用于反射器天线的相控阵列线馈源的制作方法

本申请要求2015年7月16日提交的美国临时专利申请62/193,474的优先权，上述文献通过引用整体包含于此。本申请还与2016年5月13日提交的美国专利申请15/154,760相关，上述文献也通过引用整体包含于此。

关于联邦资助研究的声明

不适用。

背景技术：

如美国专利申请15/154,760中所述，传统的高增益空间天线由于其大小、重量以及不能在三维中折叠、因而空间运输或者轨道入位是昂贵的。为了克服现有技术的这些和其它缺点，美国专利申请15/154,760公开了一种具有可充气气球(balloon)和机械可转向馈源系统(例如，线馈源(line feed))的气球反射器天线。

图1是示出根据美国专利申请15/154,760的具有部署于空间中的大型气球反射器天线120的卫星100的图。气球反射器天线120包括球形气球140，其中该球形气球140包括对电磁波透明的面142以及与该透明的面142相对的反射面144。(气球140还可以包括用以帮助气球140维持其球形形状的一个或多个介电支撑帘146。)卫星100还包括气球反射器罐182、RF模块184、电信模块186、俯仰反应轮188、横滚反应轮189、电源模块190、以及太阳能电池192。

气球反射器天线120包括馈源系统160，其中该馈源系统160可以是一个或多个喇叭馈线、一个或多个平面天线、诸如准光球形校正器等的一个或多个球形校正器或线馈源(如图1所示)、或用于接收反射面144所反射的电磁波或者发出反射面144所反射的电磁波的任何其它合适装置。

当气球反射器天线120(例如，从地面)接收到信号时，该信号通过透明面142并且遇到反射面144，其中反射面144使信号汇聚至馈源系统160中。当气球反射器天线220(例如，向地面)发送信号时，该信号由馈源系统160发出并且遇到反射面144，该反射面144引导信号通过透明面142。

如图1所示，诸如反射面144等的球形反射面将平行光线汇聚成线(与抛物面反射面相反，该抛物面反射面将平行光线汇聚成点)。这种球差(spherical aberration)的最简单的“校正器”是线馈源。

图2是示出现有技术的线馈源200的图。

如图2所示，现有技术的线馈源200包括具有由外部四分之一波片260分隔开的周期孔径240的长的圆形波导220。由于线焦点可以是任意半径的球形反射面，因此可以容易地通过转动线馈源200使天线波束在不劣化的情况下转向通过大的角度。

参考回图1，馈源系统160(其可以是与图2所示的线馈源系统200类似的线馈源)从气球140的中心沿着气球140的一个或多个径向线延伸。为了使气球反射器天线120聚焦，馈源系统160包括用以使馈源系统160径向移动的机动安装件162。如美国专利申请15/154,760所述，使馈源系统160枢转，这样使得能够在不使整个卫星100转动的情况下使波束转向。然而，通过使馈源系统260枢转来对波束进行重定向引发了另一问题。

由于卫星100部署于空间中，因此使馈源系统160枢转(或者使卫星100的任何其它部分移动)将会无意中使整个卫星100偏离航线(除非施加相等且相反的力)。因此，需要一种可以在保持静止的同时对反射器天线的波束进行重定向的电可转向馈源系统。因此，在陆地应用中，需要一种用以减少或消除对机械卫星追踪系统的需求的电可转向馈源系统。

技术实现要素：

为了克服这些和其它缺点，提供了一种用于反射器天线(例如，用于空间或陆地用途的球形气球反射器天线)的相控阵列线馈源，其包括多个大致平行的金属杆以及在所述线馈源的底部电连接至所述金属杆的相位/功率开关矩阵。所述相位/功率开关矩阵可以通过调节所述金属杆之间的相位差和/或功率差来使所述反射器天线的波束转向。所述相控阵列线馈源还可以包括多个大致平行的金属盘。所述金属杆可以与所述金属盘大致垂直地延伸通过这些金属盘。所述金属盘可以是等间隔的(例如间隔约λ/2的距离，其中λ是所述反射器天线的关注波长)，并且所述金属盘的直径可以沿着所述金属杆的长度减小(例如，从所述线馈源的底部处的约λ/l.1向着顶点处的λ/1.8减小)。可选地，所述金属盘的直径可以是相等的，并且所述金属盘之间的距离可以沿着所述金属杆的长度减小。

附图说明

参考附图可以更好地理解典型实施例的各方面。附图中的组件不必按比例绘制，而是将重点放在示出这些典型实施例的原理上，其中：

图1是示出根据美国专利申请15/154,760的具有球形气球反射器天线的卫星的图；

图2是示出现有技术的线馈源的图；

图3是示出根据本发明的典型实施例的用于反射器天线的相控阵列线馈源的图；

图4是示出根据本发明的另一典型实施例的用于反射器天线的相控阵列线馈源的图。

具体实施方式

将参考附图来详细阐述本发明的优选实施例，其中在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件或步骤。

图3是示出根据本发明的典型实施例的用于以关注波长λ工作的反射器天线(例如，图1所示的球形反射面144)的相控阵列线馈源300的图。

如图3所示，相控阵列线馈源300包括多个(例如，3个或更多个)金属杆320a～320c和一个相位/功率开关矩阵340。相位/功率开关矩阵340例如经由同轴连接器342电连接至各金属杆320a～320c。相控阵列线馈源300还可以包括多个金属盘310a～310n。金属杆320a～320c可以例如经由同轴馈通件322通过金属盘310a～310n。

金属盘310a～310n大致平行。金属杆320a～320c可被布置成圆形图案(具有三个金属杆320a～320c的实施例可例如形成三角形图案)。在相控阵列线馈源300的底部，金属杆320a～320c能够以约λ/3.5的中心距分隔开。金属杆320a～320c可以大致平行，并且与金属盘310a～310n大致垂直地通过各金属盘310a～310n。例如，这些杆可以向内成约1度(例如，1度±0.1度)的角度。

在包括金属盘310a～310n的实施例中，金属盘310a～310n将相控阵列线馈源300分割成一系列独立的λ/2垂直天线子阵列。实质上，金属盘310a～310n各自用作这些子阵列的接地面。相对于各子阵列的出射波束角θ是各子阵列内的相位和分隔这些子阵列的金属盘310a～310n的直径的函数。如图1所示，球形反射器的照射需要出射波束角θ沿着相控阵列线馈源300的长度而改变，其中最大出射波束角θ发生在馈源的与反射面144最接近的末端。在图3所示的实施例中，出射波束角θ沿着线馈源的长度改变，例如，从19度变为64度。

与传统的静止线馈源(例如，图2所示的线馈源200)相比，相控阵列线馈源300的长度可以延伸以截获将被传统线馈源漏掉的离轴反射光线。为了实现±30度的扫描角度，线馈源的长度可以是正被照射的球形反射器(例如，反射面144)的直径的约12％(例如，(12±1)％)。

在图3所示的实施例中，沿着金属杆的长度，金属盘310a～310n可以是等间隔的，并且金属盘的直径可以从线馈源的底部向着线馈源的顶点减小。例如，金属盘310a～310n能够以约λ/2(例如，λ/2±0.13)的距离分隔开，并且这些金属盘可以具有线馈源的底部处的约λ/l.1至线馈源的顶点处的约λ/1.8的直径。

图4是示出根据本发明的另一典型实施例的用于以关注波长λ工作的反射器天线(例如，图1所示的球形反射面144)的相控阵列线馈源400的图。

与图3所示的相控阵列线馈源300相同，相控阵列线馈源400包括多个(3个或更多个)大致平行的金属杆320a～320c以及(例如，经由同轴连接器342)电连接至各金属杆320a～320c的相位/功率开关矩阵340。相控阵列线馈源400还可以包括多个大致平行的金属盘310a～310n。金属杆320a～320c可以(例如，经由同轴馈通件322)与金属盘310a～310n垂直地通过这些金属盘310a～310n。再次地，相控阵列线馈源400的长度可以延伸至正被照射的球形反射器(例如，反射面144)的直径的约12％(例如，(12±1)％)，以截获将被传统的静止线馈源(例如，图2所示的线馈源200)漏掉的离轴反射光线。

在图3所示的实施例中，金属盘310a～310n的直径d可以大致相等。与图3所示的相控阵列线馈源300类似，金属盘310a～310n将相控阵列线馈源400分割成一系列独立的λ/2垂直天线子阵列。为了使相对于各子阵列的出射波束角θ沿着相控阵列线馈源400的长度改变(例如，从19度变为64度)，金属盘310a～310n之间的距离从相控阵列线馈源400的底部向着相控阵列线馈源400的顶点减小。

相控阵列线馈源300和400各自产生电可转向波束，该电可转向波束在不使相控阵列线馈源300或400转动的情况下照射反射器天线的面(例如，反射面144)。相位/功率开关矩阵340通过调节金属杆320a～320c之间的相位差和/或功率差来使波束转向。

由相控阵列线馈源300或400产生的波束图的数学描述可以使用图相乘的原理推导出。假定阵列中的各辐射元件(这里为具有金属盘310的金属杆320)的几何形状相同，则可以例如通过式1来规定组合的辐射图：

其中，

f_a(θ，φ)＝所产生的辐射图

f₀(θ，φ)＝各阵列元件的公共辐射图

＝针对各元件的复激励

A_n＝各元件处的信号振幅

α_n＝各元件处的相位

d_n＝相对于阵列中心的元件间距

k＝2π/λ＝传播常数

θ＝极角

φ＝方位角

λ＝工作波长

n＝元件数(例如，1、2、3等)

f_a(θ，φ)的以上表达式还可以以例如式2中所示的向量形式呈现。阵列的标准化功率图P_n(θ，φ)则为：

其中，f_max＝f_a(θ，φ)的最大值。

以上描述和附图应被认为仅说明本发明概念的原理。典型实施例能够以各种大小实现，并且不旨在由上述的优选实施例所限制。

本领域技术人员容易想到典型实施例的许多应用。因此，不期望将本发明概念限制为所公开的具体示例或所示出并描述的确切构造和操作。相反，在本申请的范围内，可以采用所有合适的修改和等同项。