包括馈送网络的用于GHz频率范围中的宽带卫星通信的天线系统的制作方法

包括馈送网络的用于GHz频率范围中的宽带卫星通信的天线系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种天线系统，该天线系统包括至少两个模块，每个模块都包括至少两个单个的辐射体。该天线系统包括用于将单独的辐射体馈送在模块内的微带线网络，和用于馈送模块的波导网络。根据本发明的天线的模块化设计具有下面的优点：在可用安装空间非常受限的地方使用微带线。虽然微带线具有比波导大很多的消耗性损失，但是它们需要小很多的安装空间。而且，通过仅将需要的很多主喇叭天线结合到模块中，以创建用于波导部件的足够的安装空间，能够极大地减小损失。微带线因此保持得比较短。从而，将模块间馈送网络设计成很低损失的波导线。单个辐射体有利地支持两个偏振。
【专利说明】包括馈送网络的用于GHz频率范围中的宽带卫星通信的天 线系统
[0001] 本发明涉及一种用于地面无线电台与卫星之间的宽带通信、特别是用于移动和航 空应用的天线系统。
[0002] 对用于以非常高的数据率发射数据的无线宽带信道的需求不断增长，特别是在移 动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天 线，具体来说，诸如尺寸小和重量轻的天线。对于与卫星进行定向无线数据通信（例如，在 Ku或Ka频带），由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线系统的发射特 性有极高要求。
[0003] 在航空应用中，天线系统的重量和尺寸非常重要，因为它们降低了飞行器的有效 载荷并且产生了额外的操作费用。
[0004] 因此，问题在于提供尽可能小且重量轻、并且即使如此也能够符合在移动载体上 进行操作期间的对于发射和接收操作的规定要求的天线系统。
[0005] 例如，对发射操作的规定要求来自标准47CFR 25. 209、47CFR 25. 222、47CFR 25. 138、ITU-R M. 1643、ITU-R S.524-7、ETSI EN 302 186 或 ETSI EN 301 459。所有的 这些管理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射操作期间在相邻的卫星之间不产生干 扰。为此目的，通常基于相对于目标卫星的分离角来定义最大光谱功率密度的包络（遮罩， mask)。在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定分离角规定的数值。这导致了 对于根据该角度的天线特性的严格的要求。随着与目标卫星的分离角增大，天线增益必须 急剧减小。这仅能够通过天线的非常均匀的幅度和相位配置而物理实现。因此，通常使用 具有这些特性的抛物线天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物线镜因其尺 寸和圆形孔而仅具有很差的适用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且 因此由于额外的空气阻力而必须仅具有最小的可能高度。
[0006] 虽然设计成抛物线（"香蕉状的镜子"）截面的天线是可能的，但是由于其几何收 缩，所以它们仅具有很低的效率。
[0007] 相反，能够使用任意几何形状和任意纵横比设计由单辐射元件构成并且具有合适 的馈送网络的天线阵列，而不会对天线效率产生不利影响。特别地，能够实现很低高度的天 线阵列。
[0008] 然而，特别是当接收频带与发射频带分开很远时（诸如在接收频率大约是 18GHz-21GHz并且发射频率大约是28GHz-31GHz的Ka频带中），在天线阵列中产生的问题 是：阵列的单辐射元件必须支持很大的带宽。
[0009] 已知喇叭天线是迄今阵列中的最有效率的单辐射元件。另外，喇叭天线可以是宽 带设计的。
[0010] 然而，在由喇叭天线构成并且通过纯波导网络馈送的天线阵列的情况下，在天线 图形中产生明显的寄生旁瓣（称为"栅瓣"）的已知问题。由于根据该设计的波导网络的尺 寸，所以这些栅瓣由形成天线阵列的天线元件的波束中心（相位中心）彼此间隔太大而引 起。特别是在大约20GHz以上的频率，这能够在特定波束角处导致天线辐射元件之间的正 干扰，并且因此导致在不期望的立体角范围内不期望地发射电磁功率。
[0011] 如果接收频率和发射频率也处于分开很远的频率上，并且如果为了管理原因而需 要根据发射频带的最小有用波长来设计波束中心之间的间隔，则喇叭天线通常变得如此 小，以至于喇机天线不再能够支持接收频带。
[0012] 例如，在Ka频带中，最小有用波长是仅大约1cm。使得天线阵列的辐射元件密集， 也就是说不产生寄生旁瓣（栅瓣），矩形喇叭天线的孔面面积可以是仅大约lcmXlcm。然 而，由于有限的开口角度意味着需要将其接近截止频率而操作，所以传统的这种尺寸的喇 叭仅在接收频带中具有大约18GHz-21GHz的很低的性能。Ka接收频带不再能够支持这样的 喇叭，或者喇叭的效率在该频带中急剧降低。
[0013] 另外，由于变得需要在喇叭输出端处的被称为变换器的正交模式信号转换器，所 以喇叭天线通常具有进一步限制几何机动空间的两个正交偏振。因为在相对高的GHz频率 不存在可用的充足安装空间，所以使用波导技术的正交模式信号转换器的设计通常失败。
[0014] 如果密集地封装阵列中的喇叭天线，则还存在位于喇叭阵列后面的可用安装空间 不能进一步容纳有效的馈送网络的问题。
[0015] 已知使用波导技术设计的喇叭天线的阵列的馈送网络仅产生很低的消耗性损失。 在最佳情况下，由波导部件馈送阵列的单个喇叭天线，并且整个馈送网络同样包括波导部 件。然而如果接收频带和发射频带包含分开很远的频率，则产生传统的波导不再能够支持 然后要求的频率带宽的问题。
[0016] 举例来说，在Ka频带中要求的带宽超过13GHZ(18GHZ-31GHz)。传统的矩形波导不 能有效地支持这样大的带宽。
[0017] 因此，对于移动的、特别是航空的小尺寸的卫星天线产生下面的需要同时解决的 问题：
[0018] 1.在使得能够以最大光谱功率密度操作天线的发射频带中没有寄生旁瓣（栅瓣） 的符合规定的天线图形，
[0019] 2.即使在小的单辐射元件尺寸的情况下，在接收频带和发射频带二者中也有高的 天线效率，
[0020] 3.占据尽可能小的安装空间并且产生可能的最低消耗性损失的有效馈送网络，
[0021] 4.可能的最紧凑并且节省空间、同时具有可能的最高天线效率的天线的设计。
[0022] 如果通过适当的布置解决了这些问题，则即使仅存在用于小天线的有限的安装空 间，也能够提供一种性能卓越的系统。
[0023] 已知：如果单辐射元件的相位中心小于最大的有用频率的波长，则设计成单辐射 元件的阵列的天线能够用于实现无栅瓣的天线图形。另外，已知这种天线阵列的抛物线幅 度配置能够抑制天线图形的旁瓣（例如，J. D. Kraus和R. J. Marhefka，"Antennas :for all applications",3rd ed., McGraw-Hill series in electrical engineering,2002)〇 特 定的幅度配置使得能够实现最佳匹配到给定天线尺寸的管理遮罩（例如，DE 10 2010 019 081 A1 ;Seifried，Wenzel 等人）。
[0024] 本发明的目的是提供一种特别是用于航空应用的GHz频率范围中的宽带天线系 统，该宽带天线系统使得能够以最小尺寸利用最大光谱功率密度进行符合规定的发射操 作，并且同时在接收操作中具有高的天线效率和低的背景噪音。
[0025] 通过根据权利要求1的天线系统实现该目的。
[0026] 根据本发明，天线系统包括至少两个模块，其中，每个模块包含至少两个单辐射元 件，并且微带线网络用于馈送在模块内的单辐射元件，并且波导网络用于馈送模块。
[0027] 发明的天线的模块化设计的优点在于：在仅有很小的可用安装空间的地方（馈送 单辐射元件的点处）使用微带线。虽然微带线具有比波导明显高的消耗性损失，但是其要 求小很多的安装空间。另外，在这种情况下，由于仅将必要数量的主喇叭天线结合在模块中 以维持用于波导部件的充足的安装空间，所以能够极大地限制了损耗。结果，微带线的长度 保持为比较短。然后，将该模块间馈送网络设计成很低损失的波导。
[0028] 根据本发明的有利的进一步发展，单辐射元件支持第一偏振和第二偏振，并且两 个偏振彼此之间正交。
[0029] 根据本发明的有利的进一步发展，第一偏振和第二偏振是线偏振。
[0030] 两个正交偏振的信号布置在分离的馈送网络中，这具有这样的优点：诸如偏振器 或90°混合耦合器这样的适当部件能够用于发送和接收线偏振信号和圆偏振信号二者。
[0031] 为使天线可以具有可能的最小尺寸，并且仍然变得能够以最大光谱功率密度进行 符合规定的发射操作，本发明的一个有利的进一步发展还提供至少一些单辐射元件的尺寸 为：对于直接相邻的单辐射元件，单辐射元件的相位中心之间的间隔小于、或等于不允许产 生寄生旁瓣（栅瓣）的最高发射频率的波长（发射频带中的参考频率）。
[0032] 如果至少四个相邻的单辐射元件也位于不同的直接相邻的模块中，则通过天线阵 列限定至少一个方向，使得对于该方向，单辐射元件的相位中心之间的间隔小于或等于不 允许产生寄生旁瓣（栅瓣）的最高发射频率的波长。
[0033] 然后，在该方向上，优选地沿着天线阵列的直线，直接相邻的单辐射元件是密集 的，这意味着在天线图形的对应部分中不能产生寄生旁瓣（"栅瓣"）。否则，这些栅瓣将导 致规定允许的光谱功率密度的极大减小。
[0034] 原则上，合适的单辐射元件是支持两个正交偏振的所有已知辐射元件。举例来说， 这些是矩形或圆形的喇叭天线、贴片天线、补偿90°的单偶极子、交叉偶极子或相应地布置 的缝隙天线。
[0035] 如果模块具有至少近似的矩形几何形状，也就是说包含：队=niXnk个的单辐射 元件则更加有利，其中，Npn、i、l、k是偶数，记
【权利要求】
1. 一种天线系统， 具有至少两个模块（8)，其中，每个模块（8)都包含至少两个单辐射元件（1)， 具有至少一个微带线网络（2、3)，用于馈送在模块（8)内的所述单辐射元件（1)， 具有至少一个波导网络（9、10)，用于馈送所述模块（8)。
2. 根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于， 所述单辐射元件支持第一偏振和第二偏振，并且两个偏振彼此正交。
3. 根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述第一偏振和第二偏振是线偏振。
4. 根据权利要求2或3所述的天线系统，其特征在于，所述单辐射元件（1)由所述第 一偏振的第一微带线和所述第二偏振的第二微带线馈送，所述第一偏振的所述微带线和所 述第二偏振的所述微带线分别形成耦合到各个波导网络（9、10)的单独的模块内微带线网 络（2、3)，使得第一模块间波导网络（9)将来自所述第一偏振的全部所述信号集合到一起， 并且第二模块间波导网络（10)将来自所述第二偏振的全部所述信号集合到一起。
5. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于：所述单辐射元件（1) 的尺寸为：对于位于至少两个直接相邻的模块（8)中的至少四个直接相邻的单辐射元件 (1)，所述单辐射元件（1)的相位中心之间的间隔小于、或至多等于处于所述天线系统的所 述发射频带中的参考频率的波长。
6. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述单辐射元件（1) 和模块（8)沿着一个平面中的两个轴定向。
7. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，至少一些所述单辐射 元件（1)是喇叭天线的形式。
8. 根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线（1)在两个偏振平面中 都装备有收缩（15、16)。
9. 根据权利要求7或8所述的天线系统，其特征在于，所有或一些所述喇叭天线（1)完 全或在一定程度上填充有电介质（19)。
10. 根据权利要求7至9的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述喇叭天线（1) 是阶梯状喇叭天线的形式。
11. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，一些所述单辐射元件 (1)或者全部所述单辐射元件（1)装备有介质十字膜片（20)和/或介质透镜。
12. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络（2、 3)和所述波导网络（9、10)处于二叉树的形式，使得并行地馈送所述单辐射元件（1)。
13. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述微带线网络（2、 3)位于薄基板上，并且所述微带线（26)布线在腔体（25)中，所述腔体（25)的壁至少在一 定程度上是导电的。
14. 根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述模块（8)由不同的层（22、23a、 23b、23c、24)构成，并且一个偏振的所述微带线网络（2)与另一个偏振的所述微带线网络 (3)互相分开地定位于所述层之间。
15. 根据权利要求14所述的天线系统，其特征在于，所述不同层（22、23a、23b、23c、24) 由金属制成，并且所述微带线网络（2、3)的所述微带线（26)布线在设计成所述层（23a、 23b、23c)中的凹部（25)的腔体中，一个凹部（25)位于所述微带线（26)上方并且一个凹部 位于所述微带线（26)下方。
16. 根据权利要求13所述的天线系统，其特征在于，所述微带线（26)的所述基板设置 有镀有金属的通孔（27)，从而在所述腔体（25)的所述壁之间建立电接触。
17. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，至少一些所述波导网 络（9、10)具有沿着所述电磁波的传播方向的至少一个几何收缩（15、16)。
18. 根据权利要求17所述的天线系统，其特征在于，至少一些所述波导网络（9、10)设 计成单脊或双脊波导。
19. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，至少一些所述波导网 络（9、10)全部或者在一定程度上填充有电介质（19)。
20. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述馈送网络装备有 频率双工器（45、46)，该频率双工器（45、46)将发射频带（34)的信号与接收频带（35)的信 号分开，使得能够进一步分开处理所述信号。
21. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，选择所述微带线网络 (2、3)的所述微带线和所述波导网络（9、10)的所述波导的尺寸，使得支持所述天线的所述 发射频带和所述接收频带二者。
22. 根据权利要求1至20的任意一项所述的天线系统，其特征在于，选择所述微带线的 尺寸和所述波导的尺寸，使得对于所述天线系统的所述接收频带设计所述第一模块内微带 线网络（2)和关联的模块间波导网络（9)，并且对于所述天线系统的所述发射频带设计所 述第二模块内微带线网络（3)和关联的模块间波导网络（10)。
23. 根据权利要求22所述的天线系统，在所述接收频带中具有均匀幅度配置，使得所 有的所述单辐射元件的功率贡献大致相等，并且在所述发射频带中具有幅度配置，使得至 少对于一些所述单辐射元件（1)，所述单辐射元件（1)的所述功率贡献从所述天线系统的 边缘到中心增加。
24. 根据权利要求1至22的任意一项所述的天线系统，其特征在于，至少对于密集的所 述单辐射元件（1)，至少在所述发射频带中，所述幅度配置遵循大致的抛物线轮廓，使得位 于所述天线系统的所述边缘处的所述单辐射元件（1)的功率贡献、小于位于所述天线系统 的所述中心处的所述单辐射元件（1)的功率贡献。
25. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，在所述波导网络（9、 10)中具有90°混合耦合器（47、48)，使得能够从线偏振信号产生圆偏振信号。
26. 根据前述权利要求的任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述单辐射元件（1) 装备有用于接收和传送圆偏振信号的偏振器（21)。
27. 根据权利要求26所述的天线系统，其特征在于，所述偏振器（21)设计成多层曲流 线偏振器，并且安装在所述单辐射元件（1)的孔的前面。
【文档编号】H01Q21/06GK104428950SQ201380035959
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年7月2日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】约尔格·欧朋兰德, 迈克尔·文策尔, 亚历山大·莫辛格, 迈克尔·塞弗里德, 克里斯托夫·霍伊斯勒, 亚历山大·弗里斯 申请人:利萨·德雷克塞迈尔有限责任公司