專利名稱：多波束反射面碟型天線及其成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碟型天線(antenna dish)，特別是涉及一種多波束反射面碟型天線及其成型方法。
一般而言，由于直播衛(wèi)星(direct broadcast satellite；DBS)是一種單對(duì)多點(diǎn)(point to multi-point)的系統(tǒng)。因此對(duì)在地面的接收戶來說，僅需使用小型的接收天線、調(diào)諧裝置(tuner device)與個(gè)別的家用設(shè)備，即可直接接收同步衛(wèi)星所發(fā)射的訊號(hào)。整個(gè)衛(wèi)星傳訊的過程，如

圖1所示，通過操作上向鏈(up-link)碟型天線(發(fā)射天線)10，可將包括數(shù)位聲訊(audio)與視訊(video)訊號(hào)的節(jié)目信號(hào)，精確的傳送至運(yùn)行于同步軌道上所選定的衛(wèi)星15。接著，再通過衛(wèi)星15所發(fā)射的下向鏈(down-link)信號(hào)，個(gè)別的用戶即可以碟型天線20來接收衛(wèi)星信號(hào)，并通過衛(wèi)星電視接收機(jī)25的面板控制，而選擇任意的衛(wèi)星頻道，以進(jìn)行分離式視訊及立體聲訊處理，再經(jīng)過電視機(jī)30撥放而提供給用戶觀賞。
接著，參閱圖2，該圖顯示了碟型接收天線40上，用來精確接收衛(wèi)星信號(hào)的各式元件。其中，該接收天線40包含一個(gè)收集衛(wèi)星訊號(hào)并將之聚集于焦點(diǎn)的拋物面反射面(parabolic reflector)42。并且，在拋物面反射面42的焦點(diǎn)上，裝設(shè)了一整合饋入的低雜訊放大器模組(low noise block with integrated feed，LNBF)44，以便將入射的射頻(RF)訊號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率較低的中頻(IF，intermediate frequency)頻帶，并將之傳送至調(diào)諧裝置。如此一來，與拋物面反射面42的主軸平行而來的波束，在經(jīng)此反射面的反射后，會(huì)聚于LNBF模組44所在的焦點(diǎn)上。要特別說明的是，LNBF模組44本身包括位于前端用以接收微波訊號(hào)的導(dǎo)波管天線(waveguide antenna)46，以及位于后端用以處理訊號(hào)的電路系統(tǒng)48。并且，LNBF模組44除了可產(chǎn)生過濾雜訊的濾波效果外，還可將拋物面反射面42所收集的信號(hào)放大至可處理的倍數(shù)。
值得注意的是，在圖2中所顯示的習(xí)知碟型接收天線40通常使用最廣泛的圓形拋物面天線。因此，其盤面的曲面以圓形的拋物面方程式x2＋y2＝4fz表示。其中，f代表此圓形盤面的焦距。如此，只需將所搭配的LNBF模組44，置于其唯一的焦點(diǎn)上，并使拋物面反射面42對(duì)準(zhǔn)要接收的衛(wèi)星訊號(hào)，即可進(jìn)行信號(hào)的接收與解調(diào)。并且，因?yàn)閳A形盤面在焦點(diǎn)的聚焦能力相當(dāng)強(qiáng)，因此位于焦點(diǎn)的LNBF模組44將可接收到C/N(signal to noise ratio)比值極高的訊號(hào)，而大幅提高收訊效果。換言之，在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，正是通過圓形盤面的強(qiáng)聚焦能力，而達(dá)到提高增益(gain)，且降低過溢散失(spill-over loss)的目的，并由此提高接收信號(hào)的質(zhì)量。
但相對(duì)的，由于圓形盤面的聚焦能力相當(dāng)強(qiáng)，所以偏焦波束的增益將大大不如平行中心軸而來的波束。并且，若考慮過溢散失的值，偏焦的波束也相當(dāng)不足。如此一來，當(dāng)LNBF模組44被置于焦平面上非焦點(diǎn)的位置時(shí)，所接收訊號(hào)的C/N值將明顯的低于焦點(diǎn)上的C/N值。換言之，當(dāng)使用圓形盤面的碟型天線時(shí)，將只能有效的接收某一特定衛(wèi)星的訊號(hào)，而無法同時(shí)兼顧其它衛(wèi)星所傳送的訊號(hào)。因此，當(dāng)要使用同一碟型天線來接收另一顆衛(wèi)星訊號(hào)時(shí)，需要重新調(diào)整拋物面反射面42的方位與仰角，以使圓盤反射面42的主軸與另一衛(wèi)星的訊號(hào)波束平行而將訊號(hào)波束聚焦于LNBF模組44。此外，也可裝置多個(gè)碟型天線，分別接收不同衛(wèi)星的訊號(hào)。但如此一來，便需花費(fèi)較多的經(jīng)費(fèi)與空間，來架設(shè)多組碟型天線。
尤其是，隨著通信衛(wèi)星系統(tǒng)快速的進(jìn)步與發(fā)展，使得用來傳送各式節(jié)目的通信衛(wèi)星數(shù)量持續(xù)增加。因此，對(duì)于用戶而言，若能使用同一個(gè)碟形天線，而同時(shí)接收數(shù)個(gè)衛(wèi)星放送的節(jié)目，除了可節(jié)省制作成本及擺設(shè)空間外，還可提供相當(dāng)?shù)谋憷c實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種可同時(shí)接收特定角度范圍內(nèi)不同衛(wèi)星訊號(hào)的多波束反射面碟型天線。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種以一個(gè)反射面搭配數(shù)個(gè)LNBF模組，而同時(shí)接收數(shù)個(gè)不同衛(wèi)星訊號(hào)的碟型天線。
本發(fā)明的再一目的是提供一種具有超橢圓(super elliptical)反射面的碟型天線及其成型方法，通過最小碟面的截面積而有效提高非焦點(diǎn)接收處的增益與降低非焦點(diǎn)接收的過溢散失。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多波束反射面碟型天線，該碟型天線包含至少二次方曲面成形的反射面，該反射面在最小面積下同時(shí)接收一定角度內(nèi)多數(shù)顆衛(wèi)星傳送的訊號(hào)，且分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的多數(shù)個(gè)聚焦波束，所述聚焦波束具有近似的輻射波形，且該聚焦波束特性符合衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求；及多數(shù)組LNBF模組，分別放置于該反射面的該焦平面上的一定位置以接收前述多數(shù)道聚焦波束。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于前述至少二次方曲面成形的反射面是由一拋物面上進(jìn)行邊界切割形成，且該拋物面具有焦距f并滿足方程式x2＋y2＝4fz。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述反射面的切割邊緣輪廓滿足方程式[x/A]n＋[(y－B)/B]n＝1，其中A為該至少二次方曲面對(duì)z軸的映射水平半徑、B為該至少二次方曲面對(duì)z軸的映射垂直半徑，n的值介于2至3之間。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于當(dāng)n＝2時(shí)，該反射面的切割邊緣輪廓為正橢圓形。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于當(dāng)n＞2時(shí)，該反射面的切割邊緣輪廓為超橢圓形。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述的多數(shù)個(gè)LNBF模組，是分別以碟面中心2.6寸范圍內(nèi)排列成一直線而置于該拋物面的焦平面上，而該LNBF模組具有的仰角范圍為35.73度至43.2度間，且該反射面的焦距為12寸。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求為各個(gè)聚焦波束具有的增益大于34.0dB、旁波瓣值低于-25dB，且彼此間的增益差值小于3％。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于在對(duì)z軸映射的水平半徑A為11.25寸且對(duì)z軸映射的垂直半徑B為8.57寸的面積要求下，該方程式中n值為2.1所形成的超橢圓反射面，是滿足所述衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述碟型天線同時(shí)接收在經(jīng)度18度范圍內(nèi)的三顆衛(wèi)星的訊號(hào)。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述至少二次方曲面成形的反射面，是由邊界切割后的部份該拋物面進(jìn)行曲面形變程序后所形成。
所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述曲面形變程序，是使用廣義繞射合成法來進(jìn)行。
本發(fā)明還提供了一種具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，該碟型天線是用于接收至少三顆衛(wèi)星的訊號(hào)并在最小面積下同時(shí)接收一定角度內(nèi)該衛(wèi)星傳送的訊號(hào)使該碟型天線分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的多數(shù)個(gè)聚焦波束，且所述聚焦波束的特性符合衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求，其包括下列步驟(1)設(shè)定預(yù)設(shè)輻射波形的要求；(2)反射面形狀的初始設(shè)定；(3)進(jìn)行輻射波形的分析處理；(4)檢查是否符合波形要求；及(5)若不符合波形要求則調(diào)整反射面的參數(shù)并重復(fù)進(jìn)行該步驟(4)。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于所述超橢圓的反射面是由一拋物面上進(jìn)行邊界切割形成，且該拋物面具有焦距f并滿足方程式x2＋y2＝4fz。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于該反射面的切割邊緣輪廓滿足方程式[x/A]n＋[(y－B)/B]n＝1，其中A為該至少二次方曲面對(duì)z軸映射的水平半徑、B為該至少二次方曲面對(duì)z軸映射的垂直半徑，該n值是介于2至3之間。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于步驟(1)輻射波形的要求為各個(gè)聚焦波束的增益大于34.0dB、旁波瓣值低于-25dB、且彼此間的增益差值小于3％。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于步驟(2)反射面形狀的初始設(shè)定為多數(shù)個(gè)LNBF模組分別以碟面中心2.6寸范圍內(nèi)排列成一直線置于該拋物面的焦平面上，而該LNBF模組具有的仰角范圍為35.73度至43.2度之間且反射面的焦距為12寸。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于在對(duì)z軸映射的水平半徑A為11.25寸且對(duì)z軸映射的垂直半徑B為8.57寸的面積要求下，該方程式的n值為2.1。
所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于所述碟型天線是同時(shí)接收在經(jīng)度18度范圍內(nèi)的三顆衛(wèi)星的訊號(hào)。
采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明提供了一種多波束反射面碟型天線及其成型方法。其中，此碟型天線包括了一個(gè)至少二次方曲面成形的反射面與多數(shù)組LNBF模組。并且，該反射面是通過在拋物面上進(jìn)行邊界切割，再以廣義繞射合成(GDS)法進(jìn)行曲面形變而形成。在形變的程序中，加入了設(shè)定的輻射波形、增益、旁波瓣值做為要求條件，并以遞回程序反覆進(jìn)行運(yùn)算，而使所得到的反射面，可同時(shí)將不同衛(wèi)星訊號(hào)，以同樣輻射波形、同樣大小的增益聚焦于LNBF模組上。因此，可隨著需要(要接收訊號(hào)的衛(wèi)星數(shù)目或其角度)而設(shè)計(jì)出可同時(shí)接收數(shù)個(gè)衛(wèi)星訊號(hào)的碟型天線。如此一來，由于僅需使用一個(gè)超橢圓(n＞2)或橢圓(n＝2)等至少二次方曲面成形的反射面，與位于前方搭配的數(shù)個(gè)LNBF模組相連接，便可有效的接收衛(wèi)星訊號(hào)。因此可大幅度降低進(jìn)行衛(wèi)星收訊時(shí)的花費(fèi)。
此外，在使用合成法對(duì)拋物面進(jìn)行曲面形變，而制作反射面時(shí)，可根據(jù)所設(shè)的不同條件，而產(chǎn)生不同的收訊效果，并滿足所要求的訊號(hào)接收規(guī)格。特別是在本發(fā)明中，還可通過對(duì)拋物面進(jìn)行超橢圓形的邊界切割，而實(shí)現(xiàn)在不增大切割面積的前提下，提高整體C/N值。
下面，結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1為衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖，顯示目前使用上向鏈碟型天線傳送訊號(hào)至同步衛(wèi)星及使用下向鏈碟型天線接收衛(wèi)星訊號(hào)的情形。
圖2為圓盤式碟型天線的側(cè)視圖，顯示目前廣泛使用的具有圓盤反射面的碟型天線。
圖3為本發(fā)明中多波束反射面碟型天線的側(cè)視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的具有超橢圓反射面的碟型天線。
圖4為超橢圓的示意圖，顯示超橢圓形與橢圓形的差異；圖5為碟型天線的側(cè)視圖，顯示根據(jù)本發(fā)明對(duì)拋物面進(jìn)行切割程序，以定義出超橢圓的切割邊界。
圖6為反射面形變流程圖，顯示根據(jù)本發(fā)明以廣義繞射合成法對(duì)切割邊界內(nèi)的超橢圓反射面進(jìn)行曲面變形的程序。
本發(fā)明提供一種可同時(shí)接收數(shù)個(gè)衛(wèi)星訊號(hào)的多波束反射面碟型天線。其中，通過在拋物面上切割至少二次方曲面的反射面，并以廣義繞射合成法進(jìn)行反射面的變形分析，將可通過反覆進(jìn)行的遞回程序(iteration)，而使反射面的形變(distortion)滿足所設(shè)定的輻射波形(radiation pattern)、增益(gain)、旁波瓣值(sidelobe level)等等條件，而達(dá)到同時(shí)接收數(shù)個(gè)衛(wèi)星的目的。
參閱圖3，該圖顯示了根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的，可同時(shí)接收數(shù)顆衛(wèi)星訊號(hào)的多波束反射面碟型天線50。該碟型天線包括了至少二次方曲面成形的反射面52、與裝設(shè)于其前方焦平面上的多數(shù)個(gè)LNBF模組54a～54c。要特別說明的是，為了更有效的提高碟型天線在接收衛(wèi)星訊號(hào)時(shí)的效率，在本發(fā)明的實(shí)施例中，是使用超橢圓形狀的反射面來加強(qiáng)訊號(hào)增益與C/N(signal to noise ratio)值。先參照?qǐng)D4，此圖顯示了超橢圓形與橢圓形的差別。其中，橢圓形線56滿足方程式[x/11.25]n＋[(y－8.75)/8.75]n＝1，且n＝2。當(dāng)n＞2時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生上述的超橢圓形。例如，圖中的超橢圓線58即是將上面方程式中取n＝3所得到的結(jié)果。
接著，參照?qǐng)D3，其中，該反射面52用以反射不同衛(wèi)星所傳送的訊號(hào)波束，并且可在焦平面上分別產(chǎn)生各自的聚焦波束，再通過三個(gè)LNBF模組54a～54c，而分別接收不同的三道聚焦波束。其中，LNBF模組54b置于點(diǎn)(0，0，f)處，與該反射面52下緣距離為f，且與x－z平面間具有夾角θ1；而LNBF模組54a則置于54b左側(cè)點(diǎn)(-d，0，f)的位置，且具有夾角θ2；同理，LNBF模組54c則置于54b右側(cè)點(diǎn)(d，0，f)的位置，且具有夾角θ3。在較佳實(shí)施例中，此三個(gè)LNBF模組，是分別以碟面中心2.6寸范圍內(nèi)排列成一直線，而置于該拋物面的焦平面上，且θ1～θ3等仰角范圍約為35.73度至43.2度間，而上述焦距f約為12寸。值得注意的是，由實(shí)驗(yàn)測試可知，具有超橢圓形狀的反射面52所產(chǎn)生的各個(gè)聚焦波束間，均具有相同的輻射波形，且其增益均大于34.0dB，而旁波瓣值均低于-25dB。同時(shí)，各個(gè)聚焦波束彼此間的增益差值小于3％。換言之，對(duì)每一道訊號(hào)波束而言，具有超橢圓形狀的反射面52均可使其有效的聚焦于對(duì)應(yīng)的LNBF模組。
如上所述為了使該反射面52，可將不同衛(wèi)星的訊號(hào)有效的聚焦，該具有超橢圓形狀的反射面52是一個(gè)由拋物面變形而成的曲面所構(gòu)成。至于其外形邊界的形狀，則是以超橢圓形狀加以切割而成。因此，如圖5所示，在制作反射面52時(shí)，首先可在z＝f的平面上，定義其切割邊界61。其中，此切割邊界61在映射至曲面62后，會(huì)產(chǎn)生一超橢圓形60。此超橢圓形60也滿足下列方程式[x/A]n＋[(y－B)/B]n＝1，其中，A為切割邊界61的水平半徑，B為切割邊界61的垂直半徑，而n則作為超橢圓控制參數(shù)，可改變切割邊界61的形狀。至于H則為此超橢圓形60的中心點(diǎn)與拋物面62中心軸(圖中的Z軸)的距離。并且，由于切割邊界61的中心點(diǎn)座標(biāo)為(0，H，f)且位于y軸上，因此切割邊界61的垂直半徑B，將與距離H相等。在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，所設(shè)計(jì)的超橢圓反射面52其對(duì)應(yīng)的切割邊界61，具有水平半徑A＝11.25寸、垂直半徑約B＝H＝8.57寸、而n＝2.1，且焦距f＝12寸。
另外，為了使超橢圓反射面52可有效的將數(shù)道衛(wèi)星訊號(hào)，精確的反射并聚焦，而產(chǎn)生增益值相當(dāng)?shù)木劢共ㄊ易尭鞑ㄊg的C/N值與旁波瓣值，均控制在同一水平。在制作反射面52時(shí)，可采用廣義繞射合成(generalized diffraction synthesis)法，以便對(duì)切割邊界61的反射面進(jìn)行曲面形變。此種合成法主要是利用物理光學(xué)(physicaloptics，PO)，對(duì)所切割的面積(如上述的切割邊界)進(jìn)行基底展開(basisexpansion)，再利用積分方程式求出每個(gè)基底的系數(shù)值。并且，可根據(jù)所得到的系數(shù)值，推導(dǎo)出所對(duì)應(yīng)的輻射場型、波峰(peak)角度、增益、與旁波瓣值等等。接著，再比較上述諸值是否符合條件值的要求，以決定遞回程序(iteration procedure)是否達(dá)成。如果不符合要求時(shí)，則可根據(jù)所得到的初步結(jié)果，重設(shè)條件值，并重新進(jìn)行上述合成法，直到所得結(jié)果符合需求為止。此外，也可用反覆計(jì)算的次數(shù)作為結(jié)束遞回程序時(shí)的考慮。例如，可在計(jì)算次數(shù)超過1000次后，停止其合成狀態(tài)。
參照?qǐng)D6，此圖顯示本發(fā)明中使用廣義繞射合成法設(shè)計(jì)超橢圓反射面52的主要流程。其中，步驟70首先處理預(yù)設(shè)輻射波形的要求，而步驟72則繼續(xù)進(jìn)行反射面形狀的初始設(shè)定。一般而言，用來預(yù)設(shè)輻射波形的條件值是視需要的條件而決定。例如，當(dāng)要針對(duì)位于西經(jīng)101度、110度、與119度(經(jīng)度范圍18度內(nèi))的三顆衛(wèi)星進(jìn)行同時(shí)接收其訊號(hào)時(shí)，設(shè)定波峰間隔(peak spacing)為10度左右。因此預(yù)設(shè)輻射波形的要求可設(shè)定三個(gè)波峰的位置分別為0度、10度與-10度。接著，再通過設(shè)定各個(gè)角度的增益值，即可概略的決定輻射波形。
另外，也可根據(jù)所要的規(guī)格來加以設(shè)定。例如，當(dāng)需求條件為各波束增益超過34dB，且旁波瓣值低于-25dB時(shí)，也可將要對(duì)應(yīng)的角度代入作為限制條件。此外，如美國FCC(federal communicationcommission)對(duì)波束輻射場型的要求，即當(dāng)|θ_θ_peak|＞4時(shí)，輻射場型P(θ)＜29-25*log(|θ-θ_peak|)，也可作為要求條件。其中，θ為與z軸的夾角，而θ_peak則為波束在波峰時(shí)的θ值。
除了考慮與反射面輻射波形有關(guān)的限制條件外，其它進(jìn)行接收衛(wèi)星訊號(hào)的元件，也可同時(shí)加以考慮。例如，量取LNBF模組上導(dǎo)波管中心軸與所在位置的夾角θ，取余弦函數(shù)作為預(yù)設(shè)的輻射波形，并作為初始要求條件。例如，在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，是使用[cos(θ)]5.3來作為LNBF模組的饋入場型(feed pattern)。
接著，如同前述步驟72，進(jìn)行設(shè)定反射面的形狀處理。在本發(fā)明實(shí)施例中的反射面雖是以超橢圓形進(jìn)行邊界切割以提高增益值，但在實(shí)際應(yīng)用上則可根據(jù)客戶需求，而采用圓形、橢圓形、或超橢圓形邊界來進(jìn)行切割。隨后，可根據(jù)前述廣義繞射合成法，進(jìn)行步驟74的輻射波形分析處理。一般而言，在進(jìn)行基底展開時(shí)，可以得到球面展開式(global surface expansion)為Zm＝∑∑[Cnm*cos(nψ)＋Dnm*cos(nψ)]*Fnm(t)。其中兩個(gè)∑分別代表對(duì)n與m進(jìn)行加總的程序，而Zm則為此點(diǎn)于Z軸上的位置。并且，由于在圖4中，是在拋物面62上進(jìn)行超橢圓形狀的邊界切割，因此，可根據(jù)拋物面方程式而得到一組起始的輸入基底系數(shù)Cnm與Dnm。
此外，由于切割邊界61為一超橢圓形，也可根據(jù)所要制作的超橢圓反射面52，來設(shè)定條件值。例如，可將圖4中切割邊界61的水平半徑A、垂直半徑B、焦距f、中心點(diǎn)離z軸的距離H等數(shù)值均代入作為條件設(shè)定。例如，由于美國衛(wèi)星接收天線的F/D值(focallength to diameter length ratio)約在0.6以下，在決定反射面形狀為超橢圓形后，即可設(shè)定水平半徑A＝11.25寸、垂直半徑B＝H＝8.57寸與焦距f＝12寸。接著，可根據(jù)上述起始基底系數(shù)、所設(shè)定條件值與輻射波形的要求，求出一組輸出基底系數(shù)。
之后，進(jìn)行步驟76，根據(jù)所得到的輸出基底系數(shù)、對(duì)應(yīng)的輻射波型等數(shù)值，檢查是否符合波形要求。若符合要求則步驟78停止合成法演算。若不符合要求時(shí)，則進(jìn)行步驟80調(diào)整反射面，并重復(fù)執(zhí)行步驟74的輻射波形分析處理，直到波形符合要求為止。一般而言，可通過調(diào)整碟面對(duì)稱的系數(shù)，而使對(duì)應(yīng)的輻射波型符合要求。否則，便以未對(duì)稱前所得輸出基底系數(shù)取代起始的輸入基底系數(shù)，再重新進(jìn)行輻射波形分析74。其中，除了可以輸出基底系數(shù)取代起始的輸入基底系數(shù)外，還可重新設(shè)定條件值，以便重新進(jìn)行輻射波形分析。要特別說明的是，在進(jìn)行合成法的過程中，可采用steepest decentmethod(SDM)的演算法來加速收斂速度。
如同上述，在本發(fā)明所提供的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，可針對(duì)位于西經(jīng)101度、110度、與119度等經(jīng)度范圍在18度內(nèi)的三顆衛(wèi)星，設(shè)計(jì)同時(shí)接收其訊號(hào)的反射面碟型天線。其中，根據(jù)地面與衛(wèi)星的系統(tǒng)分析，可設(shè)定波峰間隔(peak spacing)的要求約為10度。實(shí)際上，在應(yīng)用此碟型天線于美國境內(nèi)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)榻邮瘴恢玫牟煌?，而使波峰間隔分布于9.62度至10.36度。并且，由于反射面是由圖4中的拋物面62上進(jìn)行切割而得，因此可根據(jù)拋物面方程式而得到起始的基底系數(shù)。其中，當(dāng)m＝n＝6時(shí)，可得到C00＝-6.666739、C01＝-0.4252744、D10＝1.530102、C20＝0.2258872，至于其它的Cnm值與Dnm值則設(shè)為0，另外，根據(jù)已知經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定三個(gè)LNBF模組54a～c與x-z平面的仰角θ1、θ2、θ3均為37.63度。同時(shí)將三個(gè)LNBF模組，如圖3所示，分別置放于(-2.47寸，0，f)、(0，0，f)與(2.47寸，0，f)的位置上。也即，將此三個(gè)LNBF模組54a～c放置于拋物面62的焦平面上，而對(duì)位于中間的LNBF模組54b而言，其正好位于拋物面的焦點(diǎn)上。
然后，設(shè)定輻射場型的條件為中央波束(center beam)于0度為28.5dB，在-5.5度與5.5度為0dB；同理，左邊波束(left beam)于-10.05度為33.5dB，在-4.8度與-15.7度為0dB；右邊波束(rightbeam)于10.05度為33.5dB，在4.8度與15.7度為0dB。接著，進(jìn)行遞回程序，反覆做約1000次的運(yùn)算，可得到初步結(jié)果。中央波束增益約為34.54217dB、波峰角度為0度、旁波瓣值為-24.69dB；而左邊波束增益約為34.19574dB、波峰角度為-9.9度、旁波瓣值為-23.59dB；右邊波束增益約為34.19833dB、波峰角度為9.9度、旁波瓣值為-23.46dB。
由所得到的結(jié)果，可知三個(gè)波束的旁波瓣值并不理想，需要在一些角度上，將輻射場型值再壓低。因此，可針對(duì)前一步驟初步結(jié)果中，各個(gè)波峰的角度與強(qiáng)度值，重新設(shè)定下個(gè)步驟的條件。并針對(duì)要壓低的場型其角度，設(shè)其輻射強(qiáng)度為0。至于單一波束的條件設(shè)定數(shù)目也增加為5個(gè)。如此，可重新設(shè)定輻射場型的條件為中央波束于0度約為34.54217dB，在-5度、-6度、5度與6度則為0dB；同理，左邊波束于-9.9度約為34.19574dB，在-5度、-16度、-16.5度與-17度為0dB；右邊波束于9.9度為34.19833dB，在5度、16、16.5度與17度為0dB。接著，進(jìn)行反覆約1000次的運(yùn)算，可得到結(jié)果為中央波束增益34.54937dB、波峰角度為0度、旁波瓣值為-26.37dB；而左邊波束增益為34.18287dB、波峰角度為-9.9度、旁波瓣值為-24.75dB；右邊波束增益約為34.19072dB、波峰角度為9.9度、旁波瓣值為-24.48dB。
同樣的，由于兩旁波束的旁波瓣值不夠理想，因此可在一些角度上，再將輻射場型值壓低。重新設(shè)定輻射場型的條件為中央波束于0度為34.54937dB，在-5度、-6度、5度與6度則為0dB；同理，左邊波束于-9.9度約為34.18287dB，在-15度、-16度、-16.5度與-17度為0dB；右邊波束于9.9度為34.19072dB，在15度、16、16.5度與17度為0dB。在反覆1000次的運(yùn)算后，可得到結(jié)果為中央波束增益約為34.55395dB、波峰角度為0度、旁波瓣值為-26.38dB；而左邊波束增益約為34.16967dB、波峰角度為-9.9度、旁波瓣值為-25.30dB；右邊波束增益約為34.16692dB、波峰角度為9.9度、旁波瓣值為-24.32dB。
其中，由于右邊波束的旁波瓣值仍不夠理想，因此可針對(duì)這些角度(15.5度至17.5度)，將輻射場型值再壓低。除了將前一步驟所得的波峰角度與強(qiáng)度值代入設(shè)定條件，并將單一波束的條件設(shè)值要求數(shù)增加至7個(gè)。如此，可設(shè)定條件為中央波束于0度為34.55395dB，在-5度、-6度、-7度、5度、6度與7度則為0dB；同理，左邊波束于-9.9度約為34.16967dB，在-5度、-6度、-15度、-16度、-16.5度與-17度為0dB；右邊波束于9.9度為34.16692dB，在3.5度、4.5度、15.5度、16.5度、16.5度與17度為0dB。
值得注意的是，在16.5度設(shè)為0dB的條件設(shè)定兩次，將可加強(qiáng)其于此位置的處理。在反覆1000次的運(yùn)算后，可得到中央波束增益為34.55002dB、波峰角度為0度、旁波瓣值為-26.95dB；而左邊波束增益約為34.15734dB、波峰角度為-9.9度、旁波瓣值為-25.50dB；右邊波束增益約為34.16191dB、波峰角度為9.9度、旁波瓣值為-24.70dB。右邊波束的旁波瓣值依舊不夠理想，但由于在數(shù)值計(jì)算上所取的有效位數(shù)往往會(huì)造成誤差，因此可將Cnm與Dnm(n＝0～6，m＝0～6)中，將具有相同m與n值的Cnm與Dnm，取絕對(duì)值較小者為0。
如此，即可使多波束反射面天線產(chǎn)生左右對(duì)稱的效果。在經(jīng)此對(duì)稱處理后，可得到中央波束增益為34.55985dB、波峰角度為0度、旁波瓣值為-27.10dB；而左邊波束增益約為34.16049dB、波峰角度為-9.9度、旁波瓣值為-25.10dB；右邊波束增益約為34.16094dB、波峰角度為9.9度、旁波瓣值為-25.10dB。如此，對(duì)于訊號(hào)頻率為12.45GHZ，且饋入間隔(feed spacing)為2.47寸、饋入仰角為37.63度的情形，由上述合成方法所得到的增益、波峰分隔、旁波瓣值均已符合設(shè)計(jì)上的規(guī)格需求，因此可以停止設(shè)計(jì)程序并得到可接收多波束反射面碟型的形狀。
本發(fā)明具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。例如，在所舉實(shí)施例中，通過調(diào)整曲面形變，而針對(duì)西經(jīng)101度、110度、與119度三顆衛(wèi)星所設(shè)計(jì)的反射面碟型天線，不但涵蓋了經(jīng)度18度范圍內(nèi)的衛(wèi)星波束，而且最重要的是可有效的使三道衛(wèi)星波束，以近似的輻射場型、水平增益與旁波瓣值，而分別聚焦于三組LNBF模組上。特別是，通過使用本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方法，可隨著需要(要接收訊號(hào)的衛(wèi)星數(shù)目或其角度)而設(shè)計(jì)出可同時(shí)接收數(shù)個(gè)衛(wèi)星訊號(hào)的碟型天線。如此一來，由于僅需使用一個(gè)超橢圓(n＞2)或橢圓(n＝2)等至少二次方曲面成形的反射面，與位于前方搭配的數(shù)個(gè)LNBF模組相連接，便可有效的接收衛(wèi)星訊號(hào)。因此可大幅度降低進(jìn)行衛(wèi)星收訊時(shí)的花費(fèi)。
此外，如同前述，在使用合成法對(duì)拋物面進(jìn)行曲面形變，而制作反射面時(shí)，可根據(jù)所設(shè)的不同條件，而產(chǎn)生不同的收訊效果，并滿足所要求的訊號(hào)接收規(guī)格。特別是在本發(fā)明實(shí)施例中，通過對(duì)拋物面進(jìn)行超橢圓形的邊界切割，而達(dá)到在不增大切割面積的前提下，提高整體C/N值的目的。
本發(fā)明雖以一較佳實(shí)例闡明如上，然而其并非用以限定本發(fā)明的精神與發(fā)明實(shí)體，僅止于此一實(shí)施例。熟悉該領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)所作的修改，均應(yīng)包含在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多波束反射面碟型天線，該碟型天線包含至少二次方曲面成形的反射面，該反射面在最小面積下同時(shí)接收一定角度內(nèi)多數(shù)顆衛(wèi)星傳送的訊號(hào)，且分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的多數(shù)個(gè)聚焦波束，所述聚焦波束具有近似的輻射波形，且該聚焦波束特性符合衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求；及多數(shù)組LNBF模組，分別放置于該反射面的該焦平面上的一定位置以接收前述多數(shù)道聚焦波束。
2.如權(quán)利要求1所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于前述至少二次方曲面成形的反射面是由一拋物面上進(jìn)行邊界切割形成，且該拋物面具有焦距f并滿足方程式x2＋y2＝4fz。
3.如權(quán)利要求2所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述反射面的切割邊緣輪廓滿足方程式[x/A]n＋[(y－B)/B]n＝1，其中A為該至少二次方曲面對(duì)z軸的映射水平半徑、B為該至少二次方曲面對(duì)z軸的映射垂直半徑，n的值介于2至3之間。
4.如權(quán)利要求3所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于當(dāng)n＝2時(shí)，該反射面的切割邊緣輪廓為正橢圓形。
5.如權(quán)利要求3所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于當(dāng)n＞2時(shí)，該反射面的切割邊緣輪廓為超橢圓形。
6.如權(quán)利要求1所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述的多數(shù)個(gè)LNBF模組，是分別以碟面中心2.6寸范圍內(nèi)排列成一直線而置于該拋物面的焦平面上，而該LNBF模組具有的仰角范圍為35.73度至43.2度間，且該反射面的焦距為12寸。
7.如權(quán)利要求1所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求為各個(gè)聚焦波束具有的增益大于34.0dB、旁波瓣值低于-25dB，且彼此間的增益差值小于3％。
8.如權(quán)利要求3所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于在對(duì)z軸映射的水平半徑A為11.25寸且對(duì)z軸映射的垂直半徑B為8.57寸的面積要求下，該方程式中n值為2.1所形成的超橢圓反射面，是滿足所述衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求。
9.如權(quán)利要求8所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述碟型天線同時(shí)接收在經(jīng)度18度范圍內(nèi)的三顆衛(wèi)星的訊號(hào)。
10.如權(quán)利要求1所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述至少二次方曲面成形的反射面，是由邊界切割后的部份該拋物面進(jìn)行曲面形變程序后所形成。
11.如權(quán)利要求10所述的多波束反射面碟型天線，其特征在于所述曲面形變程序，是使用廣義繞射合成法來進(jìn)行。
12.一種具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，該碟型天線是用于接收至少三顆衛(wèi)星的訊號(hào)并在最小面積下同時(shí)接收一定角度內(nèi)該衛(wèi)星傳送的訊號(hào)使該碟型天線分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的多數(shù)個(gè)聚焦波束，且所述聚焦波束的特性符合衛(wèi)星傳訊接收的規(guī)格要求，其包括下列步驟(6)設(shè)定預(yù)設(shè)輻射波形的要求；(7)反射面形狀的初始設(shè)定；(8)進(jìn)行輻射波形的分析處理；(9)檢查是否符合波形要求；及(10)若不符合波形要求則調(diào)整反射面的參數(shù)并重復(fù)進(jìn)行該步驟(4)。
13.如權(quán)利要求12所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于所述超橢圓的反射面是由一拋物面上進(jìn)行邊界切割形成，且該拋物面具有焦距f并滿足方程式x2＋y2＝4fz。
14.如權(quán)利要求13所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于該反射面的切割邊緣輪廓滿足方程式[x/A]n＋[(y－B)/B]n＝1，其中A為該至少二次方曲面對(duì)z軸映射的水平半徑、B為該至少二次方曲面對(duì)z軸映射的垂直半徑，該n值是介于2至3之間。
15.如權(quán)利要求12所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于步驟(1)輻射波形的要求為各個(gè)聚焦波束的增益大于34.0dB、旁波瓣值低于-25dB、且彼此間的增益差值小于3％。
16.如權(quán)利要求12所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于步驟(2)反射面形狀的初始設(shè)定為多數(shù)個(gè)LNBF模組分別以碟面中心2.6寸范圍內(nèi)排列成一直線置于該拋物面的焦平面上，而該LNBF模組具有的仰角范圍為35.73度至43.2度之間且反射面的焦距為12寸。
17.如權(quán)利要求14所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于在對(duì)z軸映射的水平半徑A為11.25寸且對(duì)z軸映射的垂直半徑B為8.57寸的面積要求下，該方程式的n值為2.1。
18.如權(quán)利要求17所述的具有超橢圓反射面的碟型天線成型方法，其特征在于所述碟型天線是同時(shí)接收在經(jīng)度18度范圍內(nèi)的三顆衛(wèi)星的訊號(hào)。
全文摘要
一種多波束反射面碟型天線及其成型方法。該碟型天線包括了至少二次方曲面成形的反射面與多數(shù)組LNBF模組。其中,至少二次方曲面成形的反射面是通過在拋物面上進(jìn)行邊界切割,再以合成法進(jìn)行曲面形變而形成。其除了可反射不同衛(wèi)星訊號(hào)外,還可在焦平面上分別產(chǎn)生近似輻射波形、水平增益的聚焦波束,并使用LNBF模組加以接收。
文檔編號(hào)H01Q25/00GK1334618SQ00121039
公開日2002年2月6日 申請(qǐng)日期2000年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月17日
發(fā)明者高健榮, 黃宗訪 申請(qǐng)人:啟碁科技股份有限公司