具有自支撑馈送器的改进的反射器天线

摘要

本发明包括对具有自支撑馈送器的反射器天线的改进。该馈送器包括一个波导管、一个介电接头和一个副反射器。该波导管连接于旋转对称反射器的中心并伸展到其聚焦区。副反射器位于该管的前面,且此副反射器的表面具有称作波纹的旋转对称凹槽。本发明的改进包括(1)环形聚焦反射器,以改善天线的增益;(2)反射器的升高的中心区,以减少回波损耗;(3)金属螺钉或圆筒,以增强副反射器与管的连接;(4)波纹或环绕边缘或反射器的其他类似结构,以减少远外旁瓣;(5)通过管中的环形波导外面的同轴波导实现双频段工作;以及(6)波纹或波纹与波导管端部之间区域的介质填充或覆盖,以避免雨水、尘土或其他不希望物质在这一区域的聚集,它们会破坏天线的性能。

说明书

发明领域

本发明是对具有自支撑馈送器(feed)的反射器天线的改进，这种类型的天线用来发射或接收电磁波，EP87903452.8号欧洲专利(公开号0268635)描述了这种天线。这种天线主要用于移动通信基站之间的无线链路系统，但也应用于诸如微波级计量系统中的其他应用中。

发明背景

采用具有自支撑馈送器的反射器天线主要是因为它们容易制造，成本低廉。与由对角支杆支撑馈送器的反射器天线相比，它们在天线辐射方向图中还提供较高的天线效率和较低的旁瓣(side lobe)。对角支杆结构的缺点是主反射器被支杆阻挡。自支撑馈送器也容易从反射器背面进入，因而当发射器和/或接收器设置在反射器的背面时经常选用自支撑馈送器。这又减少了当电磁波沿着其中一个支撑杆被引入电缆时产生的损耗。

EP87903452.8号欧洲专利(公开号0268635)描述了不同型式的具有自支撑馈送器的反射器，其中馈送器包括一个波导管、一个介电接头和一个副反射器。波导管连接于该旋转对称反射器的中心并伸展到它的聚焦区。副反射器被设置在波导管的前面，而且该副反射器的表面带有称之为波纹的旋转对称凹槽。利用这种手段阻止电磁波沿副反射器的表面传播，无论电场垂直于该表面或与该表面相切。其结果是，与其他可能的情况相比，天线辐射图有较高的方向性，较低的信息漏失和较低的远外旁瓣。

本发明涉及对EP87903452.8号欧洲专利(公开号：0268653)所描述的天线的多种改进。这些改进包括：环形聚焦反射器、升高的中心区、金属螺钉、边缘波纹、简化的波导管、双频段和馈送器保护，下面将对这些改进作清楚的描述。

环形聚焦反射器：上述参考的欧洲专利所描述的天线利用一个主反射器，它是旋转对称的并且有一个大致的抛物面形状。然而，如果改进主反射器的形状，这种天线将具有较高的增益。本发明描述怎样改进主反射器的形状。

升高的中心区：上述参考的欧洲专利不可能设计成在波导管输入处具有低反射系数的天线。其原因是来自主反射器中心的波导管周围区域的反射。在天线的改进中，这个问题是通过改进反射器的中心区来解决。

金属螺钉：上述参考的欧洲专利中，副反射器通过介电接头支撑于波导管的端部，这种介电接头部分地或全部地填充副反射器和波导管端部之间的间隙，并且粘接于副反射器和波导管端部。这种粘接在所有的应用中均不能提供足够牢固的机械支撑。在本发明中，这种粘接通过金属螺钉或金属薄园筒或金属板改进成线性极化应用，它们在副反射器和波导管端部之间提供牢固的金属连接。

边缘波纹：在上述参考的欧洲专利中，在与主瓣相对的方向上将有很大的后瓣。本发明通过环绕反射器边缘(或在该结构的后面)的一个或多个波纹或凹槽或金属化介电环来减少这些后瓣。

简化的波导管：在参考的欧洲专利的前述例子中，波导支撑管的内径在靠近离副反射器更近的波导管的端部处发生变化，且在某些情况下也需要将一个或多个膜片(irises)插入该管的这一端，以便与天线适当地匹配以获得低的反射系数。本发明对此作了改进，采用的波导管可以是一个环状圆柱形管，其截面沿长度方向不变。这一改进大大地减少了制造成本。

双频段：在上述参考的欧洲专利中，为了工作在高达20％带宽的单一频段中，该天线通过一个环形波导馈送。某些应用中对双频段工作感兴趣，例如一个频段用来发射信号，另一个频段用来接收信号。本发明描述的改进天线通过两个波导馈送：一个内环形波导和一个在其外面的同轴波导。

馈送器保护：在某些应用中，天线可能处于某些恶劣的环境中，雨水、尘土和其他不希望的物质可能聚集在波导管端部和副反射器之间的区域，因此而会破坏其性能。本发明描述了怎样对上述欧洲专利进行改进，以减少对这些影响的敏感性。

发明概述

环形聚焦反射器：

本发明用三种可能的方式，即下面表示为a，b和c的三种方法改进抛物面天线的主反射器形状：

a)利用具有抛物面主反射器的整个天线计算孔径场的相位。这个口径场是在垂直于主反射器前面的辐射轴的平面内的一个场。通过现代数值计算法对具有抛物面主反射器的整个天线的口径场的全部数字电磁分析研究这个共极的孔径场的相位，并设计成使相位为常数的最佳反射器。该反射器的形状由下述方程式确定：

其中，φ(θ)是在一个抛物面反射器内的45°平面中计算的共极孔径场相位，用度表示；F是焦距；λ是波长；r(θ)是从焦点到主反射器上该点的径向距离；而且θ是对称轴与焦点和反射器上该点的连线之间的夹角。

b)利用计算出来的馈送器辐射场的相位。馈送器的辐射场函数，即副反射器的辐射场函数，当副反射器位于波导管端部的前面时，通过现代数值计算法来确定，现代数值计算法可以包括波导管以及波导管和副反射器之间的介电接头的影响。在此计算中，主反射器并不存在，所以它比方法a中的分析简单。从副反射器辐射场的相位可以确定最佳主反射器的形状。所用方程式与方法a是相同的，但是φ(θ)是在具有波导管和介电接头的副反射器的45°平面内计算的共极辐射场的相位，用度表示。

c)利用环状聚焦反射器公式。从上面两种方法a和b得到的最佳反射器以很高的精度满足环状聚焦抛物面的公式，该公式是，其中z是在没有顶板时沿对称轴(即z轴)的轴向坐标，ρ是从z轴测量的圆柱形径向坐标，F是焦距，ρ₀是固定值，其大小为0.2和0.6个波长之间，取决于副反射器和波导管的大小以及主反射器的深度。最佳参数ρ₀可以从馈送器的辐射场函数的相位或从孔径场的相位计算出来，对于不同的频段和不同的馈送器大小其值也不同。所以，如果相同的反射器用于多个频段，则该反射器不可能在所有的频段都最佳化。当该反射器用于几个频段时，反射器最佳形状是通过如上所述的频率最优化而得到，该频率代表所有的最低和最高频率的几何平均值。因而，如果最低频率是21.2GHz，最高频率是40GHz，则主反射器最好应当优化在30.6GHz。于是，对于这个例子来说，由于相位误差孔径效率通常比在21.2GHz和39GHz上将减少0.15dB，在设计频率30.6GHz上则减少0.05dB。在抛物面反射器中在所有频段减少大约1dB。

从上面a、b或c三种方法确定的最佳反射器与标准的抛物面非常贴近，与它最大相差通常为0.25个波长。反射器深时比反射器浅时要相差大一些。深反射器用于需要低旁瓣的情况。最佳反射器比最贴近的抛物面反射器在中心处要平一些。即使这种差别很小，按照方法a、b或c优化的反射器，天线的增益通常要大0.2dB到1dB之间，其中低数值适用于浅反射器，高数值适用于深反射器。当利用自支撑馈送器而不利用由对角支杆支撑的常规主馈送器时，需要这种环状聚焦反射器。原因是前者的轴向支撑管使来自馈送器辐射的相位波前为椭球形而不是球形。

升高的中心区：

本发明还提供一种在波导输入处具有低反射系数的改进天线，低反射系数通过在其中心区改进反射器而得到。与原来的抛物面或环状聚焦形状相比，围绕支撑管的中心区被升高了。升高的中心区可按下述几种途径来实现。

它可以做成一环绕管的分离的反射(例如金属)板，或与自支撑管的管脚做成一体，或者它可以形成反射器表面本身的中心部分。当频段为7到40GHz之间、反射器直径在30cm到120cm之间时，升高区域的外部半径通常在0.8和3.5个波长之间。升高的区域可以是平的，或在无扰动的反射器上有一固定的高度。在无扰动的反射器上升高区域的最大高度通常在0.10到0.25个波长之间。反射器升高的中心区在其边缘上可以有一个明显的拐角，或可以逐渐变小为零。

通过介电板实现升高区域也是可能的，在这种情况下，该板的厚度不同于金属板的情况。介电板必须设计成为离开它表面的反射波相对于来自反射器本身的反射波提供一个相位差，这个相位差通常在70°到180°之间。

主反射器的中心升高区将增加天线的旁瓣。这种影响可以通过成形升高区的高度来减小。高斯型面产生特别低的旁瓣。它大致遵循下面的公式： $>>\Delta z>=>\Delta >>z>0>{{}^{}}^{}$

其中，Δz是对反射器的z坐标(即升高区的型面高度)的中心修正，Δz₀是中心处的最大修正量，ρ是径向坐标，如前所述，在管的半径和外部最大限度之间变化，ρ_t是一个可以具有从零到管的半径之间任何值的参数，ρ_g是升高的中心区的高斯宽度，即等于Δz减少到1/e＝0.37乘Δz₀值的这样一个宽度。高斯升高区可以用诸如金属的反射材料，或用介电材料以如上所述的相同方式制成。在高斯型面的情况下，中心处的最佳厚度大于固定厚度情况下的中心厚度。

如果反射器用于多种频段，则每种频段中升高中心区的大小将不同。因此，反射器中心区通常可以用与波导管和副反射器同样的方式进行互换。

金属螺钉：

在本发明中，副反射器与波导管端部的固定通过金属螺钉或薄金属圆筒或金属板来改进，以用于线性极化应用，这使得在副反射器与波导管端部之间具有牢固的金属连接。金属螺钉或薄金属圆筒位于天线的H形平面内对称轴的两侧，这样一来，它们不会引起场阻挡，从而使在波导管输入处的天线辐射方向图和反射系数不会受到明显的影响。螺钉、圆筒或板通过孔安装于波导管的窄端壁中。这种改进破坏了天线的旋转对称且只有在线性极化应用中才可能。

边缘波纹：

本发明通过环绕反射器边缘(或在一个结构的后面)的一个或多个波纹或凹槽或金属化的介电环来减少天线的远外旁瓣，特别是在向后方向上的旁瓣。凹槽和介电环可以经常与反射器前面的称之为天线罩的防护介质片的支撑结合在一起。

简化的波导管：

在前面参考的欧洲专利的实施例中，波导支撑管的内径在接近副反射器的端部附近发生变化，且在某些情况下还需要将一个或多个膜片插入管的这一端，所有这些都是为了适当地匹配天线以获得低反射系数。本发明描述了一种改进，即该波导管可以是沿其长度方向的截面不变的环状圆柱形管。这一改进大大地降低了制造成本。

双频段：

在本发明中，双波段工作通过将波导管设计成这样来得到，即该波导管包括两个波导：被同轴波导所环绕的内环形波导以及同轴波导。该环形波导用于较高频段，并如同所参考的专利那样支持TE11环形波导模式。同轴波导用于较低的频段，并支持TE11同轴波导模式。前者是最低级的基本模式，而后者不是，因为一个同轴线不需要去掉较低频段也可以支持TEM模式。TEM模式是不希望的，并且只需通过适当激励TE11模式或以其他方式阻止它在线路上传播。副反射器的中心、波纹、靠近副反射器的管的端部以及介电接头都设计成在两个频段具有良好的天线辐射图。有几种可能的几何形状。副反射器可以具有不同深度的波纹，以便在两个频段都如所希望的那样适当地工作。最浅的波纹在较高频段中应当为0.25到0.5个波长深，较深的波纹在较高频段中应当为0.25到0.5个波长深。

馈送器保护：

在本发明中，管的端部和波纹之间的敏感区域以及波纹本身全部或部分地由介电材料填充，以便使它们不受雨水、尘土或其他不希望的物质的影响，这些物质会破坏其性能。本发明也用于良好环境中的天线，因为与所参考的欧洲专利的标准天线相比，本改进天线的性能在其他方面不一定差。

附图简述

下面将参照附图对本发明作更详细的说明。其中：

图1和2表示两个反射器天线实例的轴向横截面。

图3表示按照所参考的欧洲专利制成的馈送器并具有按照权利要求7制成的管的一个实例的轴向横截面。

图4表示优化的环形聚焦反射器的的轴向横截面右视图，并以虚线表示标准的点聚焦反射器。

图5表示天线的主反射器中心区未升高的轴向横截面。

图6表示天线的主反射器中心具有一固定高度升高区的轴向横截面。

图7表示天线的主反射器中心具有高斯升高区的轴向横截面。

图8表示将图5、6和7绘于同一图中，比较中心区的三种不同情况。

图9表示当副反射器和管用两个金属螺钉连接时，副反射器和管的H平面的轴向横截面图和顶视图。

图10表示当副反射器和管用两个金属薄板连接时，副反射器和管的H平面的轴向横截面图和顶视图。

图11、12、13和14表示当其边缘有凹槽、波纹和金属化介电环时，主反射器外部的轴向横截面。

图15和16表示波导管的两个实例的轴向横截面图，波导管包括用于双频段工作的一个环形波导和一个同轴波导。

图17、18和19表示具有介电保护的馈送器实例的轴向横截面。

附图详述

图1和2所示的天线包括一个主反射器10。主反射器10的中间有一个自支撑的管状馈送单元(feed element)11。图1中主反射器的中心区是具有高斯形状21的升高区，图2中主反射器的中心区是具有固定高度的升高区。按照本发明，图1中主反射器用重金属制成，主反射器的边缘有三个凹槽40。其中一个槽围绕真正的边缘，另外两个槽在反射器结构的侧面。可以是每个槽的单独组合，也可以是槽与实现本发明其他实例的组合。图2中的反射器由金属薄板制成，其中外部边缘区急剧地向后弯曲形成一个凸缘，以增强该反射器。有一个通常称之为天线罩的薄介质片50，它位于反射器前面，并且用金属环51和钩(图中未示)固定于边缘。按照本发明，在金属环51和反射器凸缘之间有一个弯向环饶边缘的环41的金属化介质片。介质环的外侧被金属化，其底部和内侧可以被金属化也可以不被金属化。

图3中的馈送器有一个圆柱形管12，和一个副反射器13。管12的内表面构成一环状圆柱形波导15。该波导被设计来传播基模TE11。该波导必须具有一大于0.6个(近似)波长小于1.2个(近似)波长的直径。管12和波导15主要用导电材料制成。按照所参考的欧洲专利，在副反射器的表面上至少有一个环状波纹16。这些为空气或介质填充的波纹确保能阻止电磁波沿该表面传播，无论电场与该表面垂直还是与其相切。这一点对于实现低旁瓣是很重要的。副反射器的直径总是大于管的直径。在副反射器和波导15的端部之间有一间隙14。此间隙14部分或全部用介电材料填充。虽然这是将副反射器连接于管12上所必须的，但这也是控制辐射特性和阻抗匹配的一种手段。

可以看出，图4中的最佳环形聚焦反射器10的底部比标准抛物面反射器19的底部扁平些。这两种反射器以这样的方式相互调节，即使它们的边缘重合并且抛物面反射器的焦点位于与环形聚焦抛物面的聚焦环轴垂直的相同平面内。这使得环形聚焦抛物面的焦距比抛物面的焦距稍稍短一点，如图所示。

图5表示一中心没有升高区的主反射器10，而图6和7表示两个不同的升高区。图6中的升高区可以清楚地看作在原来的反射器形状上有固定高度的平板20。图7表示一具有高斯高度型面21的实例。该升高区不像图6中那样清楚可见，但在图8中将三个型面图绘在一起时就变得更清楚可见了。高斯型面的最大值发生在对称轴处，但由于该中心有孔，因此实际上不存在。按照本发明，图5、6和7表示升高区，但应当理解，本发明不限于这些高度型面。特别是高斯型面可以通过改变其公式中的参数ρ_t来改变。

图9表示按照本发明将副反射器13连接到管12端部的两个金属螺钉30的位置。两个螺钉位于H平面内，其中电场与螺钉垂直，以致于它们对性能的影响最小。图10表示按照本发明的两个薄连接板31。它们穿入副反射器和管端的小窄缝中，并用焊接或其他方法固定在那里。这些板也位于H平面内并且它们以这样的方式定向，即应使它们有尽可能小的方位限度，使产生的场阻挡可以忽略不计。本发明不限于图中所示的实现方式。特别是图9中其中一个螺钉可以去掉，或多个螺钉并排地位于同一个H平面内。这两块板也可以组合成一块板，这块板通过副反射器和管的中心伸展，或者是并列的多块板。

图11、12、13和14表示在反射器边缘实现所谓扼流器(choke)的4种不同方案。图11中的波纹40以及每种方案都是按照本发明设置的。图12中用介电材料制成一个围绕反射器边缘的环41实现扼流器，且环41有一个金属化的外表面42。在这种情况下扼流器是开端的，因此为了作为扼流器工作，必须在0.5和0.75个介电波长之间。图12中，介质环41甚至其底部43也有金属。它的长度应当是在0.25和0.5个介电波长之间。波纹和介质环可以利用一个支撑51组合成一个在反射器前面的天线罩50。本发明不限于图中所示的实现方案。特别是，彼此外部可以有更多的介质环，无论它们之间有或没有金属片。

图15和16表示管12包括环形波导15和同轴波导60的两种实现方式。波导之间的内环形圆筒61用导电材料(金属)制成。管的端部、内圆筒的端部以及介电接头14的形状都应使在两个波段中具有最佳辐射性能。图15中是这样实现的：内管成形为一个圆锥62，圆锥62伸展到圆周开口并将介电接头分为两部分。图16中的解决方法是包括两种不同深度的波纹16，以便在两个频段中都工作得最佳。本发明不限于图15和16所示的两种实现方式。例如图15中的解决方法可以有双重深度的波纹，而图16中的解决方法可以在接头内部具有金属元件。

图17、18和19中的馈送器不仅在管的端部和副反射器之间间隙的中心部分有介电材料，而且在直径大于管的直径的区域也有，并部分地或全部覆盖波纹16。在某些应用中波导也可以完全用介电材料填充，以便防止雨水聚集在管内。介质填充的横截面可以有任何形状，然而附图中仅仅表示了三种实例。

附图表示了本发明几种不同的设计，尽管如此，应当明白，还有许多其他可能的设计形式是在本发明的范围之内。

对工作原理的说明

该天线的工作原理已在所参考的欧洲专利中描述，这里将不再重复，但对改进之处将予以说明。

环形聚焦反射器：环形聚焦反射器以这样的方式工作，即波传播与在抛物面反射器中稍稍不同的距离，以这种方式，环形聚焦反射器对该馈送器辐射场的椭球形相位波前修正，并使孔径场的相位为常数。

升高的中心区：主反射器升高的中心区引起来自主反射器表面的反射波的小的扰动。这种扰动在升高区延展，并且具有一个正比于扰动高度(对于小高度)的振幅。当变换到某种大小的孔径时，来自该扰动的辐射与无扰动孔径场相比将具有相位相反的相同振幅。这样，它将在焦点处产生一最小的干扰。许多不同的高度型面可以做到这一点。被扰动的反射场对应于一从反射器中心区辐射的小孔径。整个孔径上的场分布与高度成正比，这意味着我们可以利用高度分布控制它。按孔径理论业已知道高斯孔径场给出特别低的旁瓣，所以用这种扰动的孔径场也能给出特别低的旁瓣。因此，高斯高度型面比固定高度型面给出更低的旁瓣。

金属螺钉：业已知道，如果电场与金属圆筒正交，则金属圆筒将引起非常小的场阻挡和散射。同样也知道，如果电场与金属板正交并从金属板平面内的一个方向入射，则金属板将引起非常小的场阻挡和散射。所以，当我们将螺钉和板如同本发明所描述的设置在H平面内时，它们对性能的影响很小。如果我们将圆筒和板不正确地设置于E平面内，则它们将彻底破坏天线的性能。

边缘波纹：波纹和凹槽经常被称之为扼流器或软表面。为了正常工作，它们的深度必须在0.25到0.5个波长之间。当它们的深度为0.25个波长，并由此在凹槽开口处把电传导短路变换到开路或等效的磁流时，会工作得最好。这个开路会阻止表面流流动，由此与表面正交的E电场不能沿着它传播。如果我们用介质填充的开口凹槽替代，则槽深必须在0.5到0.75个波长之间，以提供一个开路或在开口处的等效磁导体。这样，这些扼流器使与它们正交的方向传播的波为E零电场。这将减少围绕反射器边缘的场偏转，并由此得到较低的旁瓣。

双频段：除了在一个频段中辐射通过同轴波导激励之外，双频段天线与参考的欧洲专利描述的天线以同样的方式工作。副反射器和管的端部之间以及管的端部区域必须设计成在两个频段都能提供最佳工作。

馈送器保护：在副反射器和管的端部之间用介质填充的天线与没有介质填充的天线的工作方式一样，但它的设计更困难些，因为在介质区可能会出现不希望的谐振模式。这些模式可能破坏天线的性能，但可以通过减少介质填充区的体积或用气袋或低介电常数的材料设计来部分地或全部消除它们。