专利名称：多－初级辐射器、共用－下变频器和多波束天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用在卫星广播或卫星通讯中的抛物线天线，更具体的涉及一种构成抛物线天线的初级辐射器和共用-下变频器(block-down-converter)。
传统的，通过单一的反射器从多个定位卫星接收无线电波的抛物线天线是指“双-波束天线”或“多-波束天线”，且主要的适用于从经度相差8度的定位轨道上的两个卫星接收无线电波。
在日本实用新型公开No.3-107810(1991)中揭示了一种抛物线天线的实例，其中图27为其结构的透视图。在图27中，双波束天线100包含构成双初级辐射器的初级辐射器102和103及反射器101。通过支撑臂104将初级辐射器102和103及反射器101彼此相连，从而具有预定的位置关系。通过反射器101反射来自第一和第二卫星的无线电波，从而可分别被初级辐射器102和103接收。在此双波束天线中，在进行接收时，初级辐射器的轴被设置成沿水平延伸。
同时，在卫星广播中使用环形极化，而在卫星通讯中使用竖直和水平的两种极化。因此，来自通讯卫星的无线电波包含一个依据接收点的极化角，因此，应对此极化角进行调节。
在日本使用新型专利公开No.6-52217(1994)中揭示了一种对极化角的调节方法。图28为极化角调节方法的一个实例。如图28中所示，通过围绕固定初级辐射器111的轴将臂113旋转角度θb而进行调节，同时围绕初级辐射器112其自身的轴旋转角度θa。
图29示出了在静止轨道上的两个卫星之间的经度差为8度和4度的情况下天线直径D和初级辐射器间隔L之间的关系。如图29中所示，反射器直径D和初级辐射器间隔L基本上互相成正比，且在径度差为4度时的初级辐射器间隔的最优值小于径度差为8度时的最优值。
图30示出了单波束天线中初级辐射器的孔径直径d和天线效率π之间的关系。如图30中所示，当假设孔径d为dopt时，天线效率π达到最大πmax。如果孔径直径小，反射器上的辐射角增大，因此，反射器的能量从反射器流失，即发生过-流失。另一方面，如果孔径直径过大，辐射范围会减小，因此反射器的边部不起作用。
因此，在通过使用直径为Do的天线和最优的孔径直径为dopt的初级辐射器构成用于从两个经度差为4度的卫星接收无线电波的双波束天线的情况下，间隔Lo应该大于dopt。如图29中所示，在通过使用具有较小的有效直径Ds的反射器构成双波束天线的情况下，间隔L降低到Ls。如果间隔Ls小于dopt，孔径直径d需要变为小于产生最大效率πmax的dopt，从而如图30中所示天线效率π大大的降低到πo，因此，很难获得所需的接收性能。
在上述的现有技术中，在从具有较小经度差(例如4度)的两个静止轨道上的卫星接收无线电波的情况下，为了获得所需的天线效率，需要采取措施，或者通过增加天线直径而增大两个初级辐射器之间的最优间隔或者通过使用具有大的焦距的发射器而大大的增大f/D(f=焦距，D=有效直径)。然而，在前者中，整个的重量和成本会大大的增加，不适合家庭使用。在后者中，由于初级辐射器远离反射器，从初级辐射器观察反射器边的角度变小，由此能量流失会增大，从而导致天线效率的降低。
为了克服上述的缺点，本发明的双初级辐射器具有如下的结构，其中通过使用具有有效直径(例如45cm)的小直径抛物线反射器，两个初级反射器被整体彼此结合，从而从具有例如4度经度差的两个卫星接收无线电波。
在本发明的双初级辐射器中，由于初级辐射器的孔径被设置成向内彼此相对，从而可补偿由于在设置双波束天线的情况下的散焦而造成的辐射面积的降低，由此双初级辐射器的结合部分的中心点位于反射器的焦点的周围。
由于本发明的共用-下-变频器可作为一个整体围绕垂直的辐射轴进行旋转，两个辐射器的倾角可相对于极化角进行调节。
在本发明的共用-下-变频器中，如果将用于调节极化角的初始偏角基本上调节到接收区的轴向范围的中心点，在整个接收区基本上可最优的对初始偏角进行调节。因此，由于不需对每个接收点调节初始偏角，从而可大批量的生产共用-下-变频器。
同时，由于本发明的共用-下-变频器具有这样的一种结构，其中双初级反射器和用于容纳变频电路的外壳被整体模制而成，其中的变频电路用于对所接收的无线电波进行放大和频率转换，通过简单的工艺可生产共用-下-变频器，诸如使用模具的诸如模制等工艺，从而使生产成本降低。
图1为根据本发明的第一实施例的双初级辐射器的正面视图；图2为根据本发明的第一实施例的双初级辐射器的截面视图；图3为根据本发明的第二实施例的双初级辐射器的正面视图；图4为根据本发明的第二实施例的双初级辐射器的截面视图；图5为根据本发明的第二实施例的另一个双初级辐射器的正面视图；图6为根据本发明的第二实施例的另外一个双初级辐射器的截面视图；图7为根据本发明的第二实施例的另外一个双初级辐射器的正面视图；图8为根据本发明的第二实施例的另外一个双初级辐射器的截面视图；图9为根据本发明的第三实施例的双初级辐射器的截面视图；图10为根据本发明的第三实施例的另外一个双初级辐射器的截面视图；图11为根据本发明的第三实施例的另外一个双初级辐射器的截面视图；图12为根据本发明的第四实施例的双初级辐射器的正面视图；图13为根据本发明的第四实施例的双初级辐射器的截面视图；图14为根据本发明的第四实施例的另外一个双初级辐射器的正面视图15为根据本发明的第四实施例的另外一个双初级辐射器的截面视图；图16为本发明的双束天线的透视图；图17为本发明的共用-下-变频器的透视图；图18为本发明的共用-下-变频器的正面视图；图19为本发明的共用-下-变频器的组装方向的示意图；图20为本发明的双束天线的安装方向的示意图；图21为根据本发明的第五实施例的共用-下-变频器的正面视图；图22为倾角θ和天线增益G之间关系的示意图；图23为根据本发明的第六实施例的共用-下-变频器的正面视图；图24为根据本发明的第七实施例的共用-下-变频器的正面视图；图25为在将初始偏角设定到最优值时所产生的极化调节误差的示意图；图26为根据本发明的第八实施例的共用-下-变频器的截面视图；图27为传统的抛物天线的透视图；图28为传统的双初级辐射器的透视图；图29为天线直径D和初级辐射器间隔L之间关系的示意图；图30为初级辐射器的孔径d和天线效率之间关系的示意图。
第一实施例下面，将参考附图对根据本发明的实施例的双初级辐射器进行描述。图1和图2为根据本发明的第一实施例的双初级辐射器的正面视图和截面视图。如图1和2中所示，双初级辐射器10a包含初级辐射器1和2。初级辐射器1由喇叭天线6和环形波导3构成，而初级辐射器2由喇叭天线7和环形波导4构成。喇叭天线6和7在初级辐射器的孔径的外周边设置成锥形并在结合部分5彼此相连，从而被部分切除。
在下面，将与孔径相邻的波导的端面称作为初级辐射器的“孔径面”。连接两个孔径的中心的部分的中点，即结合部分的中点被称为“结合部的中点”，同时连接两个孔径的中心的部分的垂直等分线8称为“结合部的中线”。
在本实施例中，如图2中所示，在相同平面中形成初级辐射器1的孔径面和初级辐射器2的孔径面。同时，穿过结合部的中点且与两个初级辐射器的轴平行延伸的直线9被称作双初级辐射器10a的“垂直辐射轴”。
第二实施例图3和图4分别为根据本发明的第二实施例的双初级辐射器的正面视图和截面视图。以与第一实施例的双初级辐射器10a相同的方式，本实施例的双初级辐射器10b具有喇叭天线和环形波导。在每个喇叭天线11和12的外周边，双初级辐射器10b还包含一个波纹部13，其由具有预定宽度和预定深度的环形槽构成。波纹部13也类似的被彼此连接在结合部的周围用于接合喇叭天线11和12。波纹部在结合部削弱切除喇叭天线的影响，因此可改善诸如天线效率、天线方向性、对应用于观察两个卫星的角度的波束分离程度等性能。
图5中的正面视图和图6中的截面视图所示的双初级辐射器10c具有喇叭天线和环形波导，其与双初级辐射器10b相同。然而，在本实施例中，喇叭天线18和19彼此并不相连而只有波纹部分17在接合部16彼此相连。
通过使用具有约45cm的有效直径的抛物线状反射器，具有此种结构的双初级辐射器被用于从彼此位置相差经度8度的两个卫星接收无线电波。
图7和图8分别为双初级反射器10d的正面视图和截面视图。如图7和图8种所示，两个喇叭天线可根据反射器的直径在结合部21彼此向接触。
第三实施例图9为根据本发明的第三实施例的双初级辐射器30a的截面视图。如图9中所示，双初级辐射器30a由与第二实施例的双初级辐射器10b相类似的构件构成。双初级辐射器30a与双初级辐射器10b的区别在于穿过初级辐射器26的孔径面的中心的并垂直于此孔径面的波导轴31和穿过初级辐射器27的孔径面的中心且垂直此孔径面的波导轴32如图9中所示形成一个预定的角度，即波导轴31和32具有交叉点(未示出)。
在此实施例中，将此交叉点与结合部的中点相连的直线29作为双初级辐射器30a的垂直辐射轴。在波导轴31和垂直辐射轴29之间形成的每个角度和在波导轴32和此垂直辐射轴29之间形成的角度为α。
在图10中双初级辐射器30b的实例中，形成两个初级辐射器，从而在双初级辐射器10c中具有交叉点，且只有波纹部在接合点33彼此相连。在图11的双初级辐射器30a的实例中，形成两个初级辐射器，从而在双初级辐射器10d中两个波导轴具有一个交叉点，且喇叭天线在结合部34彼此相连。
在本实施例的双初级辐射器中，由于两个初级辐射器的孔径彼此向内相对，可获得优良的接收性能。
第四实施例图12和图13分别为根据本发明的第四实施例的双初级辐射器的正面视图和截面视图。如图13中所示，在双初级辐射器50a中的喇叭天线41和42、波纹部46和结合部45的形状与图9的双初级辐射器30a的类似。双初级辐射器50a和双初级辐射器30a的区别在于与各个孔径面垂直的直线47和48具有一个交叉点，替代彼此平行的波导轴43和44。
与此实施例相类似的结构可被应用到图10和11所示的双初级辐射器的波导。
图14和15分别为本实施例的变化的双初级辐射器50b的正面视图和截面视图。在双初级辐射器50b中，在接合点提供具有预定厚度和预定高度的隔离件53，从而补偿在双初级辐射器50a的结合部45的被切除的两个喇叭天线的部分。隔离件53与喇叭天线一样具有锥形。
在此实施例中，由于隔离件53用于补偿喇叭天线的切除部分，可提高来自两个卫星的无线电波的隔离性能。其结果，可防止在入射水平极化的无线电波时天线方向性的降低。
同时，在此实施例中，双初级辐射器具有两个平行的波导，因此，通过诸如使用模具注模的简单工艺制得辐射器。
所有的上述实施例的双初级辐射器都用于从两个卫星接收无线电波。类似的，如果使用彼此初级辐射器数目相同的多-初级辐射器，且卫星彼此相连，从而它们孔径的中心被线性设置，可从三个或多个卫星接收无线电波。
第五实施例下面将参考附图对根据本发明的实施例的共用-下-变频器和双波束天线进行描述。图16为包含上述的双初级辐射器和双波束天线的结构透视图。
如图16中所示，双波束天线70由抛物线状反射器61、支撑天线杆62、支撑臂63和共用-下-变频器80构成。通过反射器61对来自卫星66和67的无线电波进行反射，从而被共用-下-变频器80所接收。同时，在图16的坐标轴中，Y-轴表示竖直方向，而X-轴和Z-轴表示地球表面上的双波束天线70的横向和纵向。
图17示出了共用-下-变频器80。共用-下-变频器通过双初级辐射器从卫星接收无线电波，并对所接收的无线电波进行放大和频率转换。如图17中所示，共用-下-变频器80由结构和双初级辐射器50b相同的双初级辐射器72、包含用于进行放大和频率转换的转换电路的壳体73、作为共用-下-变频器80的输出端的F-型连接器74和与支撑臂63的远端相连从而将双初级辐射器72与支撑臂63固定的的固定件64构成。双初级辐射器72和壳体73被整体模制，因此可通过简单的诸如使用模具的注模工艺可对其进行生产，由此可降低生产成本。
图18为共用-下-变频器80的正面视图。在图18中，固定件64的结构使得支撑臂63可自由的围绕结合部的中心点71进行旋转，更具体的，围绕穿过接合部分的中心点71的垂直辐射轴。在结合部的中心线88和支撑臂63之间所形成的角度θ表示如图16中所示的共用-下-变频器80的倾角。在下面引用为共用-下-变频器的“倾角”。
同时，在共用-下-变频器80中，接合部分的中心点71，即双初级辐射器72的孔径面的中心被设置在反射器61的聚点的周围。
因此，在提供有双初级辐射器的双-波束天线中，两个孔径的中心与反射器的聚点稍微离开一段距离，从而被设置到所谓的“散焦”状态。为了解决此问题，双初级辐射器72具有这样的一种结构，其中两个初级辐射器的孔径彼此向内相对，从而可补偿由于散焦所造成的辐射面积的降低。
图19和20示出了这样的一种情况，即共用-下-变频器80和双波束天线70相对卫星方向安装。在图19中，通过安装共用-下-变频器80，从而双初级辐射器72的孔径指向反射器61(未示出)。在接收点，Φ1和Φ2分别表示来自位于静止轨道69的卫星66和67的无线电波的极化角。同时，如图20中所示，反射器61指向虚拟卫星68。
下面将对相对来自两个卫星的无线电波的极化角的倾角θ进行描述。开始，发射具有极化角Φ0的无线电波的虚拟卫星68假设位于静止轨道69上。由于卫星的静止轨道的半径远远的大于地球的半径(更具体的为赤道)，虚拟极化角Φ0近似的等于Φ1和Φ2的平均值，即形成在连接卫星66和67的直线和X-轴之间的角度。在此实施例中，共用-下-变频器80被安装到这样的位置，即使得倾角θ等于虚拟极化角Φ0。
图21为与图18和19中的情况相同的具有倾角θ的共用-下-变频器80a的正面视图。图21示出了位于环形波导的输出侧的壳体73中的变频电路上的馈电元件81a、81b、82a和82b。这些四个馈电元件都是由具有预定长度和预定宽度的微带线构成。
如图21中所示，在连接两个孔径的中心的直线89上形成馈电元件81a和82a，同时馈电元件81b和82b分别形成在穿过与孔径的中线89垂直的两个孔径的中心的直线86和87上。即，馈电元件81a和81b彼此正交延伸，同时馈电元件82a和82b彼此正交延伸。作为一个整体的四个馈电元件相对结合部的中线88对称形成。
在此实施例中，由于如上所述，两个初级辐射器和共用-下-变频器的壳体被整体模制，共用-下-变频器80a可围绕双初级辐射器的垂直辐射轴进行旋转，因此可简单的对倾角进行调节。
对于从卫星发送的无线电波，可初步的采取措施，减少倾角θ，用于对接收面的极化角进行调节。作为此种措施，采用这样的一种方法，其中对要被发送的无线电波初步加入一个被称为“斜角”的作为偏差的预定极化角，在此情况下，通过将斜角加入到极化角Φ1或Φ2而对虚拟极化角进行计算。
同时，如果使用带有与卫星数目相同的初级辐射器的多-初级辐射器，可形成用于从三个或多个卫星接收无线电波的多波束天线。同时，每对馈电元件应包含至少一个用于竖直极化的馈电元件和用于水平极化的馈电元件，并可包含三个或多个馈电元件。
第六实施例图22为倾角θ和增益G之间关系的示意图。在如上所述通过变频器的倾角θ调节极化角的情况下，当倾角θ过大时天线增益G会陡然下降。
为了解决上述的问题，倾角θ被设定为0度，但正如在图23中所示的，在此位置形成两对馈电元件81c和81d和馈电元件82c和82d，从而在共用-下-变频器80b中围绕各个孔径的中心旋转角度θ。
通过上面的描述可看出，在本实施例中，在不产生天线增益降低的情况下可对极化角进行调节。
第七实施例图24为共用-下-变频器80c的正面示意图。在图24中，彼此正交的形成一对馈电元件，从而沿逆时针方向相对直线86旋转初始倾角△Φ2，同时彼此正交的形成一对馈电元件82e和82f，从而顺时针方向相对直线87旋转初始位移角△Φ1。以与倾角相同的方式，根据位于可接收无线电波的区域或目标接收区域的纵向范围的中心的点确定初始位移角度，例如在日本称为“Shizuoka”。通常的，△Φ1和△Φ2彼此相等。然而，在所传送的无线电波包含斜角的情况下，通过将斜角加入到其中而获得初始位移角△Φ1和△Φ2。
图25为极化调节误差的示意图，其中在假设卫星66和67为JCSAT-3(东经128度)和JCSAT-4(东经124度)的前提下在日本将初始位移角△Φ1和△Φ2设定到最优值。
如图25中所示，假设“Kushiro”和“Kagoshima”分别为接收区的最东端和最西端，“Shizuoka”基本上位于此经度范围的中心。因此，通过在Shizuoka使用极化角△Φ1和△Φ2及虚拟极化角Φ0，初始位移角△Φ1和△Φ2分别通过(△Φ1=Φ0-Φ1)和(△Φ2=Φ2-Φ0)进行计算。在此实施例中，假设初始位移角为2.5度。在此情况下，在日本的每个接收点可将卫星66和67的极化调节误差(Φ0-Φ1-△Φ1)和(Φ0-Φ2+△Φ2)限定在±1度的范围内。
在此实施例中，由于将用于调节极化角的初始位移角设定在位于接收区的经度范围的中心的点，从而可在整个的接收区对初始位移角进行优化调节。因此，由于不需在每个接收区调节初始位移角，可大量的生产共用-下-变频器。
同时，由于共用-下-变频器80c可围绕双初级辐射器的垂直辐射轴进行旋转，可简单的对倾角进行调节。
第八实施例图26为共用-下-变频器98的截面示意图。在图26中，共用-下-变频器98由具有与双初级辐射器30a类似的孔径的双初级辐射器97和在其上形成变频电路的印刷板96构成。在印刷板96上形成馈电元件95，且印刷板96被固定在双初级辐射器97的输出侧上。同时，双初级辐射器97与双初级辐射器30a的区别在于基本上不需提供波导。直线93与孔径面垂直。
如图26中所示，通过形成双初级辐射器97的孔径，从而直线93和垂直辐射轴94形成角度α。印刷板96与垂直辐射轴94正交安装。
此实施例的特征在于假设所获得的馈电元件95的长度为(L/cosα)，其是通过与孔径面平行形成的馈电元件在印刷板上沿直线93伸出的长度L而获得的。
根据此实施例，由于在不降低无线电波的辐射面积的情况下可省去波导，从而共用-下-变频器可被制造的更加精巧。
根据本发明，可同时接收竖直极化波和水平极化波的抛物线状天线可在保持天线效率的情况下被制造的小型和轻巧。因此，可生产出适合家庭使用的高性能抛物线状天线，其包含一个具有例如45cm有效直径的小直径反射器。如果在日本使用此抛物线状天线，可从JCSAT-3(东经128度)和JCSAT-4(东经124度)接收无线电波。
权利要求
1．一种用于从至少两个卫星接收无线电波的多-初级辐射器，包含至少第一和第二彼此邻接的初级辐射器；其中设置在第一初级辐射器上的第一孔径的外周边和设置在第二初级辐射器上的第二孔径的外周边在结合部彼此相接。
2．根据权利要求1所述的多-初级辐射器，其特征在于在第一孔径形成第一喇叭天线及在第二孔径形成第二喇叭天线。
3．根据权利要求2所述的多-初级辐射器，其特征在于在第一孔径的外周边和第一喇叭天线之间设置第一波纹部分，而在第二孔径的外周边和第二喇叭天线之间设置第二波纹部分。
4．根据权利要求3所述的多-初级辐射器，其特征在于第一和第二波纹部分在结合部彼此相接。
5．根据权利要求2所述的多-初级辐射器，其特征在于第一和第二喇叭天线在结合部彼此相接并在结合部设置一个隔离件。
6．根据权利要求1所述的多-初级辐射器，其特征在于穿过和第一初级辐射器的孔径面垂直的第一孔径的中心的轴和穿过与第二初级辐射器的孔径面垂直的第二孔径的中心的轴具有交叉点。
7．根据权利要求6所述的多-初级辐射器，其特征在于第一和第二初级辐射器分别包含第一和第二波导，从而第一波导的轴和第二波导的轴彼此平行。
8．一个共用-下-变频器，其特征在于包含权利要求1的多-初级辐射器；及在其上形成馈电元件的变频电路。
9．根据权利要求8所述的共用-下-变频器，其特征在于对于第一和第二初级辐射器中的每一个，在变频电路上形成至少包含两个馈电元件的馈电元件对，从而至少两个馈电元件具有直角。
10．根据权利要求9所述的共用-下-变频器，其特征在于至少两个馈电元件中的一个和结合部的中心线形成一个预定的角度。
11．根据权利要求10所述的共用-下-变频器，其特征在于预定的角度基本上等于在预定经度上一点的虚拟极化角。
12．根据权利要求10所述的共用-下-变频器，其特征在于预定的角度等于在预定经度上的一点来自其中一个卫星的无线电波的极化角和虚拟极化角之间的差。
13．根据权利要求11或12所述的共用-下-变频器，其特征在于预定的经度基本上位于预定经度范围的中心。
14．根据权利要求11或12所述的共用-下-变频器，其特征在于通过使用无线电波的斜角计算预定的角度。
15．一种共用-下-变频器，其包含权利要求6的多-初级辐射器；及在其上形成馈电元件的变频电路；其中假设另外一个馈电元件平行于第一初级辐射器或第二初级辐射器的孔径面形成，馈电元件的长度是通过馈电元件在变频电路上沿孔径面的垂线延伸的长度计算的。
16．根据权利要求8所述的共用-下-变频器，其特征在于至少多-初级辐射器和包含变频电路的壳体被整体模制而成。
17．一种多波束天线，其包含权利要求8的共用-下-变频器；用于反射无线电波的反射器；及用于将共用-下-变频器和反射器彼此相连的支撑臂。
18．根据权利要求17所述的多波束天线，其特征在于共用-下-变频器的倾角是可变的。
19．根据权利要求18所述的多波束天线，其特征在于还包含一个用于彼此固定支撑臂和共用-下-变频器的固定件，从而使得共用-下-变频器的倾角围绕垂直辐射轴可变。
全文摘要
一种多波束天线,其包含一个抛物线反射器、共用－下变频器、一个支撑臂和一个固定件。在共用－下变频器的结构中,使得多个－初级辐射器和容纳变频电路的壳一体模制而成。多个－初级辐射器由多个多个初级辐射器构成,其孔径中心被对准。相连的两个初级反射器彼此在结合部分整体相接。通过固定件改变围绕垂直辐射轴的在共用－下变频器和支撑臂之间形成的角度可对极化角进行调节。在变频电路上形成的馈电元件对由两个彼此正交延伸的馈电件构成。在馈电元件和结合部的中心线之间形成的角度是根据接收区的轴向范围的中心确定的。
文档编号H01Q5/00GK1285965SQ98813123
公开日2001年2月28日 申请日期1998年8月7日 优先权日1998年1月22日
发明者德田胜彦 申请人:松下电器产业株式会社