双反射器天线的副反射器

摘要

一种双反射器天线的副反射器包括：第一末端，包括凸面的内表面；第二末端，适于耦合至波导的末端；和主体，在第一末端和第二末端之间延伸。主体包括：第一电介质部分，具有伸入波导中的部分以及处于波导之外的部分；和第二金属部分，包括与副反射器的第一末端连续的第一圆柱形部分，其直径大于第一电介质部分的处于波导之外的部分；以及第二圆柱形部分，其与第一圆柱形部分相邻，通过伸入该第一电介质部分中的圆锥形部分延伸。第一圆柱形部分的特征在于扁平环形表面，其与副反射器的轴线形成小于90°的角度从而面朝主反射器。

说明书

交叉引用

本申请基于2012年1月31日提交的法国专利申请号12,50,895， 其公开内容因此通过引用全文结合于此，并且此处在35 U.S.C.§119 下要求其优先权。

技术领域

本发明涉及一种双反射器天线，尤其是通常用于移动电信网络 的微波天线。

背景技术

为了创建更为紧凑的系统而利用双反射器天线，特别是卡塞格 仑(Cassegrain)类型的双反射器天线。双反射器包括主凹面反射器， 其大多数一般是抛物面的，以及置于与主反射器相同旋转轴线上的 抛物线焦点附近的直径明显更小的次凸面反射器。包括波导的馈送 设备面向副反射器、沿天线的对称轴线进行定位。这些天线是所谓 的“深碟形”天线，其具有小于或等于0.25的低F/D比。在本报告 中，F是反射器的焦距(反射器的顶点与其焦点之间的距离)而D 则是反射器的直径。

这些天线表现出高的溢出损失并且降低了天线的前后比。外溢 损失通过RF波而导致环境污染，并且必须被限制到标准所定义的水 平。一种惯用的解决方案是将护罩接合至主反射器的外围，该护罩 具有圆柱形形状，其直径接近于主反射器的直径以及并且为适当高 度，其利用RF辐射吸收层而涂覆在内部。必须要使用昂贵的有吸收 性的护罩来消除溢出效应。

此外，对于低于23GHz的低频而言，主反射器的高直径增加了 旁瓣的水平(掩蔽效应)。

发明内容

本发明的目的是提出一种双反射器天线，其辐射模式有所改进 从而满足FCC和ETSI标准的规范。

特别地，所提出的天线表现出更小的旁瓣和高的前后比。

本发明另外的目的是消除高成本的有吸收性的护罩。

本发明的对象是一种双反射器天线的副反射器，包括：

-第一末端，包括内部的凸面表面；

-第二末端，适于与波导的末端相耦合；

-主体，在该第一末端和第二末端之间进行延伸，包括：

-第一电介质部分，具有伸入波导中的部分以及处于波导之外 的部分；和

-第二金属部分，包括：

-与副反射器的第一末端连续的第一圆柱形部分，并且其 直径大于该第一电介质部分的处于波导之外的部分；和

-第二圆柱形部分，其与该第一圆柱形部分相邻，通过伸 入该第一电介质部分的圆锥形部分延伸，

-扁平环形表面，其由该第一圆柱形部分进行支撑，与该 副反射器的轴线形成小于90°的角度从而面朝主反射器。

根据第一方面，该小于90°的角度优选地处于70°和85°之间。

根据第二方面，该扁平环形表面被设置在限定出第一圆柱形部 分的外圆柱形壁之内。

根据第三方面，该扁平环形表面被置于第一圆柱形部分和第二 圆柱形部分的接合处。

根据第四方面，该扁平环形表面与第二圆柱形部分的横截面的 平面分开而形成90°的角度。

根据第五方面，该第一电介质部分支撑至少一个环形凹槽。优 选地，该第一电介质部分包括至少两个环形凹槽。甚至更为优选地， 第一电介质部分的处于该波导之外的部分包括至少一个环形凹槽。

根据第六方面，该第二金属部分的每个圆柱形部分包括至少一 个环形凹槽。优选地，该第二金属部分的每个圆柱形部分包括至少 两个环形凹槽。

根据一个实施例，该环形凹槽具有处于λ/5和λ/4之间的深度， 其中λ是天线的工作频带的中心频率的波长。

根据另一个实施例，该环形凹槽具有远小于λ的宽度，其中λ 是天线的工作频带的中心频率的波长。

根据又另一个实施例，该环形凹槽具有底部扁平的U型外形。

根据第七方面，第一电介质部分的处于该波导之外的部分具有 小于或等于2λ的直径，其中λ是天线的工作频带的中心频率的波长。

根据第八方面，属于该第一电介质部分的处于波导之外的部分 具有处于天线的工作频带的中心频率的波长λ的量级的长度。

根据第九方面，该第二金属部分由固态金属制成。

主要思想是从两个部分来构建副反射器以便促进设计并降低电 介质材料部分的成本。由例如塑料材料(诸如“Rexolite”)的电介 质材料所制成的部分的大小很小并且具有特殊外形。该电介质部分 将辐射波导和金属的副反射器相连接。该电介质部分的设计是本发 明的主要方面，因为其不仅是副反射器的一部分，而且为电介质部 分的边缘增加一些凹槽，在相当大地改进了天线的辐射模式。

本发明的一个优势是提供了一种具有高性能的紧凑的非遮蔽的 天线。此外，该天线具有低成本的馈送设备，特别是对于低频而言。 这是因为馈送设备的尺寸与波长成比例。这些设备的体积在低频更 大程度地增大。特别地，正常情况下由电介质材料所制成的副反射 器的直径大，这导致天线是昂贵的。在本解决方案中，虽然仍然取 决于波长，但是电介质部分具有更小的体积，从而较为廉价。由固 态金属制成的部分为铝，这是远比电介质材料廉价的材料。

本发明应用于供微波链路使用的天线，其具有包括天线的所有 活动电子元件并且用于形成无线电链路的无线电盒(radio-box)。

附图说明

本发明的其它特征和优势将通过阅读对一个实施例的以下描述 而变得清楚，该实施例本质上通过非限制性示例所给出，并且在附 图中给出，其中：

图1示意性图示了已知双反射器天线的横截面；

图2图示了副反射器的一个实施例的横截面；

图3图示了副反射器的一个实施例的后方侧视图；

图4图示了图2和3的副反射器的一部分的详细视图。

图5图示了处于15GHz频带中的主反射器的辐射模式，其取决 于与抛物线的轴线相比较而进行测量的反射角度；

图6图示了天线的水平面中处于15GHz频带中的辐射模式，其 取决于传输/接收角度；

图7图示了取决于频率的处于15GHz频带中的反射损失。

这些图中的每幅图中的相同的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1图示了已知类型的天线1，其具有深碟形反射器和低焦距， 其包括主反射器2和副反射器3。天线1由波导4进行馈送，波导4 可以为例如由铝制成的中空金属管。反射器2、3被雷达天线罩5进 行保护。副反射器3包括具有与波导4形成接合的较低半径的第一 末端6，以及一个大半径的开放式末端7，其中反射RF信号的凸面 内表面8与连接两个端部6、7的外表面9相接。副反射器3的外表 面9是朝向主反射器2的表面。内表面8和外表面9是绕单个旋转 轴线旋转的表面。电介质主体10在第一和第二端部6、7之间延伸， 受到内表面8和外表面9所限制。电介质主体10的材料的部分11 进行延伸而伸入波导4，以便确保波导4和副反射器3之间的机械稳 定性和无线电转换。

波导4在副反射器3的方向上发射入射辐射，其被朝向主反射 器2进行反射，形成朝向接收器的主波束12。然而，入射辐射的一 部分在发散的方向上被发送回来并且导致外溢损失13。另一部分辐 射被主反射器2所反射，但是该反射的辐射被副反射器3所掩蔽， 反射器3将其发送回主反射器2。其随后被主反射器2进行反射并且 在发散的方向上被发送回来，导致由于掩蔽效应14的损失。

在图2和3所描绘的实施例中，副反射器20包括第一末端21 和适于将其耦合至波导23的末端的第二末端22。凸面内表面24被 构建至具有旋转轴线的第一末端21中，该旋转轴线为反射器20的 轴线X-X'。主体25在第一末端21和第二末端22之间延伸。主体 25由两部分组成：由电介质材料制成的第一部分26，其至少部分被 插入波导23并且在副反射器20和波导23之间提供链路；以及第二 金属部分27，其延伸第一电介质部分26，具有反射表面28。

形状大致为圆锥形的第一电介质部分26具有更大的直径D，其 小于第二金属部分27的直径。由于与现有技术的已知解决方案相比， 第一电介质部分26具有较小的体积(在这种情况下少了大约25％)， 所以实现了电介质材料的成本的显著下降。所使用的电介质材料为 “Rexolite”，该选择是因为其低的、稳定的电介质常数，但是其成 本很高。第一电介质部分26处于波导23之内的部分29为常规设计， 并且可能改善波导23内的导引模式和波导23之外的信号之间的信 号转换。第一电介质部分26的处于波导23之外的部分30具有2λ 的最大直径D，因此λ是天线的操作波段的中心频率的波长，以及 约为λ的长度L。第一电介质部分26的部分30的外表面总体上为圆 锥形，包括三个凹槽31，以便通过辐射模式实现改善的返回损失和 更好的性能。

第一电介质部分26作为圆锥体基部的与波导23相对的末端被 附着于副反射器20的第二金属部分27。第二部分27由例如铝的固 态金属组成。第一电介质部分26的与波导23相对的表面32a与副 反射器20的反射表面28的部分32b相接触，并且其为相同形状。 副反射器20的反射表面28的部分32a的外形已经通过多项式等式 进行了优化。副反射器20的反射表面28的作用是以最小的外溢损 失将来自波导23的所有功率都聚焦到主反射器上。

副反射器20的第二金属部分27具有包括两个相邻圆柱形部分 33和34的形状，所述两个相邻圆柱形部分33和34终止于伸入第一 电介质部分26中的圆锥形部分35。在与副反射器20的第一末端21 连续的直径更大的第一圆柱形部分33中，至少一个凹槽36已经被 构建至圆柱形表面之中。在直径较小的第二圆柱体部分34中，至少 一个凹槽37已经被构建至圆柱形表面之中。在此情形中，圆柱形部 分36、37中的每一个的特征在于两个凹槽36、37，它们具有扁平底 部的U型外形和以反射器20的X-X'轴线为中心的环形形式。凹槽 36、37的深度P处于λ/5和λ/4之间，并且其宽度与天线的工作频带 的中心频率的波长λ相比非常小。

较小直径的第一圆柱体部分33在其与较小直径的第二圆柱体部 分34的接合处附近，特征在于面向主反射器的扁平环形表面38。如 在图4中更详细示出的，扁平环形38设置在限制第一圆柱形部分33 的外圆柱形壁之内。扁平环形38具有与副反射器20的X-X'轴线形 成角度β的扁平表面，它们分开90°。该角度β优选地小于90°，并 且优选地处于70°和85°之间。扁平环形38还形成与第二圆柱形部分 34的横截面的平面分开90°的角度。该角度被计算而使得朝向抛物 面的主反射器40的中心39反射信号。朝向主反射器进行转动的扁 平环形38的存在对于防止辐射被指向抛物面边缘由此导致外溢损失 13而言是必要的。在主反射器40的中心，也可能具有吸收性的材料 以便捕捉该部分不期望出现的辐射，或者具有在几何上适于对于该 不期望出现的辐射进行限制的器件，或者可以被置于能够将不期望 出现的辐射快速发送回主辐射波束之中的地方的器件。

如图5所示的天线主反射器的辐射模式中所示出的，所描述的 形状及其尺寸使得可能实现非常高水平的无线电性能。在图5中的 图形50上，15GHz频带内以dB为单位的辐射强度I在y轴上给出， 并且以度数为单位的反射角度θ在x轴上给出。反射角度θ相对于 抛物面的轴线(θ＝0°)进行测量。数值-θ和+θ限定了任一侧上的外 溢损失区51，以及在那两个数值之间的、中心处于抛物面的主反射 器的轴线上的掩蔽效应区52。外溢损失区域42对应于100°以上的 反射角度。在此情形中，观察到那些溢出损失很低，在主反射器53 的边缘处于-12dB的量级。

由曲线50所描绘的主反射器的辐射模式是突出的：仅对副反射 器的表面进行了阐述，其在相当程度上减少了外溢损失51，并且主 反射器中心的低场数值使得可能减少掩蔽效应52。掩蔽效应在波被 相对主反射器反射之后返回到副反射器时出现(见图1)。最终结果 是高增益、旁瓣的低强度以及天线边缘上的低场水平。最后这一点 使得有可能在无需具有吸收性护罩的情况下获得符合ETSI的类别3 规范的天线，以及低的返回损失数值。结果，天线成本更低且更为 紧凑。

在图6中，图形60描绘了主反射器在水平平面中的辐射模式。 辐射R在15GHz频带内以dB为单位的强度I在y轴中给出，并且 以度数为单位的传输/接收角度α在x轴中给出。参考图形61表示标 准外形(ETSI)而区域62则对应于旁瓣。辐射模式的数值保持在 ETSI的类别3规范所允许的最大数值之内。

图7图示了副反射器在15GHz频带中基于所传送或接收的波的 频率的返回损失。以dB为单位的参数S的强度在y轴中给出，而以 GHz为单位的频率ν则在x轴中给出。在曲线70的大部分上观察到 低于-35dB的返回损失。因此在频带的大部分上观察到低的返回损失 数值。

当然，本发明并不局限于所描述的实施例，而是相反地能够进 行本领域技术人员在不背离本发明的精神的前期下可得到的许多变 化形式。特别地，可能使用这里所描述以外的其它材料来构造副反 射器的金属和电介质部分。