设置有更低的相对于副反射器组件1的纵轴的角 度。
[0051] 如图2a最佳地所示，可W通过向电介质块10的远端部施加金属沉积、膜、片材或 其它RF反射涂层来形成副反射器15。可选地，如图化和3所示，可W单独形成副反射器 15例如作为位于电介质块10的远端部上的金属碟80。
[0052] 在应用0. 167F/D碟式反射器50和屏蔽件90的情况下，例如如图10所示，副反射 器组件1可W提供的在信号模式方面的令人惊讶的改进，特别是在20?60度的范围内。例 女口，如图6和7所示，E和H面该两者中的福射在20?60度的范围内显著减少。
[0053] 图8示出传统的副反射器组件的时间片福射能量绘图模拟，从而示出福射图向着 碟式反射器表面的宽角度扩散、特别是绘制了沿着视轴将信号能量拉回的波导端部的衍射 效应，从而使得有必要限制副反射器直径W防止显著的信号遮挡和/或导致次级反射/干 涉劣化的电气性能的引入。
[0054] 作为对比，图9示出示例性受控照射（illumination)锥形福射器副反射器组件1 的福射能量绘图模拟，其中该福射能量绘图模拟示出在福射图主要指向与副反射器遮蔽区 域和碟式反射器50的外周该两者间隔开的碟式反射器50的中部区域的情况下，利用副反 射器组件1的0. 167F/D比碟式反射器50的受控照射。本领域技术人员应当理解，通过应 用深碟型碟式反射器50,大部分福射图W增大的向外角度（而不是向下朝着被副反射器组 件1遮蔽的区域）投射使得福射图能够影响碟式反射器50的中部（mid-section)，而不需 要碟式反射器50的直径不可接受地大。
[00巧]在沿着一体的电介质块的外径形成的肩部55、台阶60和凹槽35各自被设置成径 向向内的情况下，可W使电介质块的制造简化，由此降低整体制造成本。将远端表面的外周 的尺寸设计成垂直于组件的纵轴提供了容易安装的基准面85,从而例如通过机械加工和/ 或喷射模塑进一步简化了电介质块10的制造工艺。
[0056] 通过将附加屏蔽和/或福射吸收材料应用于碟式反射器50的外周，可W W与最终 天线效率相折中的方式获得针对视轴和/或副反射器溢出区域的福射图的进一步校正。根 据工作频率，范围测量展示了相对于US6919855的ETSI类别3型反射器天线配置的、圆筒 屏蔽的ETSI类别4兼容反射器天线的改进了 6?14%的天线效率。
[0057] 如图10?12所示，例如，可W将屏蔽应用为禪接至碟式反射器50的外周的大致 圆筒形的屏蔽件90。RF吸收材料95可W禪接至屏蔽件90的内径。可与所得到的反 射器天线的总长度相折中的方式，针对碟式反射器50的F/D和福射图来选择屏蔽件90的 沿着反射器天线的纵轴的长度。对于较小的F/D反射器，由于馈源位置在碟式反射器50内 更深，因此可能需要更短的纵向长度。例如，针对直径为2英尺和4英尺的0. 167F/D碟式 反射器50,碟式反射器焦点52和碟式反射器50的外周之间的、相对于反射器天线的纵轴 的对角（subtended angle)可W在40°?50°的范围内。可W根据来自由于所选择的副 反射器组件配置而产生的初级福射图的不想要的溢出能量的水平来选择屏蔽长度。保持该 标准，对于2ft和4ft的示例，例如，可W选择屏蔽件长度为碟式反射器50的焦距的1?3 倍。例如图13所示，可W可选地向屏蔽件90应用向外渐缩（taper)。
[0058] 例如如图14?19所示，可W改变反射器碟50的F/D比和相应的屏蔽件长度，W 获得纵轴与焦点和屏蔽件90的远端外周54之间的线之间的50度W下的对角，从而使得一 系列不同F/D的碟式反射器50能够提供如下反射器天线解决方案，其中该反射器天线解 决方案在不会不可接受地增加所产生的反射器天线的整体尺寸的情况下，满足诸如ETSI 4 等的严格RPE规格。
[0059] 对副反射器组件1和/或碟式反射器50表面的调整可W使得能够在不会超出所 需的RPE规格的情况下，使屏蔽件90的所要求长度和/或反射器天线组件的整体长度最小 化。由此，例如如图20和21所示，可W使所产生的反射器天线的整体尺寸和风载荷（wind load)特性最小化，该导致例如对角减小为40度W下，由此使得能够提高给定反射器天线 组件的电气性能。
[0060] 图15、17、19和21所示的碟式反射器和屏蔽件组合的福射图是基于6. 525GHz的 工作频带的计算机模型。进一步的建模指示了在可替代的微波频率处的相似的性能，直到 如下为止；组件的所选择规模开始接近工作频率的波长、W及/或者工作频率上升到一点， 该点使得所产生的反射器天线的相应缩小的规模有助于成为电气性能的决定因素的成本 高效的制造容限。
[0061] 如图22?27所示，在福射图接近所需RPE的关注区域与福射图大大低于所要求 的RPE的区域之间的福射图折中中，可W通过应用径向向内渐缩来进一步调整福射图，W 使得屏蔽件90例如W相对于反射器天线的纵轴的角度大于零且直至10度的方式逐渐变为 锥形（参见图26和27)。
[0062] 可W将屏蔽件90的向内渐缩的最大角度选在屏蔽件90的缩小的远端直径开始遮 挡信号的点处，由此不可接受地降低了天线的整体增益。例如，通过比较2ft直径、18GHz天 线的各种屏蔽件几何结构（直圆筒形屏蔽件，5度的渐缩和10度的渐缩），在图28中示出 所计算出的效率（％ )。平均来说，与直屏蔽2ft的18GHz天线相比，具有10°屏蔽件向内 渐缩的2ft直径18GHz天线存在7%的效率下降。如图29所示，约为5°的屏蔽向内渐缩 可W提供在福射图改进和天线效率方面的天线性能的平衡，其中：在不会不可接受地影响 其它所关注角度的情况下，在工作频率为18. 7化Z的情况下，在水平面中获得了 30?50度 的范围内的信号模式改进。
[0063] 通过上述，应当理解，本发明可W给本领域带来具有改进的电气性能和/或显著 的制造成本高效的反射器天线。由于前馈自支撑副反射器组件反射器天线具有轴对称天线 结构，因此可W整体避免双偏移反射器天线结构的成本和复杂度。根据本发明的反射器天 线可W坚固的、轻质量、并且可非常高的精度水平重复地、成本高效地制造。
[0064] 部件表
[0065]
【权利要求】
1. 一种前馈反射器天线，包括： 具有焦点的碟式反射器； 波导，其与所述碟式反射器的近端部相耦接，沿着纵轴突出至所述碟式反射器内； 电介质块，其与所述波导的远端部相耦接； 副反射器，其与所述电介质块的接近所述焦点的远端部相耦接；以及 大致圆筒形的屏蔽件，其与所述碟式反射器的外周相耦接， 其中，所述纵轴与所述焦点和所述屏蔽件的远端外周之间的线之间的对角为50度以 下。
2. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述碟式反射器的反射器焦距与反射器直径之 比为0. 163以下。
3. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述碟式反射器的反射器焦距与反射器直径之 比为0. 25以下。
4. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述碟式反射器的反射器焦距与反射器直径之 比为0. 298以下。
5. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述对角为40度以下。
6. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述副反射器的直径的尺寸被设计为所需工作 频率的2. 5倍波长以上。
7. 根据权利要求1所述的天线，其中， 所述电介质块是设置有波导过渡部和电介质辐射部的一体的电介质块， 所述电介质块在所述波导过渡部处耦接至所述波导， 所述电介质辐射部位于所述波导过渡部和所述副反射器之间；所述电介质辐射部的 外径设置有多个径向向内凹槽；所述电介质辐射部的最小直径大于所述副反射器的直径的 3/5。
8. 根据权利要求7所述的天线，其中，所述多个凹槽是两个凹槽。
9. 根据权利要求7所述的天线，其中，所述多个凹槽的底部宽度向着所述远端部减小。
10. 根据权利要求7所述的天线，还包括在所述电介质辐射部和所述副反射器之间的 副反射器支撑部，所述副反射器支撑部从所述电介质辐射部的远端凹槽延伸作为所述远端 凹槽的成角度的远端侧壁。
11. 根据权利要求10所述的天线，其中，所述成角度的远端侧壁与所述远端部的纵向 邻接部大致平行。
12. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述电介质块的远端部设置有向着远端锥形表 面过渡的近端锥形表面，与所述近端锥形表面相比，所述远端锥形表面相对于所述纵轴的 角度较小。
13. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述屏蔽件向内渐缩。
14. 根据权利要求13所述的天线，其中，所述屏蔽件以相对于所述纵轴呈大于0度至高 达10度的角度向内渐缩。
15. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述屏蔽件的长度为所述碟式反射器的反射器 焦距与反射器直径之比的1?3倍。
16. 根据权利要求1所述的天线，其中，所述波导过渡部的尺寸被设计用来插入所述波 导的端部，直到所述波导的端部抵靠所述波导过渡部的肩部为止。
17. -种前馈反射器天线的制造方法，包括以下步骤： 使波导耦接至碟式反射器的近端部； 使电介质块耦接至所述波导的远端部，使副反射器耦接至所述电介质块的远端部；以 及 使大致圆筒形的屏蔽件耦接至所述碟式反射器的外周， 在焦点和所述屏蔽件的远端外周之间的沿着纵轴的对角为50度以下。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，具有直径的所述副反射器的直径的尺寸被设 计为所需工作频率的2. 5倍波长以上。
19. 一种前馈反射器天线，包括： 具有焦点的碟式反射器； 大致圆筒形的屏蔽件，其耦接至所述碟式反射器的外周， 其中，纵轴与所述焦点和所述屏蔽件的远端外周之间的线之间的对角为50度以下。
20. 根据权利要求19所述的反射器天线，其中，所述反射器天线的辐射图包络小于欧 洲电信标准协会类别4的辐射图包络。
【文档编号】H01Q15/14GK104488139SQ201480001421
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】R·布兰朵, J·U·I·赛耶德 申请人:安德鲁有限责任公司