专利名称：用于安装旋转反射器天线以最小化掠过弧的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线系统，且特别涉及一种用于安装反射器天线的方法和设备，其方式是当天线绕它的方位轴旋转时使天线的掠过弧最小。
背景技术：
安装在飞行器上、位于天线罩之下的天线的前表面面积，对于飞行器的空气动力学来说极为重要。原因是由天线罩产生的阻力以及因而产生的对飞行器性能和燃料消耗的影响。对于必须绕方位轴旋转的反射器天线，天线的“掠过弧”大于天线的主反射器的总宽度。这就需要同等宽度的天线罩，由此增加的天线罩的前表面面积并因而增加了飞行器的阻力。
参见图1，如目前常规反射器天线系统，当旋转方位轴位于主反射器轴线中心的后方或后面时，可以看到现有技术的天线系统的主反射器天线的掠过弧“A”。主反射器的最外边缘也标出了。该直径由尺寸“B”表示。当旋转方位轴在主反射器的中心之上或之后时，由主反射器产生的掠过弧直径比主反射器本身的直径大得多。
因此，极其重要的是，反射器天线的高度和宽度(即深度)保持为最小的尺寸，符合所需的天线电磁性能。更具体地，重要的是，天线的主反射器用于安装在飞行器的外表面，安装的方式为当天线绕其方位轴旋转时天线的掠过弧最小。使天线的掠过弧最小会由此使需要遮盖天线的天线罩最小，且由此当安装了天线罩的飞行器在飞行时，使由天线罩产生的相应阻力最小。
最小化掠过弧的另一考虑因素是安装在反射器轴线中心(即顶点)的馈电喇叭的物理长度。为了使天线的性能最大化，在一些情况下希望在反射器上使用较长的馈电喇叭。然而，使用比典型长度更长的馈电喇叭就有必要增加反射器本身的深度。增加反射器的总深度意味着增加它的总直径或孔径尺寸，且由此增加其掠过弧。由此，需要一种反射器天线的设计，允许使用加长的馈电喇叭，该馈电喇叭能整合到天线的反射器中，不需要增加天线的深度和总的孔径尺寸。
发明内容
通过根据本发明优选实施例中的天线系统可解决上述缺陷。该天线系统包括具有主反射器，该主反射器具有形成在其顶点的开口。加长的馈电喇叭设置在所述开口中以使得馈电喇叭长度的主要部分向主反射器的后表面之外延伸。与天线一起使用的天线电子组件可以安装在馈电喇叭从主反射器的后表面突出的一部分上，或主反射器本身的后表面上。通过安装反馈喇叭使得其长度的主要部分延伸穿过反射器中的孔，也由此伸向反射器后表面之外，则不需要增加反射器本身的深度和总的天线孔径尺寸。
从后文提供的详细描述本发明应用性的其他方面将更显而易见。应理解，详细描述和具体实例，尽管说明了本发明的优选实施例，但仅是为了阐述的目的且并不意在限制本发明的范围。
从详细描述和所附附图本发明可被更全面地理解，其中图1为由现有技术的安装配置形式产生的掠过弧简化示意图，其中主反射器的旋转方位轴设置在主反射器中心的略微后方；图2为现有技术的反射器天线的平面图，其中天线的主反射器具有中央最外边缘部分；图3为根据本发明优选实施例的天线系统侧视图，显示了位于在天线主反射器最外边缘之间延伸的平面之中的方位轴；图4为说明通过如图3所示定位旋转方位轴而产生的掠过弧示意图。
图5为本发明的天线系统侧视图，其方位轴定位设置在位于天线系统主反射器最外边缘前方的平面中。
图6为通过图5中所示的天线系统产生的掠过弧示意图。
图7显示了具有馈电喇叭的目前的低剖面卡塞格伦反射器，天线电子组件安装在主反射器的后表面。
图8显示了图7的天线，但具有加长的馈电喇叭，且也显示了天线总深度的增加。
图9显示了根据本发明优选实施例的卡塞格伦反射器天线。
图10仅显示了图9的天线的主反射器和副反射器，但显示了形成在主反射器顶点的孔。
图11显示了穿过天线主反射器中的孔而突出的馈电喇叭。以及图12为主反射器天线一部分的放大侧向横截面视图，显示了安装在其上的馈电喇叭。
具体实施例方式
以下优选实施例的描述实际上仅是示例性，且决不是要限制本发明、其应用或使用。
参见图2，显示了很适于安装到飞行器外表面上的现有技术的天线系统10。该天线系统10包括具有中心12和最外边缘部分12b的主反射器12。副反射器14位于馈电喇叭16的前面，该馈电喇叭16的位于主反射器12的中心12a。使用一对低噪音放大器(LNA)18和20作为天线共用器22和24，用于在接收和发射的信号上执行信号波形调节操作。仰角电机26用于以期望的仰角来定位主反射器12，同时方位电机28用于绕方位轴使主反射器12旋转，以期望的方位角定位主反射器。编码器30用于跟踪主反射器12的方位角并向方位电机28提供反馈。
现在参见图3，显示了根据本发明优选实施例的天线系统100。通过使用具有轴线中心102a和最外侧边缘102b的主反射器12，天线系统100类似于天线系统10。馈电喇叭104设置在主反射器102的中心102a处。主反射器102支持在平台106上，该平台106将主反射器102的旋转方位轴108放置在经过主反射器的最外边缘102b而延伸的平面上。平台106通过方位电机110绕旋转方位轴108旋转，以由此以期望的方位角度来定位主反射器12。优选地采用两通道同轴旋转接头112在馈电喇叭104和传输线112a之间建立必要的电连接，该传输线112a穿过飞行器114的外表面延伸。为了简单起见，并未示出通常将整个天线系统100封入其内的天线罩。
参见图4，显示了掠过弧116，该掠过弧通过天线系统100的、以高度简化的形式显示主反射器102的旋转运动产生的。当旋转方位轴108定位为使得它能通过主反射器102的最外侧边缘102b延伸时，结合图3进行描述，掠过弧116的半径大致为反射器102的总长118的一半。由此，将旋转方位轴108定位在主反射器102的中心102a的前方(即在图3中位于中心点102a的右方)，能显著减少由主反射器产生的掠过弧。对比图1和4，也可明显见到这种掠过弧的总面积和体积上的减少。
然而，图3所示的天线系统100，在一些应用中，对通过天线100传送和/或接收的信号的阻挡达到不可接受的程度。因而，需要将图3中所述的旋转方位轴108定位在主反射器102的最外边缘102b的前方。这种安装配置形式显示于图5。图5中显示的天线系统200与图3中显示的天线系统100相同，只是安装平台206具有较长的总长度，以允许旋转方位轴108位于主反射器202的最外边缘202b的前方(即在图5中的右方)。还应理解，天线系统200的组件与天线系统100中的一样，并通过在代表天线系统100的组件所用的参考数字上增加100而的到的参考数字来表示。图6中显示了由天线系统200产生的掠过弧。由虚线220表示掠过弧。由箭头222代表主反射器202的最大、有效前端宽度，该宽度仅略微大于主反射器的直径226。由线224代表反射器202的旋转半径。将图6的掠过弧220与图4中所示的掠过弧116比较，可以看到通过天线系统200的安装配置所产生的掠过弧略微大于由天线系统100所产生的掠过弧。然而，将方位轴定位在主反射器202的最外边缘202b的前方，有助于消除由安装平台206和旋转接头212所产生的阻挡程度。
参见图7，显示了一种传统的卡塞格仑反射器天线，用于阐述当馈电喇叭的长度增加时，天线的深度增加的问题。天线300包括主反射器302，该主反射器302具有安装在主反射器302的顶点306上的馈电喇叭304。副反射器308安装在主反射器302的最外边缘310上，该最外边缘310形成天线300的孔径。天线电子子组件312可安装到主反射器302的后表面314上。天线300的总长度由箭头316表示。
参见图8，当采用加长的、中度张开角度的馈电喇叭304a时，副反射器308必须向主反射器302之外移动。副反射器308典型的由两个或更多支杆318保持，以便与主反射器302的顶点306同心。天线300的总深度由箭头320代表。如从图7和8中明显可见，当采用加长的馈电喇叭304a时，天线300的深度显著增加。这会增加天线的掠过弧，这反过来需要较大的天线罩，用于当在高速移动平台的外表面上采用天线时，遮盖天线。更大的天线罩会降低移动平台的空气动力效率。
参见图9，显示了根据本发明优选实施例的天线400。天线400包括主反射器402。具有设置在主反射器402的轴线中心406(即顶点)上的加长馈电喇叭404。孔408形成在主反射器中，以允许馈电喇叭404长度的主要部分从主反射器402的后表面410向外突出。副反射器412设置在主反射器402的顶点406处，并由一个或更多的支杆(不可见)支承。天线电子子组件414可以支持在主反射器402的后表面410上或支持在馈电喇叭404的颈部405上。天线电子子组件414可以包括正交模式变换器、低噪声放大器、或其他部件。
简略参见图10和11，可以更加详细地看到主反射器402中的孔408。孔408应具有足够的直径，以允许馈电喇叭404的所需部分突出穿过其中，优选地为约50％。孔408的直径越大，则馈电喇叭404能突入孔408的部分也越大。在一优选形式中，馈电喇叭具有约6英寸的总长度(152.4mm)和在其前端404a处具有的直径约3英寸(76.2mm)。更常规的馈电喇叭，如图7中的馈电喇叭304，在其前端具有约3-5英寸(76.2mm-127mm)的直径，并具有约3英寸的总长度。与能使馈电喇叭404相对于副反射器412能纵向调整程度实际所需的孔408的大小相比，主反射器中的孔408优选地略大一些。
采用带有较窄前端的加长的馈电喇叭能产生对副反射器412更加聚焦、的近场照射。实际上，与诸如馈电喇叭304这样的标准长度、宽角度馈电喇叭相比，馈电喇叭404的总长度典型地大20％-100％。
参见图9、箭头416代表天线400的总长度。深度416显著小于图8中箭头320代表的长度，且大致与图7中箭头316代表的深度相同。由此，天线400总的掠过体积小于由图8中天线所产生的掠过体积，且大致与图7中由天线300所产生的掠过体积相同。
在使用主反射器402中的孔408，由此允许采用加长的馈电喇叭404以更好地将电磁波能量传播到副反射器412上，而不会承受大为增加天线400的总长度所带来的不利结果。这允许天线400的掠过弧最小，当天线400被天线罩遮盖并设置在快速运动的移动平台时，这有助于保持空气动力效率。
参见图12，显示了主反射器402的加长部分和馈电喇叭404。反射器孔408包括能承载馈电喇叭404的法兰404b的扩孔区域408a。用多个螺钉418将法兰404b固定在扩孔区域408a中。螺钉418与形成在突起部分422中的螺纹盲孔420啮合，该凸起部分422环绕主反射器402的顶点406。一个或更多垫圈或垫片可放置在螺钉418之上，以调整馈电喇叭404相对于副反射器412的纵向定位。
应理解，主反射器402和副反射器412优选地按需要“成形”，以获得天线400所需的性能。馈电喇叭404的总长度，其前端404处的直径和其与副反射器412的间隔，都是确定主反射器402光学形状和副反射器404的最佳形状的因素。
本发明的优选实施例提供了一种用于支承反射器天线的装置，其方式是能使反射器天线的有效前方面积最小，并允许当天线位于飞行器外表面上时以具有较小的前方面积的天线罩遮盖天线。优选实施例没有显著地使天线系统的结构复杂化，也没有使天线系统在飞行器外表面上的安装复杂化。进而，优选实施例没有显著增加天线系统的构建成本。
本领域技术人员应从前述说明中理解，可以以各种形式来实现本发明的宽泛教示。因此，当结合本发明的具体实例对本发明进行描述时，由于对于本领域技术人员来说通过研究附图、说明书和所附实施例，其他修改显而易见，所以不应限制本发明的真正范围。
权利要求
1.一种反射器天线，包括主反射器，具有在其顶点的孔；和馈电喇叭，安装在所述顶点，以使得该馈电喇叭的一部分能突出穿过该孔。
2.根据权利要求1所述的天线，进一步包括副反射器，其支持在离开所述主反射器的顶点的前方。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述主反射器总长度的大约百分之50突出穿过所述孔。
4.根据权利要求1所述的天线，进一步包括天线电子子组件，其支持在所述主反射器的后表面，临近所述主反射器的顶点。
5.一种用于形成反射器天线的方法，包括形成弯曲的主反射器，在其顶点具有孔；和离开所述主反射器支持馈电喇叭，以使得该馈电喇叭的一部分突出穿过所述孔，并从所述主反射器的后表面向后突出。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在主反射器的前端支持副反射器，并轴向对准所述顶点。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括临近所述主反射器后表面并临近所述顶点来支持天线电子子组件。
全文摘要
一种用于形成卡塞格伦反射器天线的设备和方法，允许采用加长的馈电喇叭而不增加天线的总深度。这使得与使用标准长度的馈电喇叭相比，天线的掠过直径保持为最小。天线系统在天线系统主反射器顶点采用一个孔。加长的馈电喇叭安装在该顶点上，以使得其长度的主要部分向主反射器后表面之外突出。天线电子组件可安装在馈电喇叭的颈部，或可替换地安装在主反射器的后表面上。由于加长的馈电喇叭没有增加总深度，并由此没有增加天线的掠过弧，所以与采用传统标准长度馈电喇叭的反射器天线所需的天线罩相比，需要遮盖天线的天线罩可保持为最小的尺寸。
文档编号H01Q3/04GK101088194SQ200580027221
公开日2007年12月12日 申请日期2005年8月10日 优先权日2004年8月12日
发明者格伦·J·德萨甘特, 艾伯特·L·比恩 申请人:波音公司