專利名稱：拋物面反射器及結(jié)合其的天線的制作方法
背景技術(shù)：
在許多通信系統(tǒng)中空間非常珍貴，且因此努力使天線盡可能地緊湊，而同時(shí)保留適當(dāng)?shù)男阅苄哉?。尤其在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(PMP)微波無(wú)線鏈接時(shí)，平天線因其緊湊的設(shè)計(jì)而經(jīng)常被安裝在終端單元中。它們可以容易地被集成進(jìn)包含室外單元的電子設(shè)備的盒內(nèi)，而無(wú)需減損城市環(huán)境的質(zhì)量。對(duì)于中級(jí)增益要求則印刷天線是所優(yōu)選的。因在相聯(lián)系的饋給網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)體損失隨著天線尺寸顯著地增加這一事實(shí)，這些具有約30dB的增益上限。更高增益的另外解決方案是波導(dǎo)插槽陣列，其具有低的損耗但卻較高的生產(chǎn)成本。通過(guò)使用具有微條子陣列和中央波導(dǎo)饋給網(wǎng)絡(luò)的混合設(shè)計(jì)，混合配置也是可行的。在雙極化情況下，堆棧設(shè)計(jì)或兩個(gè)并排單極化天線是必須的。所有這些天線比簡(jiǎn)單的印刷陣列更復(fù)雜且需要額外的體積和厚度，這因天線罩的存在而進(jìn)一步增加，所述天線罩是被平行于陣列表面而放置在天線上面大約一個(gè)波長(zhǎng)距離處的平電介質(zhì)板。
在具有被放置在金屬表面(波帶片天線)上面λ/4的平行金屬環(huán)的平或拋物面反射器的現(xiàn)存文獻(xiàn)中舉出實(shí)例，見例如，L.F.vanBuskirk和C.E.Hend的“The Zone Plate as a Radio-FrequencyFocusing Element”，IRE Transactions on Antennas and Propagation，vol.AP-9，No.3，May 1961，pp 319-320；P.Cousin，G.Landrac，S.Toutain和J.J.Delmas的“Calcul de la Distribution de Champ Focalet du Diagramme de Rayonnement d’une Antenne Parabolique aZones de Fresnel”，Journess Internationales de Nice sur les Antennes，Nice，Nov.1994，pp 489-492；Y.J.Guo，S.K.Barton的“Analysis ofOne-Dimensional Zonal Reflectors”，IEEE Transactions on Antennasand Propagation，vol.AP-43，No.4，April 1995，pp 385-389.同樣從例如Y.J.Guo和S.K.Barton的“A High-Efficiency Quarter-Wave Zone-Plate Reflector”，IEEE Microwave and Guided-Wave Letters，vol.2，No.12，Dec.1992，pp 470-471中得知印刷平反射器。
在圖1中被示例的進(jìn)一步實(shí)例涉及與子反射器11，電介質(zhì)錐12和波導(dǎo)饋給段13相聯(lián)系的拋物面反射器10的使用。在使用中從天線被發(fā)射的信號(hào)被饋給進(jìn)入處于反射器頂點(diǎn)14處的波導(dǎo)13，沿著所述波導(dǎo)被傳播且被攜帶經(jīng)過(guò)電介質(zhì)錐12到達(dá)子反射器11的反射表面15，在此它們經(jīng)過(guò)錐12的電介質(zhì)被反射到主反射器10的內(nèi)表面上面，最終被從那個(gè)表面反射出進(jìn)入到與進(jìn)入頂點(diǎn)14的初始饋給波相同方向的自由空間中。電介質(zhì)錐12有助于確保在主反射器10上的正確照明圖案。分級(jí)變壓器16還可被包括在內(nèi)以為了將沿著波導(dǎo)13所不希望的后反射減至最小。
這個(gè)已知設(shè)計(jì)的兩個(gè)另外方面導(dǎo)致整個(gè)天線在頁(yè)平面內(nèi)可觀的厚度。首先，天線罩17被包括在內(nèi)，其必要地與主反射器10隔開某一距離，即隔開至少λ/2，在此平面陣列被涉及。(圖1中所示出的實(shí)例旨在針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接，其較PMP應(yīng)用中的終端天線不得不滿足在大角度區(qū)域更嚴(yán)格的對(duì)輻射功率的限制。這是借助于其內(nèi)表面被涂有吸收材料的深緣而取得的。因此在圖1中天線罩離反射器非常大的距離將在目前被加以考慮的PMP設(shè)置中并不需要)。
其次，反射器10的焦距要求子反射器11被放置在離頂點(diǎn)14的那個(gè)相同距離處，作為進(jìn)一步的結(jié)果是可觀的饋給波導(dǎo)13長(zhǎng)度。因此，結(jié)果是，整個(gè)天線的厚度達(dá)到大約為16λ(假設(shè)操作頻率約為32GHz)。此外，波導(dǎo)的大長(zhǎng)度可增加寬帶系統(tǒng)中總的回波損耗。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于天線的拋物面反射器，其包括從最接近反射器中央軸的第一環(huán)形段到限定反射器外圓周的最后環(huán)形段的被串行設(shè)置的多個(gè)同心環(huán)狀段，每個(gè)段具有在內(nèi)和外圓周之間的拋物面反射表面，其特征在于所述段被如此配置以便于與至少最后段相聯(lián)系的焦點(diǎn)或焦圈位于反射器內(nèi)部體積之內(nèi)，且沿著中央軸被彼此相對(duì)設(shè)置，這樣反射器的總體深度被減至最小或接近最小。通過(guò)確保反射器的焦點(diǎn)位于其內(nèi)部體積之內(nèi)，這確保結(jié)合有這種反射器的天線的總體深度被減至最小，因?yàn)槲挥诮裹c(diǎn)處的天線于反射器將位于反射器體積之內(nèi)。
有利地所有段的內(nèi)圓周被設(shè)置成基本上位于垂直中央軸的平面上。這種設(shè)置有助于將反射器的深度減至最小。
優(yōu)選地，除了最后段以外，每個(gè)段的外圓周借助于環(huán)形條被與接連段的內(nèi)圓周相連。
在一個(gè)設(shè)置中，環(huán)形條具有到中央軸的傾角，對(duì)于所有的條其基本上相同。優(yōu)選地傾斜角位于值0和3°之間。
在另外優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)條位于將其上附著所述條的相應(yīng)段內(nèi)圓周接合到反射器的焦點(diǎn)或焦圈上的相應(yīng)虛錐或無(wú)效錐(frustrocone)上。
優(yōu)選地，拋物面段的焦距(fi)遵從下述規(guī)則fi＝fi-1+k.l/2其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供一種天線，其包括如上所說(shuō)明的反射器；沿著反射器公用軸放置的電介質(zhì)錐和子反射器；穿過(guò)由第一段的內(nèi)圓周所限定的反射器頂點(diǎn)且與電介質(zhì)錐通信的波導(dǎo)饋給段；以及天線罩。
優(yōu)選地反射器的焦點(diǎn)或焦圈位于子反射器的反射表面上，子反射器位于反射器的內(nèi)部體積之內(nèi)且天線罩與反射器的最外圓周毗鄰。
有利地天線進(jìn)一步包括被放置在反射器頂點(diǎn)和電介質(zhì)錐之間的變壓器段。


現(xiàn)在僅借助于非限制性的實(shí)例參考下述附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例加以說(shuō)明，在所述附圖中圖1是通過(guò)已知拋物面反射器天線的斷面(僅半個(gè)旋轉(zhuǎn)斷面)；以及圖2和3是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的拋物面反射器天線的兩個(gè)實(shí)施例的斷面。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的天線的實(shí)施例被示出，其包括與從前一樣的主反射器20，子反射器21，電介質(zhì)錐22，波導(dǎo)段23和天線罩27。然而，這次反射器20是多級(jí)天線，其包括彼此間經(jīng)由同心環(huán)形帶28被連接的N個(gè)多同心環(huán)形段20a-20e(在這個(gè)實(shí)例中N＝5)。每個(gè)段20a-20e具有在徑向方向?yàn)閽佄锩娴姆瓷浔砻?。所述條28將各種段(除最后段20e以外)的外圓周連接到接連段的內(nèi)圓周上，由此形成主反射器20的連續(xù)內(nèi)反射表面。第一段20a的內(nèi)圓周形成反射器20的部分頂點(diǎn)，而最后段20e的外圓周形成整個(gè)反射器20的外圓周。
在所示例的優(yōu)選實(shí)施例中環(huán)狀段20a-20e的所有內(nèi)圓周位于垂直于天線中央軸40的平面29上。然而在實(shí)踐中每個(gè)段可以位于沿著軸40被放置的若干平面中的一個(gè)平面上，而不會(huì)太不利地影響天線的性能。當(dāng)然，如果它們并不位于平面上，則這將導(dǎo)致天線對(duì)應(yīng)地較大的深度(在軸向方向上)，清楚地其是所不希望的，雖然內(nèi)圓周平面向天線孔徑的略微前傾可降低條的遮蔽效應(yīng)，由此稍微地改善性能。在所示例實(shí)施例中的各種拋物面段優(yōu)選地具有略微不同的焦距，最后段20e具有最大的焦距，第一段20a具有最小的焦距。更準(zhǔn)確地焦距優(yōu)選地遵從下述規(guī)則fi＝fi-1+k.l/2其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波長(zhǎng)。在圖2中，k＝1和最后段20e的焦圈被示在41。理想地拋物面段的所有焦點(diǎn)在41處重合，雖然在設(shè)計(jì)的優(yōu)化中有可能結(jié)合單個(gè)焦點(diǎn)的小偏差，以便于說(shuō)明在輻射元件近場(chǎng)的非球面效應(yīng)。
這個(gè)天線與在例如圖1中所示的天線的第二個(gè)不同是在發(fā)明的天線中由反射器20所對(duì)角Ψ至少是90°-在圖2中它大約是95°。就整個(gè)天線和反射器，這達(dá)到190°的總角。這樣的大角度允許整個(gè)子反射器/饋給設(shè)置被完全容納在反射器的內(nèi)部體積42內(nèi)，由此縮短波導(dǎo)饋給23。通過(guò)使用條28則產(chǎn)生進(jìn)一步的縮短，否則正常長(zhǎng)度是由與否則傳統(tǒng)的均勻拋物面天線44(見最后段20e的虛線延伸)會(huì)合的附加波導(dǎo)部分43所指示。換句話說(shuō)，在目前發(fā)明中的反射器頂點(diǎn)位于A，而傳統(tǒng)天線系統(tǒng)的反射器頂點(diǎn)位于B。清楚地在整個(gè)天線厚度上存在相當(dāng)大的節(jié)省，其通過(guò)下述事實(shí)進(jìn)一步被增強(qiáng)，即現(xiàn)在天線罩可以比圖1的已知設(shè)置更接近于反射器緣45被置放，甚至從現(xiàn)在開始饋給網(wǎng)絡(luò)完全處于反射器的體積42內(nèi)-正好可達(dá)且毗鄰緣45本身。(與平面陣列有關(guān)的較早所提到的最小λ/2間隔并不適用于單饋給反射器天線)。
因此存在由本發(fā)明變成可能的天線厚度的雙重節(jié)省首先，且最基本地，因使用條28導(dǎo)致的波導(dǎo)C附加長(zhǎng)度的節(jié)省(見圖2)；其次，因非常大的對(duì)角Ψ導(dǎo)致減少天線罩27距反射器的間隔的可能性，所述非常大的對(duì)角Ψ允許子反射器被完全地包含在天線的內(nèi)部體積42內(nèi)。
圖2天線的各種尺寸如下外徑(D)＝240mm內(nèi)徑(d-對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)的外徑)＝9.30mm張開角(2Ψ)＝190°深度(不帶有條)(Tmax＝(D-d)/4.tan(Ψ/2)＝62.94mm深度(帶有條)＝44.90mm波導(dǎo)長(zhǎng)度由L＜(D/4-(N-1).λ0/2)給出，其中λ0是在中心頻率處(在其中天線是雙帶天線的較低帶中-見隨后)在自由空間中的波長(zhǎng)。
如已經(jīng)提到的，級(jí)數(shù)量N是可變的，k的值也是如此，雖然對(duì)于已知的外徑D，內(nèi)徑d和張開角2Ψ并不是所有的N和k組合均是可能的。下面的表1給出針對(duì)三個(gè)操作頻率的N＝1-7和k＝1或2的增益數(shù)字?？偵疃纫脖患右砸?guī)定。正如從表中可以看出的，雙倍k導(dǎo)致對(duì)于相同的總長(zhǎng)僅需要三個(gè)級(jí)(條)而不是五個(gè)；然而，取決于所選擇的頻率，當(dāng)較小級(jí)被采用時(shí)，對(duì)于那個(gè)相同的深度存在0.4至0.9dB之間的犧牲。在兩種情況下深度的減少為29％。對(duì)于等效的簡(jiǎn)單均勻反射器設(shè)計(jì)，對(duì)于k＝1的情況效率大約為53％而不是56％。在兩種情況下反射因子小于-14dB。
關(guān)于條28，它們具有向天線中央軸40的非常淺的傾斜角；當(dāng)然，所述角可為零，雖然在反射器體即將通過(guò)壓制或模壓過(guò)程而制造時(shí)所述角可達(dá)到幾度，例如2或3°。
所述設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是與具有簡(jiǎn)單、均勻反射器的傳統(tǒng)天線的行為相比較，遠(yuǎn)場(chǎng)特征的第一旁瓣的幅度被降低，雖然這一降低僅在窄帶上是明顯的且并不適應(yīng)于整個(gè)頻率帶。
本發(fā)明的第二實(shí)施例被示例在圖3中。在圖3中，不是條28基本上平行于天線的中央軸40，而是它們被形成一角度以便于在每種情況下位于從相應(yīng)內(nèi)圓周30b′-30e′走向到子反射器上焦圈47的虛錐(或無(wú)效錐)上。在此假設(shè)各種拋物面段30a-30e具有與圖2中的段20a-20e相類似的相應(yīng)焦距。這個(gè)措施的目的是確保與從子反射器31所反射的輻射相比發(fā)生段的較小遮蔽或遮掩。作為對(duì)照，圖2實(shí)施例涉及較大的遮蔽量，其本身就損害了天線的性能。然而，在此可加入影響增益的其它因素，并且降低這個(gè)實(shí)施例理論上應(yīng)該提供的優(yōu)點(diǎn)，例如在圖2所示的條中將存在波的衍射，其實(shí)際上可正好提升增益，由此彌補(bǔ)由較大遮蔽所引起的增益惡化。
兩個(gè)實(shí)施例均適合于雙極化，并且為了取得這點(diǎn)正交模變送器(未示出)可被包括在附圖(圖2和3)中所示的波導(dǎo)饋給的輸入處。此外天線可被用在雙帶配置，即具有由倍頻程(octave)所分開的兩個(gè)頻帶中-假定適當(dāng)?shù)酿伣o設(shè)置被采用。
表1

權(quán)利要求
1.一種用于天線的拋物面反射器(20)包括從最接近反射器中央軸(40)的第一環(huán)形段(20a，30a)到限定反射器外圓周(45)的最后環(huán)形段(20e，30e)的被串行設(shè)置的多個(gè)(N)同心環(huán)形段(20a-20e，30a-30e)，每個(gè)段具有在內(nèi)圓周和外圓周之間的拋物面反射表面，其特征在于所述段(20a-20e)被如此配置，以便于與至少最后段(20e，30e)相聯(lián)系的焦點(diǎn)(41)或焦圈(47)位于反射器的內(nèi)部體積(42)之內(nèi)且沿著中央軸彼此相對(duì)被設(shè)置，這樣反射器的總深度被減至最小或接近最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的反射器，其中所有段(20a-20e，30a-30e)的內(nèi)圓周被設(shè)置成基本上位于垂直于中央軸(40)的平面(29)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的反射器，其中除最后段以外的每個(gè)段的外圓周借助于環(huán)形帶(28)被與接連段的內(nèi)圓周相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的反射器，其中所述環(huán)形帶(28)具有向中央軸(40)的傾斜角，其對(duì)于所有的帶(28)基本上相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的反射器，其中所述傾斜角位于值0和3°之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的反射器，其中每個(gè)條位于將其上附著所述條(28)的相應(yīng)段(30b-30e)的內(nèi)圓周(30b′-30e′)接合到反射器的焦點(diǎn)或焦圈(47)上的相應(yīng)虛錐或無(wú)效錐體上。
7.根據(jù)任何一項(xiàng)前述權(quán)利要求的反射器，其中環(huán)形段的拋物面表面的焦距(fi)遵從下述規(guī)則fi＝fi-1+k.l/2其中fi＝焦距；k＝1，2，3...；i＝2，...N；l＝反射器的平均操作波長(zhǎng)。
8.一種天線，包括根據(jù)上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的反射器(20)；沿著反射器(20)公用軸的電介質(zhì)錐(22)和子反射器(21，31)；穿過(guò)由第一段內(nèi)圓周所限定的反射器頂點(diǎn)且與電介質(zhì)錐(22)通信的波導(dǎo)饋給段(23)；以及天線罩(27)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的天線，其中反射器(20)的焦點(diǎn)(41)或焦圈(47)位于子反射器(21，31)的反射表面上，所述子反射器位于反射器的內(nèi)部體積(42)內(nèi)且天線罩(27)毗鄰反射器的最外圓周(45)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的天線，包括被放置在反射器頂點(diǎn)和電介質(zhì)錐(22)之間的變壓器段。
全文摘要
一種用于天線的拋物面反射器(20)具有從最接近反射器中央軸(40)的第一環(huán)形段(20a)到限定反射器外圓周(45)的最后環(huán)形段(20e，30e)的被串行設(shè)置的多個(gè)(N)同心環(huán)形段(20a－20e)。每個(gè)段(20a－20e)具有在內(nèi)圓周和外圓周之間的拋物面反射表面。所述段(20a－20e)被如此配置，以便于與至少最后段(20e)相聯(lián)系的焦點(diǎn)(41)位于反射器的內(nèi)部體積(42)之內(nèi)且沿著中央軸彼此相對(duì)被設(shè)置，這樣反射器的總深度基本上被減至最小。所有段(20a－20e)的內(nèi)圓周優(yōu)選地被設(shè)置成基本上位于垂直于中央軸(40)的平面(29)上。除最后段以外的每個(gè)段(20a－20d)的外圓周優(yōu)選地借助于環(huán)形帶(28)被與接連段的內(nèi)圓周相連接。所述環(huán)形帶(28)既可是每個(gè)具有在值0和30之間的向中央軸(40)的傾斜角，也可位于從所述帶被附著其上的相應(yīng)段的相應(yīng)內(nèi)圓周走向到最遠(yuǎn)的焦點(diǎn)或圈處的相應(yīng)錐形上。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK1589510SQ02823229
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2002年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月22日
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