专利名称：移动波束天线装置的制作方法
移动波束天线装置 本发明的领域涉及移动波束天线的装置，尤其涉及在通讯卫星上的天线。通讯卫星包括可以生成用于广播多媒体服务的移动波束的天线。这些服务要求通信网络能够覆盖宽广的地理区域，并且在所覆盖的整个区域上维持足够高的信号质量。为此，存在能够调整波束的指向以满足通讯服务的需要的移动波束天线。通讯卫星接收来自地面站的数据，然后其通过面向地球定位的天线将这些数据发射到地球。优先使用双反射器无源天线，这是因为其在重量、体积、效率和成本约束之间提供了最佳折中。这是因为与单反射器天线相比，这些双反射器天线使得在给定的等效焦距的情况下减小天线的体积成为可能。这提供了特别受关注的用于减小运载火箭中的卫星体积的优点。用于使射频信号的波束在地球表面上进行移位的已知无源天线解决方案是包括允许通过改变反射面的方向来移动整个天线装置或者仅移动反射器的单元的天线。现有的无源天线装置解决方案包括用于发射和/或接收RF信号的馈源(feed)、一个或多个反射器以及用于承载天线的所有射频组件的支撑基底。存在多种类型的装置，在这些装置中，卡塞格伦(Cassegrain)型和格里高利(Gregorian)天线型的装置可以通过指示的方式来命名。从现有技术还可以了解专利文件EP0139482。该文件公开了在其中仅使反射器移位的移动波束天线。其涉及固定的馈源装置，在其中，主反射器的焦点维持在辅反射器的焦点上。在移动整个天线装置(也即是说，由支撑基底、反射器和发射和/或接收馈源组成的配件)的情况下，馈源与卫星的有效载荷之间的链接的设计变得成问题。这是因为必须使用具有以下缺点的可变形的波导管或者旋转接头射频信号损失、频带限制、功率限制、机械限制、大量激励以及对天线射频接口处的端口的数量的限制。此外，可变形的波导管通常具有非常大的硬度，这导致在天线装置的运动单元上的额外压力。实际上，必须规定后者的尺寸以便能够使这些机械部件变形。可以通过只调整反射器方向的可替换的天线装置解决方案来解决与馈源的移动性有关的诸多缺点。然而，在抛物面反射器的情况下，当调整其方向时，抛物面的焦点也与馈源的相位中心偏置。该偏置导致射频几何的失真，从而通过聚焦偏差导致效率降级。本发明的目的是克服前述问题，并且提出使得能够发射和/或接收移动波束、包括简化的运动力学并且展示出较好的射频效率的天线装置。更具体地说，本发明涉及一种移动波束天线装置，其包括支撑基底；具有焦点的抛物面主反射器和具有两个焦点的椭球型辅反射器；用于发射和/或接收形成波束的RF信号的馈源，所述馈源安装在所述装置中以相对于所述支撑基底是固定的；承载所述主反射器和所述辅反射器的移动支架，其中，所述反射器相对于彼此是固定的，所述移动支架使 用链接单元安装在所述支撑基底上，所述链接单元适合于使所述反射器围绕至少一个固定的移位轴进行移位以通过所述馈源的相位中心。有利的是，所述主反射器的焦点保持位于所述辅反射器的第一焦点上，并且所述辅反射器的第二焦点在所述移动支架的任意位置中保持位于所述馈源的相位中心上。
因此，根据基本特征，所述移动支架、所述主反射器和所述辅反射器形成相对于所述支撑基底的移动配件。根据变体中的任意一个，所述链接单元适合于使所述移动配件围绕在所述馈源的相位中心处会聚的两个旋转轴进行移动。根据变体中的任意一个，至少一个反射器的表面面积基本上比在所述反射器的表面上反射的波束的表面面积大。根据本发明的天线装置解决了 RF馈源与卫星的有效载荷之间的连接问题。此外，馈源在装置中的固定性不需要使用易弯曲的波导管和用于使这种类型的波导管变形的复杂的运动单元。这也产生较好的射频效率。 此外，由围绕馈源相互固定的移动支架和反射器构成的配件的位移使得能够维持最佳的RF信号传播几何结构，并且减少天线装置的聚焦偏差乃至致使其不存在。在最后的分析中，所述装置允许在没有任何波束变形的情况下使波束在地球上进行移位。通过阅读作为非限制性示例给出的以下描述并且凭借附图
，将更好地理解本发明并且其它优点将变得显而易见，在附图中图I表示根据本发明表征馈源、主反射器和辅反射器的天线装置的示意图。图2表示从正面观察的天线装置的简化图。图3表示从侧面观察的天线装置的简化图。图4表示根据两个位置的反射器以及针对每个位置的反射波束的反射器的图。图5a表示通过包括单个移动反射器的天线装置的、分布在地球表面上的移动波束的传输的射频仿真。图5b表示通过根据本发明的天线装置的、分布在地球表面上的移动波束的传输的射频仿真。根据本发明的天线装置特别适用于空间通讯应用。通讯卫星通常具有平行六面体形状，其中包括永久地指向地球的地球面。RF信号传输系统安装在该地球面上以便完成卫星的任务，例如，提供电话、数据和视频传输服务。为了满足这些任务的需要，已知的实现方式是使用移动天线，移动天线能够使RF信号的波束在地球表面上进行移位。通常，这些天线包括基于称作抛物线的曲线和称作旋转抛物面的表面的几何特性的抛物面反射器。抛物面反射器负责将接收的或发射的波集中到位于抛物线的焦点处的天线馈源(通常称作馈源)。在本发明的上下文中，可以使用多种类型的抛物面反射器天线装置。可以引用包括单个反射器的天线装置和具有多个反射器的装置(通常称作为卡塞格伦天线型装置或格里高利天线型装置)。在下文中根据特别适用于空间应用的天线装置的示例来描述本发明的目的。其为格里高利天线型装置。然而，本发明的范围不限于这种类型的天线装置。本领域技术人员知道如何使本发明的概念适应于包括椭圆形辅反射器的其它类型的天线装置。图I表示参与格里高利天线型装置的发射和/或接收功能的功能元件的简化图。该天线包括主反射器2和辅反射器I。主反射器2具有抛物面的形状，其将RF信号向抛物线的焦点21集中。辅反射器I具有椭圆形状。在格里高利天线装置中，馈源与辅反射器I的中心轴偏置。这种具有偏置馈源的装置类型是所谓的“偏置”装置，并且具有以下优点未将馈源放置在射频波束的场中，从而避免了效率损失。椭圆形状的辅反射器I的使用使得能够偏置馈源、具有两个焦点(主焦点32和辅焦点31)。根据本发明的基本特征，对于格里高利天线型的装置而言，以使辅反射器的辅焦点31与主反射器2的焦点21重合的方式将主反射器和辅反射器一起安装在天线装置中，而不论波束10的方向如何。该天线包括向辅反射器I进行反射的馈源3。根据本发明的基本特征，对于格里高利天线型的装置而言，以使辅反射器I的主焦点32与馈源3的相位中心重合的方式安装馈源，而不论波束的方向如何。根据本发明的基本特征，将馈源3安装固定在天线的装置中。优选地，将馈源3固定于支撑基底6。因此，具有固定的馈源的天线装置使得能够避免使用可变形的波导管或旋转接头。然后，通过使得主反射器2和辅反射器I相对于馈源3进行移动来产生天线的波束的移位。图2和图3表示根据本发明从正面和侧面观察的格里高利天线型的天线装置的简化图。出于使附图清楚的目的，未描绘馈源。馈源的相位中心由附图标记41表示。天线 装置包括支撑基底6和移动支架7。支撑基底6安装在坐标系8上，以便相对于该坐标系是固定的。该坐标系8表示例如通讯卫星的地球面。馈源3安装在天线装置中，以便相对于坐标系8也是固定的。优选地，馈源3固定于支撑基底6。举例说明，支撑基底6包括覆盖足够的表面面积以使整个装置稳定在卫星上的底部部件61。固定在稳定表面61上的第一末端处的两个伸长的横向部件62和63相对于稳定表面61对称地、基本上垂直于稳定表面61向卫星的反向延伸。两个横向部件62和63通过纵向部件64在其第二末端处链接在一起，所述纵向部件64还用于固定支撑基底6与移动支架7之间的链接单元9。用链接单元9将移动支架7铰接在支撑基底6上，以便赋予移动支架7相对于馈源3并且从而相对于坐标系8的移动性的能力，其中，馈源3实际上相对于坐标系8是固定的。移动支架7保持主反射器I和辅反射器2。这两个反射器在移动支架7上相对于彼此是固定的，固定单元使得能够将这两个反射器保持在移动支架上。根据本发明的基本特征，链接单元9能够使得移动支架7围绕至少一个旋转轴4进行移位以通过馈源3的相位中心41，并且优选的是围绕会聚通过馈源3的相位中心41的两个旋转轴4和5。两个旋转轴4和5相互垂直，并且能够根据波束移位需求所需的自由度使得反射器围绕馈源3在装置中的多个不同的位置中进行移位。由包括主反射器2和辅反射器I的配件中的馈源3发射的RF信号的传播几何结构是以下列方式形成的辅反射器I的主焦点32位于馈源3的相位中心，并且辅反射器I的辅焦点31与主反射器2的焦点32重合。因此，不论移动支架7的位置如何，这两个反射器相对于彼此是固定的，并且辅反射器I的主焦点32持续地保持位于馈源3的相位中心41。辅反射器I的椭圆形状的几何特性还使辅焦点31保持在相同的位置处，而不论辅反射器围绕旋转轴或在馈源的相位中心41处会聚的轴4和5的位置如何。通过几何结构，主反射器2的焦点也保持在辅焦点的水平面处。链接单元9由例如转盘式机械铰接片构成。转盘是用于利用会聚轴4和5在两个传动轴之间传送一个或多个旋转运动的机械铰接。转盘优选地位于馈源3的水平面，馈源3本身通过转盘的旋转轴在馈源3的相位中心41的位置处会聚的方式固定到支撑基底6的部件64。作为非限制性的示例，移动支架7可以基本上是U型的机械结构，该机械结构包括伸长的中心部件71和两个伸长的横向部件72和73，横向部件72和73相对于中心部件垂直地位于中心部件71的每个末端处。一个横向部件大体上长于第二横向部件。此外，支撑具有大于辅反射器I的周长的主反射器2的横向部件73具有比支撑辅反射器2的横向部件72的长度长的长度。未示出的固定单元将反射器2和I保持在移动支架7上。链接单元9将移动支架的中心部件71与支撑基底6相链接。支撑基底6是以允许由移动支架7以及反射器2和I构成的配件的移动性的方式来规定大小的机械结构。例如，将安装在支撑基底6上的馈源3与卫星的有效载荷的电子设备相链接。对于本发明的概念的图而言，天线装置可以链接到托架，在托架中，移动支架7在被稳定于坐标系8上的支撑基底6的伸长的横向部件62和63之间是平衡的。从而，反射器I和2围绕馈源3进行移位。由于馈源3的固定性，因此存在很多由此产生的优点，其包括这样的事实天线装置显示出射频效率的改进，以及在可变形的波导管对其不适用或不存在的频带中的用途。 天线装置还展示出较好的功率阻抗，并且没有与可变形的波导管的疲劳强度相关联的功能限制。此外，可以使用更简单的机制，这是因为波导管具有较低的抗转矩。图4根据两个不同的位置更具体地描述了反射波束的天线装置的反射器。第一位置210处的反射器在方向212上反射波束211，并且在第二位置220处在方向222上反射波束221。反射的波束具有给定的直径。根据该天线装置的特定特征，反射器具有实质上比波束的直径更大的直径，使得波束的表面面积持续地被反射器覆盖，而不论反射器的位置如何。实际上，由于馈源是固定的，因此波束的表面位于装置中相同的位置处。波束的方向是通过反射表面的移位来调整的。在本发明的上下文中，术语反射器应当理解为意指行使RF波束反射功能的任意类型的表面，其中包括通常称作“反射阵列”的反射器阵列。反射器阵列是周期性的反射表面，其由放置在地平面之上的金属化单元构成。详细的电磁研究使得能够确定这些单元的最佳剖面，使得这些单元能够利用可参数化的电气延迟来反射入射波。于是，可以使用典型表面的反射阵列来产生与赋形反射器的辐射相同的辐射。图5a和图5b表示多个RF波束在地球表面的多个区域中的传输的仿真。图5a的仿真是使用如现有技术中描述的包括单个移动反射器的天线装置产生的。天线装置指向波束102并且在地球表面的多个区域中使波束102进行移位。圆101表示由波束对准的圆形表面。仿真显示出波束102在东/西和北/南平面中的变形，以及波束102在波束的北/南平面中的“移位”。图5b的仿真是使用根据本发明的要求保护的天线装置产生的。天线装置指向波束103，并且在地球表面的多个区域中使波束103进行移位。圆103表示由波束对准的圆形表面。仿真显示出波束104不存在变形和移位。所述天线装置可应用于具有可能会或可能不会偏置的馈源并且包括至少两个反射器的卫星的天线装置。
权利要求
1.一种移动波束天线装置，包括支撑基底(6);具有焦点(21)的抛物线形主反射器(2)和具有两个焦点(31、32)的椭球型辅反射器(2);馈源(3)，其用于发射和/或接收形成波束的RF信号，其中，所述馈源(3)安装在所述装置中以相对于所述支撑基底(6)是固定的；承载所述主反射器(2)和所述辅反射器(I)的移动支架(7)，其中，所述反射器相对于彼此是固定的，所述移动支架(7)使用链接单元(9)安装在所述支撑基底(6)上，所述链接单元(9)适合于使所述反射器(1、2)围绕至少一个固定的移位轴(4)进行移位以通过所述馈源(3)的相位中 心(41);所述移动波束天线装置的特征在于所述主反射器的所述焦点(21)保持位于所述辅反射器(2)的第一焦点(31)上，并且所述辅反射器(2)的所述第二焦点(32)在所述移动支架(7)的任意位置中保持位于所述馈源(3)的所述相位中心(41)上。
2.根据权利要求I所述的天线装置，其特征在于，所述移动支架(7)、所述主反射器(2)和所述辅反射器(I)形成相对于所述支撑基底(6)的移动配件。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述链接单元(9)适合于使所述移动配件围绕在所述馈源的所述相位中心(41)处会聚的两个旋转轴(4、5)进行移动。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的天线装置，其特征在于，至少一个反射器(210)的表面面积基本上比在所述反射器的所述表面上反射的波束(211)的表面面积大。
全文摘要
本发明涉及一种移动波束天线装置，其包括支撑基底(6)、至少一个反射器(1)以及发射和/或接收馈源。馈源(3)安装在所述装置中以相对于支撑基底(6)是固定的，并且所述装置还包括支撑反射器(1)的移动支架(7)，该移动支架利用链接单元(9)安装在所述支撑基底上，链接单元(9)能够使所述移动支架围绕至少一个固定的位移轴进行移位以通过所述馈源的相位中心(41)。
文档编号H01Q1/28GK102656746SQ201080056679
公开日2012年9月5日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年11月3日
发明者G·纳瓦尔, P·勒佩尔捷, P·博斯哈德 申请人:塔莱斯公司