專利名稱：圓極性橢圓形喇叭天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及設(shè)計成接收圓極性廣播信號的天線系統(tǒng)，具體涉及數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星(DVBS)天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
不斷增加的各種應(yīng)用，例如，數(shù)字視頻衛(wèi)星廣播電視系統(tǒng)，利用橢圓形天線反射器以提高沿所需方向的增益和干擾抑制。對于設(shè)計成從對地靜止衛(wèi)星上接收和/或發(fā)射的地面天線系統(tǒng)，如果其他潛在的干擾衛(wèi)星是密集排列，例如，相距2度，則尤其需要提高增益和干擾抑制。單單增加圓形天線的接收面積可以提高沿所有方向的增益和干擾抑制。增加天線尺寸還應(yīng)當(dāng)考慮到成本和美觀。在干擾抑制最重要的方向上更多地增大天線反射器的尺寸，橢圓形天線反射器可以更好地平衡這些競爭的設(shè)計目標。制成的橢圓形天線保持相對小的反射器尺寸(收集面積)，而同時在所需方向上改進多余信號的抑制。典型的是，通過對準天線反射器的長軸與對地靜止弧實現(xiàn)這個目的。若多個饋電用于接收和/或發(fā)射到多個位置(例如，多個衛(wèi)星)，則橢圓形反射器還可以設(shè)計成提高天線的性能。
一般地說，橢圓形天線饋電喇叭應(yīng)當(dāng)與橢圓形反射器結(jié)合使用以實現(xiàn)橢圓形反射器的最佳性能。雖然橢圓形天線饋電喇叭比普通的圓形饋電喇叭更復(fù)雜，但橢圓波束饋電有若干個成熟的設(shè)計方法。此外，許多應(yīng)用現(xiàn)在利用圓極性。這是出現(xiàn)挑戰(zhàn)的原因。在利用有圓極性極化器(也稱之為CP極化器)的橢圓波束饋電時，很難實現(xiàn)良好的圓極性交叉極化隔離(也稱之為x極化隔離或x-pol隔離)。問題的出現(xiàn)是因為橢圓形喇叭(或大多數(shù)非軸向?qū)ΨQ喇叭)在平行(準平行)于喇叭寬邊或窄邊的正交電場之間引入微分相移。其結(jié)果是，當(dāng)圓極性信號被橢圓形喇叭接收時，喇叭的非對稱性在兩個正交電場之間引入相位微分，從而在喇叭輸出端把圓極性改變成橢圓極性。僅僅連接常規(guī)的CP極化器到有橢圓形部分的饋電喇叭可以導(dǎo)致不良的交叉極化性能，這是由于饋電喇叭的橢圓形部分產(chǎn)生的微分相位和幅度特征。
以下附加的背景信息有助于更詳細地討論CP極化器和橢圓形天線饋電喇叭。首先，應(yīng)當(dāng)知道圓極性可以表示成兩個正交直線分量的矢量和，這兩個直線分量有90度的相差。例如，正交直線分量可以是+45FV0P(與垂直方向的夾角為+45度和0度相位基準)和-45FV+90P(與垂直方向的夾角為-45度和+90度相位)。典型的CP極化器與-45FV+90P分量對準，并相對于45FV+90P分量延遲90度，因此，它變成與+45FV0P分量同相。在發(fā)生這種情況時，其結(jié)果是接收功率從圓極性到直線極性(在這種情況下是垂直極性)的轉(zhuǎn)換在理論上是無損耗轉(zhuǎn)換。然后，利用簡單的直線探針，波導(dǎo)縫隙等，可以容易地拾取這個直線極性。若同時存在右旋圓極性(RHCP)和左旋圓極性(LHCP)，則該轉(zhuǎn)換產(chǎn)生垂直和水平的直線極性分量。
現(xiàn)在考慮入射到圖1A-1C所示橢圓形接收喇叭的理論上完全圓極性波束。再次回想到圓極性可以表示成兩個正交直線分量的矢量和，這兩個直線分量有90度的相差。為了簡化，在這個情況下，正交直線分量分別是沿H(水平)和V(垂直)方向，在常規(guī)直角坐標系中H是與x軸對準(平行)，而V是與y軸對準。當(dāng)圓極性波束進入喇叭時，喇叭的橢圓形狀使H分量和V分量以不同的相速傳播通過該喇叭，因此，當(dāng)這兩個分量到達喇叭的末端(極化器部分的始端)時，H分量和V分量不再是有90度的相差。因此，在極化器部分的始端存在橢圓極性。所以，設(shè)計成轉(zhuǎn)換圓極性成直線極性的極化器有圖1b所示不良的CP交叉極化(交叉極化)性能。
作為設(shè)計的折衷，許多橢圓形反射器系統(tǒng)在試圖保存良好圓極性交叉極化隔離時利用有常規(guī)CP極化器的圓波束饋電。這種方法是容易實現(xiàn)的，但它可以導(dǎo)致反射器系統(tǒng)效率，增益，噪聲溫度，波束寬度，和旁瓣性能的重大折衷(退化)，因為圓波束饋電源不能合適地照射橢圓形反射器。這種情況是圖2表示，其中沿反射器短軸的天線喇叭照射強度太強，從而導(dǎo)致大量浪費的溢出能量，它使增益，效率，和噪聲溫度退化。此外，沿反射器長軸的天線喇叭照射強度太弱，從而導(dǎo)致退化的遞減效率和增益。此外，這種不合適照射可以使實現(xiàn)所需波束寬度和旁瓣性能變得非常困難。即，沿天線短軸的高照射強度使旁瓣退化(升高)，而沿天線長軸的低照射強度使波束寬度退化(加寬)。此外，在多波束應(yīng)用中，單個反射器用于從多個波束源(通常是衛(wèi)星)接收信號，而這些波束源是密集排列的，利用圓形饋電可以增加兩個饋電源之間所需的物理間隔，它不能得到可接受的增益和干擾抑制特征。
人們在提供圓極化的橢圓波束饋電喇叭領(lǐng)域已做了一些工作。US專利No.6,570,542對天線喇叭給出一個模糊的描述，該天線喇叭包含一個分割橢圓形喇叭部分，其中相位補償器是“弧結(jié)構(gòu)金屬”形式，它擴展到橢圓形喇叭的整個長軸。我們不清楚是否利用“弧結(jié)構(gòu)金屬”以去掉天線喇叭引入的相位微分，因此，常規(guī)的CP極化器可以與它連接，或者，若“弧結(jié)構(gòu)金屬”與喇叭結(jié)合使用以實現(xiàn)CP極化器所需的正確相位微分，從而不需要單獨的CP極化器。不管如何，這種金屬結(jié)構(gòu)使喇叭的制造工藝復(fù)雜化，從而使模鑄造或機械加工更加困難。此外，增加通過喇叭中心的弧可能要求該喇叭比許多應(yīng)用中所需要的喇叭寬。
所以，我們需要這樣的單波束和多波束橢圓形天線系統(tǒng)，它具有提高的效率，增益，干擾抑制，增益噪聲溫度，波束寬度，旁瓣尺寸和成本以及其他的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足上述用于接收圓極性波束的天線饋電喇叭和相關(guān)天線系統(tǒng)的要求?？梢岳脝蝹€喇叭或一個或多個多喇叭天線饋電部件實現(xiàn)這種類型天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計成在寬頻帶和多個寬頻帶上獲得良好的圓極性性能。


圖1a是有橢圓形過渡部分和常規(guī)CP極化器的現(xiàn)有技術(shù)天線饋電喇叭正視圖。
圖1b是圖1a所示天線喇叭的透視圖，它還展示作為參照系的直角坐標系。
圖1c是圖1a所示天線喇叭的剖面透視圖。
圖1d是圖1a所示天線喇叭的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)配置的曲線圖，它說明利用有橢圓形反射器的圓形天線饋電喇叭得到的不合適照射。
圖3a是包括橢圓形反射器，中央位置三喇叭天線饋電部件，和偏心或外裝二喇叭天線饋電部件的天線系統(tǒng)頂視圖。
圖3b是圖3a所示天線系統(tǒng)的正視圖。
圖3c是圖3a所示天線系統(tǒng)的饋電喇叭結(jié)構(gòu)透視圖。
圖3d是圖3a所示天線系統(tǒng)的后透視圖。
圖4a是具有CP極化器功能的橢圓形天線饋電喇叭透視圖。
圖4b是圖4a所示天線喇叭的剖面透視圖。
圖4c是圖4a所示天線喇叭的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖。
圖5a是有橢圓形過渡部分和相加相位微分部分的天線喇叭正視圖。
圖5b是圖5a所示天線喇叭的透視圖。
圖5c是圖5a所示天線喇叭的剖面透視圖。
圖5d是圖5a所示天線喇叭的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖。
圖6a是有橢圓形過渡部分和反向傾斜相位微分部分的天線喇叭透視圖。
圖6b是圖6a所示天線喇叭的剖面透視圖。
圖6c是圖6a所示天線喇叭的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖。
圖7是典型CP極化器的相位微分與頻率之間關(guān)系曲線圖，它說明在頻帶上的相位微分斜率。
圖8是圖6a-c所示天線喇叭的相位微分與頻率之間關(guān)系曲線圖，它說明由于反向傾斜相位微分部分導(dǎo)致的寬帶響應(yīng)改進。
圖9a表示有圓形接收部分，第一相位微分部分，頻率雙工器，和第二相加相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9b表示有橢圓形過渡部分，第一反向傾斜相位微分部分，頻率雙工器，和第二相加相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9c表示有整體橢圓形接收和CP極化器部分，頻率雙工器，和相加相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9d表示有橢圓形過渡部分，第一相加相位微分部分，頻率雙工器，和第二相加相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9e表示有圓形過渡部分，第一相位微分部分，頻率雙工器，和第二反向傾斜相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9f表示有橢圓形過渡部分，第一反向傾斜相位微分部分，頻率雙工器，和第二反向傾斜相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9g表示有整體橢圓形接收和CP極化器，頻率雙工器，和反向傾斜相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖9h表示有橢圓形過渡部分，第一相加相位微分部分，頻率雙工器，和反向傾斜相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭的各種視圖。
圖10a表示三喇叭天線饋電部件的透視圖。
圖10b表示圖10a所示三喇叭天線饋電部件的剖面透視圖。
圖11a表示有橢圓形過渡部分，CP極化器和相位補償部分的天線喇叭剖面透視圖。
圖11b表示圖11a所示天線喇叭的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖。
圖12a是在兩個圓形饋電喇叭之間有橢圓形饋電喇叭的三喇叭天線饋電部件頂視圖。
圖12b是圖12a所示三喇叭天線饋電部件的透視圖。
圖12c是圖12a所示三喇叭天線饋電部件的正視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明可以體現(xiàn)在單波束或多波束天線的天線饋電喇叭和相關(guān)的圓極性天線系統(tǒng)中，它設(shè)計成在寬頻帶和多個頻帶上獲得良好的圓極性性能。一般地說，在正交直線分量之間引入所需相位微分的幾種方法可用在描述天線饋電喇叭實施例2的反向傾斜相位微分部分，它包括但不限于，利用橢圓形，矩形或長橢圓形波導(dǎo)的部分，圓形，正方形，橢圓形，矩形或長橢圓波導(dǎo)中的隔板，膜片，脊，螺釘，介質(zhì)。此外，借助于LNBF中的探針或OMT(或其他裝置)中的縫隙，通過拾取或分割正交分量，然后相對于其他分量延遲(借助于簡單長度或建立的相移方法)一個分量的合適量，為的是在再組合之前獲得所需標稱總90度的相位微分，可以實現(xiàn)所需的相位微分。
我們在這個公開內(nèi)容的許多例子中描述橢圓形喇叭孔徑，然而，本發(fā)明可應(yīng)用于在兩個正交直線分量之間引入相位微分的任何裝置，需要補償相位微分以獲得良好的CP轉(zhuǎn)換和交叉極化(x-pol)隔離，它包括但不限于，任何非圓波束饋電，矩形饋電，其他類型長橢圓形饋電，輪廓波紋饋電，饋電天線罩，特定反射器光學(xué)元件，反射器天線罩，選頻面等。
為了簡化討論，這個公開內(nèi)容中的例子主要涉及信號的接收，并一般涉及單個圓極性。然而，互易性適用于所有給出的實施例，只要它們大致是低損耗無源結(jié)構(gòu)。此外，喇叭，CP極化器和相位補償部分明顯地支持兩個方向CP(RHCP和LHCP)。若兩個方向CP入射到喇叭上，則它們被轉(zhuǎn)換成兩個正交直線極性，利用兩個正交探針和/或縫隙，可以容易地拾取它們。所以，實施例1和2中描述的方法可用于發(fā)射和/或接收任何圓極性組合的功率在每個頻帶上實現(xiàn)的單個CP或雙重CP，其中包括實施例5的多個寬間距頻帶。
應(yīng)當(dāng)指出，為了簡化，在這些例子中往往給出具體的相位值，但是以上解釋的相位補償概念是通用的。例如，以下的情況適用于實施例#2若橢圓形喇叭引入X度相位微分，則反向傾斜相位微分部分應(yīng)當(dāng)引入90-X度相位微分，因此，引入的總相位微分是90度＝X+(90-X)。
為了簡化，本發(fā)明者提供的例子是利用兩個正交直線分量之間有標稱90度相位微分作為實現(xiàn)CP轉(zhuǎn)換的目標。然而，應(yīng)當(dāng)明白，標稱-90度或任何-90度或90度的奇整數(shù)倍也可以實現(xiàn)良好的CP(...，-630，-450，-270，-90，90，270，450，630等)，且本發(fā)明也覆蓋這些情況。作為實施例2的例子，該喇叭可以引入470度相位微分，而反向傾斜相位微分部分可以引入-200度相位微分，從而得到總數(shù)為270度相位微分。
此外，專業(yè)天線設(shè)計人員可以明白，術(shù)語“CP極化器”不局限于理論上實現(xiàn)從圓極性完全轉(zhuǎn)換成直線極性的裝置，而是包括在具體應(yīng)用中可接受設(shè)計約束下實現(xiàn)從圓極性轉(zhuǎn)換成直線極性的各種裝置。
現(xiàn)在參照附圖，圖1a-1c表示現(xiàn)有技術(shù)的天線饋電喇叭100正視圖，它有饋電到常規(guī)CP極化器104的橢圓形接收錐和過渡部分102。過渡部分102是從喇叭前端的孔徑106延伸到CP極化器104的前端，CP極化器104延伸到波導(dǎo)端口108，在此處放置直線極性拾取器。因此，這種配置的目的是在波導(dǎo)端口108產(chǎn)生直線極性信號，但不考慮過渡部分102產(chǎn)生的30度微分相移。這導(dǎo)致不良的交叉極化(x-pol)隔離，如圖1d所示，圖1d是天線喇叭100的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖120。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)配置的曲線圖200，它說明利用有橢圓形反射器的圓形天線饋電喇叭導(dǎo)致的不合適照射。失配區(qū)域202a-b代表接收模式中浪費能量的區(qū)域，這是由于圓形饋電喇叭在沿橢圓形反射器長軸方向不足照射造成的。類似地，失配區(qū)域204a-b代表圓形饋電喇叭在沿橢圓形反射器短軸的浪費照射區(qū)域，該區(qū)域延伸到反射器的實際周邊以外。這也稱之為過照射溢出能量。
圖3a-3d表示包含橢圓形反射器302，中央位置三喇叭天線饋電部件304，和偏心或外裝二喇叭天線饋電部件306的天線系統(tǒng)300。這個說明書中描述的任何饋電喇叭可用在這些位置中的任何位置。例如，參照圖16描述的整體三喇叭饋電部件1600可以作為中央位置三喇叭天線饋電部件304，而外裝喇叭306可以是常規(guī)的波紋饋電喇叭。
圖4a-4c表示橢圓形天線饋電喇叭400，它包含從孔徑404延伸到圓形咽喉部分406的橢圓形接收錐和過渡部分402，圓形咽喉部分406連接到放置直線極性拾取器的波導(dǎo)端口408。過渡部分402的功能是90度CP極化器，而咽喉部分406對傳播信號不產(chǎn)生任何微分相移。因此，饋電喇叭400的功能是CP極化，而不需要任何內(nèi)部極化元件。這是通過仔細地選取過渡部分402的高度，寬度，長度，張角和內(nèi)表面形狀實現(xiàn)的。請注意，張角不必是恒定或平滑的，而過渡部分可以包含喇叭口或圓形臺階和其他類型階梯，只要當(dāng)入射CP波束傳播通過過渡部分之后，最終的結(jié)果是90度的微分相移。圖4c是天線喇叭400的圓極性交叉極化隔離特性曲線圖420。比較這個結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)天線喇叭100的曲線圖120，它說明天線喇叭400可以實現(xiàn)大大改進的x-pol隔離特性。
圖5a-5c表示有橢圓形接收錐和過渡部分502的天線喇叭500，它是從孔徑504連接到相加相位微分部分506，相位微分部分506連接到放置直線極性拾取器的波導(dǎo)端口508。在這個實施例中，過渡部分502產(chǎn)生小于所需微分相移的35度，而相加相位微分部分506沿與過渡部分相同方向產(chǎn)生微分相移55度(即，相加的+55度)。因此，最終的結(jié)果是通過天線喇叭500后產(chǎn)生90度微分相移，它在直線極性拾取器中產(chǎn)生良好的x-pol隔離，如圖5d中曲線圖520所示。同樣，比較這個結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)天線喇叭100的曲線圖120，它說明天線喇叭500可以實現(xiàn)大大改進的x-pol隔離特性。
圖6a-6c表示有橢圓形接收錐和過渡部分602的天線喇叭600，它是從孔徑604連接到反向傾斜相位微分部分606，相位微分部分606連接到放置直線極性拾取器的波導(dǎo)端口608。在這個實施例中，過渡部分602產(chǎn)生大于所需微分相移的130度，而反向傾斜相位微分部分606沿與過渡部分相反方向產(chǎn)生微分相移40度(即，相減的-40度)。因此，最終的結(jié)果是通過天線喇叭600后產(chǎn)生90度微分相移，它在直線極性拾取器中產(chǎn)生良好的x-pol隔離，如圖6c所示的曲線圖620。重要的是，比較這個結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)天線喇叭400的曲線圖420和現(xiàn)有技術(shù)天線喇叭500的曲線圖520，它說明天線喇叭600在更寬的頻帶范圍內(nèi)可以實現(xiàn)大大改進的x-pol隔離特性。
圖7是典型CP極化器的相位微分與頻率之間關(guān)系曲線圖700，它說明在其工作頻帶上的相位微分斜率。圖8是天線饋電喇叭600的相位微分與頻率之間關(guān)系曲線圖800。曲線802代表過渡部分602的相位微分特性，而曲線804代表反向傾斜相位微分部分606的相位微分特性。這兩個微分相位特性的組合產(chǎn)生通過喇叭600的總相位微分曲線806，它說明這個喇叭在更寬的頻帶上實現(xiàn)大大改進的CP極化性能(即，接近于90度的微分相移)。
圖9a包括圖9a1至圖9a5，它表示有圓形接收部分902的多頻帶多端口天線饋電喇叭900，圓形接收部分902給第一相位微分部分904饋電，而第一相位微分部分904再給頻率雙工器906饋電，它分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口908a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到第二相加相位微分部分910，相位微分部分910傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口912。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口908a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口912。
圓形接收部分902對傳播信號不產(chǎn)生任何微分相移。第一相位微分部分904產(chǎn)生90度低頻帶微分相移和50度高頻帶微分相移。然后，第二相加相位微分部分910對高頻帶信號產(chǎn)生相加的40度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口908a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口912完成高頻帶CP極化。
圖9b包括圖9b1至圖9a4，它表示有橢圓形接收部分922的多頻帶多端口天線饋電喇叭920各種視圖，橢圓形接收部分922給第一相位微分部分924饋電，而第一相位微分部分924再給頻率雙工器926饋電，它分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口928a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到第二相位微分部分930，相位微分部分930再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口932。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口928a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口932。
橢圓形接收部分922產(chǎn)生130度的低頻帶微分相移和70度的高頻帶微分相移。第一相位微分部分924產(chǎn)生-40度的低頻帶微分相移和-25度的高頻帶微分相移。然后，第二相位微分部分910對高頻帶信號產(chǎn)生相加的45度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口928a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口932完成高頻帶CP極化。此外，由于第一相位微分部分924的-40度反向傾斜相位微分特性，它對低頻帶信號完成改進的x-pol隔離。類似地，由于第一相位微分部分924的-25度反向傾斜相位微分特性，它對高頻帶信號完成改進的x-pol隔離。
圖9c包括圖9c1至9c3，它表示有整體橢圓形接收和CP極化器部分942，頻率雙工器944，和相加相位微分部分948的天線饋電喇叭940。頻率雙工器944分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號，并傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口946a-b(每個直線極性一個端口)。頻率雙工器944還傳送高頻帶信號到相加相位微分部分948，相位微分部分948再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口949。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口948a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口949。
橢圓形接收部分942產(chǎn)生90度的低頻帶微分相移和50度的高頻帶微分相移。相加相位微分部分948對高頻帶信號產(chǎn)生相加的40度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口946a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口949完成高頻帶CP極化。
圖9d包括圖9d1至9d4，它表示有橢圓形過渡部分952，第一相加相位微分部分954，頻率雙工器956，和第二相加相位微分部分958的多頻帶多端口天線饋電喇叭950各種視圖。頻率雙工器956分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口957a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到第二相加相位微分部分958，相位微分部分958再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口959。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口957a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口959。
橢圓形接收部分952產(chǎn)生60度的低頻帶微分相移和35度的高頻帶微分相移。第一相位微分部分954產(chǎn)生30度的低頻帶相加微分相移和20度的高頻帶微分相移。然后，第二相加相位微分部分958對高頻帶信號產(chǎn)生相加的35度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口957a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口959完成高頻帶CP極化。
圖9e包括圖9e1至9e5，它表示有圓形接收部分961的多頻帶多端口天線饋電喇叭960各種視圖，圓形接收部分961給第一相位微分部分962饋電，第一相位微分部分962再給頻率雙工器964饋電，頻率雙工器964分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口966a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到反向傾斜相位微分部分968，相位微分部分968再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口969。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口966a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口969。
圓形接收部分961對傳播信號不產(chǎn)生任何微分相移。第一相位微分部分962產(chǎn)生90度的低頻帶微分相移和50度的高頻帶微分相移。然后，反向傾斜相位微分部分968對高頻帶信號產(chǎn)生-140度的微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口966a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口969完成高頻帶CP極化。此外，由于相位微分部分968的-140度反向傾斜相位微分特性，對高頻帶信號完成改進的x-pol隔離。
圖9f包括圖9f1至9f4，它表示有橢圓形過渡部分971，第一反向傾斜相位微分部分972，頻率雙工器974，和第二反向傾斜相位微分部分978的多頻帶多端口天線饋電喇叭970各種視圖。頻率雙工器974分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口976a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到第二相加相位微分部分978，相位微分部分978再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口979。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口976a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口979。
橢圓形接收部分971產(chǎn)生130度的低頻帶微分相移和70度的高頻帶微分相移。第一相位微分部分972產(chǎn)生-40度的低頻帶微分相移和-25度的高頻帶微分相移。然后，第二相位微分部分978對高頻帶信號產(chǎn)生反向傾斜-135度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口976a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口979完成高頻帶CP極化。此外，由于第一相位微分部分972的-40度反向傾斜相位微分特性，對低頻帶信號完成改進的x-pol隔離。類似地，由于第一相位微分部分972的-25度反向傾斜相位微分特性和第二相位微分部分978的-135度反向傾斜相位微分特性，還對高頻帶信號完成改進的x-pol隔離。
圖9g包括圖9g1至9g4，它表示有整體橢圓形接收和CP極化器982，頻率雙工器984，和反向傾斜相位微分部分的多頻帶多端口天線饋電喇叭980各種視圖。頻率雙工器984分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號，還傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口986a-b(每個直線極性一個端口)。頻率雙工器984還傳送高頻帶信號到相加相位微分部分988，相位微分部分988再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口989。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口986a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口989。
橢圓形接收部分982產(chǎn)生90度的低頻帶微分相移和50度的高頻帶微分相移。相加相位微分部分988對高頻帶信號產(chǎn)生反向傾斜-160度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口986a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口989完成高頻帶CP極化。此外，由于反向傾斜相位微分部分988的-160度反向傾斜相位微分特性和-135度反向傾斜相位微分特性，對高頻帶信號完成改進的x-pol隔離。
圖9h包括圖9h1至9h4，它表示有橢圓形過渡部分991，第一相加相位微分部分992，頻率雙工器994，和反向傾斜相位微分部分998的多頻帶多端口天線饋電喇叭990各種視圖。頻率雙工器994分開傳播通過該雙工器的低頻帶信號和高頻帶信號。頻率雙工器傳送低頻帶信號到第一組波導(dǎo)端口996a-b(每個直線極性一個端口)，還傳送高頻帶信號到反向傾斜相位微分部分998，相位微分部分998再傳送高頻帶信號到第二波導(dǎo)端口999。低頻帶直線極性拾取器放置在第一組波導(dǎo)端口996a-b，而高頻帶直線極性拾取器放置在第二波導(dǎo)端口999。
橢圓形接收部分991產(chǎn)生60度的低頻帶微分相移和35度的高頻帶微分相移。第一相位微分部分992產(chǎn)生30度的低頻帶相加微分相移和20度的高頻帶相加微分相移。然后，反向傾斜相位微分部分998對高頻帶信號產(chǎn)生反向傾斜-145度微分相移。因此，在第一組波導(dǎo)端口996a-b完成低頻帶CP極化，而在第二波導(dǎo)端口999完成高頻帶CP極化。此外，由于相位微分部分998的-145度反向傾斜相位微分特性，對高頻帶信號完成改進的x-pol隔離。
圖10a-10b表示三喇叭天線饋電部件1000，它包含位于第一橢圓形饋電喇叭1002與第二橢圓形饋電喇叭1004之間基本矩形中央饋電喇叭1002。饋電部件1000是包含三個饋電喇叭1002，1003和1004以及復(fù)合LNB的整體結(jié)構(gòu)，它可以在單個鑄件內(nèi)形成三喇叭整體LNBF。在這個說明書中描述的任何饋電喇叭可以把中央喇叭改變成基本矩形饋電喇叭外形(或任何喇叭的任何其他外形)，它可用作不同的實施例。在一個具體實施例中，中央饋電喇叭1002從位于西經(jīng)101度的衛(wèi)星上接收頻帶為12.7-12.7GHz(Ku BSS頻帶)的波束。左饋電喇叭1004從位于西經(jīng)102.8度的衛(wèi)星上接收頻帶為18.3-18.8和19.7-20.2GHz(Ka頻帶)的波束。右饋電喇叭1006從位于西經(jīng)99.2度的衛(wèi)星上接收頻帶為18.3-18.8和19.7-20.2GHz(Ka頻帶)的波束。
圖11a-11b表示有橢圓形過渡部分1102，相位補償部分1104，和CP極化器1106的天線喇叭1100，CP極化器1106傳送傳播信號到放置直線極性拾取器的波導(dǎo)端口1108。橢圓形接收部分1102產(chǎn)生35度的微分相移，相位補償部分1104產(chǎn)生-35度的微分相移，和CP極化器1106產(chǎn)生90度的微分相移。因此，在波導(dǎo)端口1108完成CP極化，而在第二波導(dǎo)端口999完成高頻帶CP極化。此外，由于相位補償部分1104的-35度反向傾斜相位微分特性，如圖11b所示，完成改進的x-pol隔離。
圖12a-12c表示在兩個圓形饋電喇叭1204與1206之間有橢圓形饋電喇叭1202的三喇叭天線饋電結(jié)構(gòu)1200。在這個實施例中，每個天線喇叭饋電部件1202，1204和1206是包含LNB的整體結(jié)構(gòu)，它可以在單個鑄件內(nèi)形成單喇叭整體LNBF。所有三個饋電喇叭安裝在共同饋電支承架1208上。在這個說明書中描述的任何饋電喇叭可以改變成有任何外形的任何喇叭，它可以用作不同的實施例。在一個具體實施例中，中央饋電喇叭1202從互相鄰近(從喇叭的透視圖考慮)的兩個衛(wèi)星上接收信號。第一個衛(wèi)星從西經(jīng)119度位置發(fā)射頻帶為12.7-12.7GHz(Ku BSS頻帶)的信號，而第二個衛(wèi)星從西經(jīng)118.7度位置發(fā)射頻帶為11.7-12.2GHz(Ku BSS頻帶)的信號，從而產(chǎn)生11.7-12.2CP寬帶信號。因此，參照圖6描述的寬帶天線饋電喇叭600適合于這種應(yīng)用。左饋電喇叭1204從位于西經(jīng)129度的衛(wèi)星上接收頻帶為12.2-12.7GHz(Ku BSS頻帶)的信號。右饋電喇叭1206從位于西經(jīng)110度的衛(wèi)星上接收頻帶為12.2-12.7GHz(Ku BSS頻帶)的信號。
以下，參照某些現(xiàn)有技術(shù)配置進一步描述本發(fā)明實施例的優(yōu)點，功能和配置。
當(dāng)前折衷方案#1(CCA#1)圖1a-1d說明第一個當(dāng)前(現(xiàn)有技術(shù))折衷方案#1(CCA#1)。許多橢圓形反射器系統(tǒng)僅僅利用有常規(guī)CP極化器的圓波束饋電，為的是保存良好的圓極性交叉極化隔離。這種方法是容易實施的，但導(dǎo)致反射器系統(tǒng)效率，增益噪聲溫度，波束寬度，和旁瓣性能有很大的折衷(退化)，因為圓波束饋電不能合適地照射橢圓形反射器。
如圖2所示，沿反射器短軸的照射強度太高，從而導(dǎo)致大量浪費的溢出能量，它使增益，效率和噪聲溫度退化，和/或沿反射器長軸的照射強度太低，從而導(dǎo)致退化的遞減效率和增益。此外，這種不合適照射很難實現(xiàn)所需的波束寬度和旁瓣性能。沿天線短軸的高照射強度使旁瓣退化(升高)。沿天線長軸的低照射強度使波束寬度退化(加寬)。此外，在要求單個反射器從多個密集排列源(衛(wèi)星)接收和/或發(fā)射的多波束應(yīng)用中，圓形饋電源往往太寬，它不允許兩個饋電源之間有密集的物理間隔。
本發(fā)明的幾個實施例(即，除了圖9a和圖9e以外的所有實施例)解決CCA#1的基本性能和實施限制問題，其中利用橢圓波束饋電喇叭優(yōu)化橢圓形反射器性能(效率，增益，噪聲溫度，旁瓣，和波束寬度)，與此同時實現(xiàn)包括可接受交叉極化隔離的良好或優(yōu)良圓極性性能。利用橢圓波束饋電可以合適地照射整個橢圓形反射器(沿所有的軸)以減小溢出，與此同時保持良好的遞減效率，并給設(shè)計者提供照射圓形反射器的自由度，可以最佳地優(yōu)化具體應(yīng)用和用戶要求的性能。事實上，在一些應(yīng)用中，這種橢圓波束饋電可用于圓形反射器作為改進(變窄)波束寬度的裝置，與此同時保持合理的效率，增益，和噪聲溫度。具體地說，圓形反射器上的橢圓形照射僅在所需的方向上(通常是沿衛(wèi)星帶的方向)增加照射強度，它改進(變窄)該方向上的波束寬度，與此同時在正交方向(垂直于衛(wèi)星帶)上保持相對低的照射強度，這有助于保持合理的增益和噪聲溫度性能。此外，這些橢圓形饋電源可以做得比圓形饋電源窄得多，它在各種多波束單個反射器應(yīng)用中適應(yīng)密集排列饋電源的要求。
當(dāng)前折衷方案#2(CCA#2)還有一些在橢圓形(或長橢圓形)反射器上利用橢圓形(或長橢圓形)波束喇叭的其他現(xiàn)有技術(shù)方案。然而，當(dāng)CP極化器只是連接到橢圓形饋電喇叭部分上時，如圖1a-1d所示，這些現(xiàn)有技術(shù)配置導(dǎo)致不良的x-pol隔離。我們考慮入射到橢圓形接收喇叭上的一個完全圓極性波束，如這些附圖所示?；叵氲綀A極性可以表示成兩個正交直線分量的矢量和，這兩個直線分量有90度的相差。為了簡化，這兩個直線分量可以稱之為H(水平)和V(垂直)分量，其中H是與x軸對準(平行)，而V是與y軸對準。當(dāng)圓極性進入該喇叭時，喇叭的橢圓形狀使H分量和V分量以不同的相速傳播通過該喇叭，因此，當(dāng)這兩個分量到達喇叭的末端(極化器部分的始端)時，H分量和V分量不再有90度的相差。例如，現(xiàn)在的H分量和V分量可能有60度或120度的相差，它取決于CP極化器的取向，如果初始CP是RHCP或LHCP。因此，在極化器部分的始端現(xiàn)在是橢圓極性。利用圓極性極化器可以導(dǎo)致不良的交叉極化隔離，如圖1b所示，因為常規(guī)的圓極性極化器設(shè)計成把圓極性(而不是橢圓極性)轉(zhuǎn)換成直線分量，其中借助于一個直線分量相對于另一個直線分量延遲90度相位。
此外，如圖1a-1c所示，許多應(yīng)用是使CP極化器的取向為45度，因此，線性探針或波導(dǎo)縫隙在與極化器連接的LNB或OMT中是垂直和/或水平取向。這對于機械封裝是方便的。然而，在橢圓形喇叭中就出現(xiàn)問題，因為橢圓形喇叭在與饋電源寬壁或窄壁(它不是與CP極化器取向相同的45度取向矢量)對準的矢量中已引入相位微分。所以，喇叭和CP極化器的總相位微分大于所需的90度，因此，相位微分作用在這樣的正交分量上，這些正交分量并不與極化器90度相位微分作用的正交分量對準。不正確的相位微分量和不正確的對準可以嚴重地限制CP交叉極化的性能。
本發(fā)明某些實施例相對于CCA#2的優(yōu)點本發(fā)明的所有實施例可以克服CP極化器產(chǎn)生不正確取向和不正確相位微分所造成CCA#2基本性能的缺點。
當(dāng)前折衷方案#3(CCA#3)在US專利No.6,570,542中描述稱之為CCA#3的第三個折衷方案。本發(fā)明實施例包含未分割的橢圓形天線饋電喇叭部分，它優(yōu)于CCA#3的分割橢圓形喇叭部分。
本發(fā)明某些實施例相對于CCA#3的優(yōu)點具體地說，圖4a-4b所示的天線饋電喇叭400包含有整體CP極化器功能的橢圓波束喇叭。為了實現(xiàn)這個實施例，本發(fā)明者認識到，橢圓形天線饋電喇叭可以設(shè)計成接收圓極性并提供良好的交叉極化隔離，它不需要單獨極化器部分或分割的橢圓形饋電喇叭部分，例如，一種包含橫跨橢圓形喇叭部分的隔板。這是有紀念性的向前進階段，因為它大大減小橢圓形喇叭極化器的尺寸和復(fù)雜性。這是因為橢圓形喇叭部分和極化器現(xiàn)在整體地形成在相同結(jié)構(gòu)內(nèi)，它去掉多余的元件，從而使這個實施例可以較容易并有較低成本利用模鑄造，機械加工或其他手段制造。此外，這個實施例的內(nèi)部尺寸可以有都沿相同方向的角斜度，它意味著內(nèi)部橫截面是從輸入波導(dǎo)向外逐漸增大到喇叭開孔或孔徑。這對于把喇叭與模鑄造LNBF，OMT，雙工器或其他裝置制成整體是方便的。
圖4a-4b所示的喇叭過渡部分是平滑過渡的，在這個具體例子中，它是從橢圓形過渡到圓形波導(dǎo)。然而，在本發(fā)明的所有實施例中，喇叭過渡部分可以是非線性和/或以各種速率變化(過渡)的多個部分，事實上，它可以包含凸變的臺階以及用于控制喇叭性能和長度的裝置。本發(fā)明者還認識到，可以仔細地選取各個部分和臺階的尺寸以限制多余的模式，為的是保持優(yōu)良的照射，匹配，和CP交叉極化性能。
橢圓形喇叭的不同高度和寬度(長軸和短軸)使傳播通過該喇叭后的兩個正交直線分量之間引入相位微分。本發(fā)明者認識到，通過合適地選取喇叭過渡部分的尺寸(H，W和長度)，相位微分“X”在給定頻率下幾乎可以是正好90度或90度的任何奇整數(shù)倍(例如，-630度，-450度，-270度，-90度，90度，270度，450度，630度)。因此，在中心頻帶附近，喇叭過渡部分引入的標稱相位微分“X”可以用X＝90度*n描述，其中n是奇整數(shù)。這可以導(dǎo)致從CP到LP的優(yōu)良功率轉(zhuǎn)換和在單個頻率下的優(yōu)良交叉極化隔離性能以及在適當(dāng)帶寬上的良好交叉極化隔離。
圖4a-4b所示的第一個實施例在直線極性探針，縫隙以45度取向時工作得最好。然而，本發(fā)明的原理也適用于探針/縫隙有不同取向角構(gòu)成的任何其他實施例。
參照圖6a-6b描述的天線饋電喇叭600所示第二個實施例是寬帶高性能橢圓波束圓極性設(shè)計，它采用橢圓波束喇叭，仔細地設(shè)計成與附加的反向傾斜相位微分部分結(jié)合工作，可以在圖6c所示非常寬的頻帶上獲得大大改進的性能。為了實現(xiàn)這個實施例，本發(fā)明者認識到，第一個實施例中大多數(shù)圓極化器和橢圓形喇叭引入的相位微分在工作帶寬上不是恒定的。它與頻率之間的關(guān)系通常是傾斜的，如圖7所示。因此，對于第一個實施例的橢圓形喇叭，以及對于大多數(shù)的圓極性極化器，實現(xiàn)完全CP轉(zhuǎn)換所需的90度總相位微分僅僅發(fā)生在單個頻率上。相位微分與頻率之間關(guān)系的這種傾斜在帶寬上基本限制交叉極化性能。
在這個實施例中，本發(fā)明者還認識到，橢圓形孔徑接收裝置可以設(shè)計成包含橢圓形過渡部分和反向傾斜相位微分部分，反向傾斜相位微分部分在沿與橢圓形過渡部分相反的方向上引入相位微分(兩個正交直線模式之間)。具體地說，若這些元件(過渡部分或反向傾斜相位微分部分)中的一個元件在兩個正交分量之間引入相位滯后，則另一個元件可以設(shè)計成在這兩個正交分量之間引入相位超前。還可以協(xié)同地設(shè)計這兩個部分，它使總相位微分是90度或90度的奇整數(shù)倍。超前和滯后相位微分元件的組合產(chǎn)生它們相反的微分相位傾斜效應(yīng)，它允許天線喇叭組合部分引入的兩個直線分量之間總相位微分在很寬頻帶上是90度。換句話說，形成的交叉極化隔離在工作頻帶上是更佳和更恒定。
在這個具體例子中，喇叭過渡部分引入標稱相位微分“X”(例如，在中心頻帶上X＝130度)和放置在過渡部分之后的反向傾斜相位微分部分在所需標稱頻率下引入相反的相位微分“Y”(例如，Y＝-40度)，因此，通過喇叭過渡部分和反向傾斜相位微分部分形成的總相位微分是CP極化所需的90度。這可以利用反向傾斜相位微分補償(在這個例子中是130度-40度)的任何組合或90度的奇整數(shù)倍(例如，-630度，-450度，-270度，-90度，90度，270度，450度，630度等)完成。換句話說，在中心頻帶附近，這兩個部分引入的相位微分可以描述成如下的公式90*n＝X+Y，其中“n”是奇整數(shù)在這個公式中，X是喇叭過渡部分在兩個正交直線分量之間引入的標稱中心頻帶相位微分，而Y是反向相位傾斜部分引入的標稱中心頻帶相位微分，其中Y和X有相反的斜率(即，一個是正的，而另一個是負的)。
重要的是，“反向傾斜相位微分部分”的相位微分與頻率響應(yīng)之間關(guān)系和喇叭過渡部分的相位微分與頻率響應(yīng)之間關(guān)系是沿相反的方向傾斜，因此，形成的總相位微分與頻率之間關(guān)系是相對平坦的，它在很大的帶寬上保持接近于90度或90度奇整數(shù)倍。例如，如圖8所示，在11.2GHz，相位微分是93度(149度-56度)；在12.2GHz，相位微分是90度(130度-40度)；和在13.2GHz，相位微分是93度(114度-24度)。這導(dǎo)致在很大的帶寬上有優(yōu)良的CP轉(zhuǎn)換和優(yōu)良的CP交叉極化性能，如圖6c所示。
作為另一個例子，橢圓形喇叭過渡部分可以引入標稱70度相位微分，而反向相位傾斜部分可以引入-160度相位微分，從而得到標稱-90度總相位微分。這還意味著，例如，橢圓形喇叭過渡部分可以引入標稱470度相位微分，而反向相位傾斜部分可以引入標稱-200度相位微分，從而得到標稱270度總相位微分。
參照圖6a-6c描述的這個實施例600通常是略微長于參照圖4a-4c描述的第一個實施例400，但它仍然是相對容易和低成本制造的(模鑄造，機械加工等)，并整合到LNBF模鑄造外殼中。若反向相位傾斜部分是與脊對準，這些脊與橢圓形喇叭孔徑的長軸對準，且直線極性探針，縫隙等的取向是45度，則實施例600可以最佳地工作。然而，我們應(yīng)當(dāng)認為這個專利覆蓋各種不同設(shè)計的實施例，其中極化器和/或探針/縫隙有其他的取向角。本發(fā)明的原理也適用于任何其他的實施例，其中相位補償極化器的功能/部分分割成多個部分。
圖5A-5C所示的第三個實施例500是橢圓波束圓極性設(shè)計，它采用有相加相位微分部分的橢圓波束喇叭，可以在適當(dāng)?shù)膸捝蠈崿F(xiàn)CP極化轉(zhuǎn)換。在這個實施例中，本發(fā)明者認識到，橢圓形喇叭在兩個正交直線分量之間引入的相位微分“X”往往不同于90度(例如，X＝35度)，并可以添加相加相位微分部分以提供附加的相位微分“Y”(在這個例子中，Y＝55度)，從而在中心頻帶附近得到90度或90度奇整數(shù)倍(-630度，-450度，-270度，-90度，90度，270度，450度，630度，...)的總相位微分。喇叭過渡部分和相加相位微分部分的標稱相位微分部分確實是可相加的或沿相同的方向(若一個部分在兩個正交直線分量之間引入相位滯后，則另一個部分在這兩個分量之間也引入相位滯后)。因此，在中心頻帶附近，這兩個部分引入的相位微分可以描述為90*n＝X+Y，其中“n”是奇整數(shù)在這個公式中，X是喇叭過渡部分在兩個正交直線分量之間引入的標稱中心頻帶相位微分，而Y是相加相位傾斜部分引入的標稱中心頻帶相位微分，且Y與X必須有相同的符號。
通常，喇叭過渡部分和相加相位微分部分的相位微分與頻率之間關(guān)系曲線是沿相同的方向傾斜，因此，形成的總相位曲線是傾斜的，且相位微分在頻帶邊緣不是90度。所以，這個實施例在中心頻帶附近提供優(yōu)良的CP轉(zhuǎn)換和CP交叉極化性能以及在頻帶邊緣提供良好的性能。雖然這個實施例#3沒有實施例#2那樣寬的頻帶，但是它可以作為另一個具體的設(shè)計方案，其中對物理尺寸(特別是長度)有限制，而對帶寬的要求適度的。
若相加相位傾斜部分是與脊對準，這些脊與橢圓形喇叭孔徑的短軸對準，如圖5a-5c所示，且直線極性探針，縫隙等的取向是45度，則參照圖5a-5c描述的天線饋電喇叭500所示第三個實施例可以最佳地工作。然而，本發(fā)明的原理也適用于極化器和/或探針/縫隙有不同取向角構(gòu)成的任何其他實施例。本發(fā)明的原理還適用于任何其他的實施例，其中相位補償極化器的功能/部分被分割成多個部分。
包含圖9a-9h所示天線饋電喇叭900-990的第四個實施例利用多個相位微分部分，用于在橢圓(或長橢圓)或圓波束接收和/或發(fā)射裝置中實現(xiàn)多頻帶圓極性性能。許多應(yīng)用要求在反射器天線系統(tǒng)上通過相同的饋電喇叭接收和/或發(fā)射多個頻帶。例如，接收頻帶可以是在19.7-20.2GHz上，而發(fā)射頻帶可以是在29.5-30GHz上。很難設(shè)計在這兩個頻帶上都能工作得很好的圓極性極化器，若還要求喇叭有橢圓形照射，則該喇叭(以上討論的)引入的相位微分更增加了困難?？梢圆捎脤嵤├?，2，3中使用的方法以提高有橢圓饋電的圓極性性能，但是在頻率間隔很寬的多個頻帶應(yīng)用中，即使利用實施例#2，也不可能提供合適的性能。
為了實現(xiàn)這些實施例，本發(fā)明者認識到，在這種情況下可以利用多級相位微分部分與雙工器部分的組合以提取和隔離頻帶。為了簡化，我們描述僅僅有頻率間隔很寬的兩個頻帶作為例子(然而，這種技術(shù)可應(yīng)用于多個頻帶)。本發(fā)明者還認識到，與較高頻率比較，相位微分部分或喇叭過渡部分在較低頻率下可以引入較大的相位微分，而且我們明白，利用這個特點可以在多個頻帶上實現(xiàn)優(yōu)良的CP性能。
具體地說，在參照圖9a描述的天線饋電喇叭900中，本發(fā)明者認識到，喇叭過渡部分(HTS)和第一個相位微分部分(IPDS)可以在最低頻帶(例如，12.2-12.7GHz)上引入所需的標稱90度相位微分，而不是在較高頻帶上(例如，在標稱18.3-20.2GHz頻帶上僅有50度相位微分)，因此，較低頻帶(LB)可以從CP完全轉(zhuǎn)換成LP(單極性或雙極性)，并借助于典型的OMT或共極性雙工器(或其他裝置)使它與中央波導(dǎo)分開，從而允許上頻帶傳輸通過。上頻帶繼續(xù)通過第二個相位微分部分(SPDS)，它引入高頻帶所需的其余相加相位微分(在這個例子中是標稱40度)，因此，總的相位微分在上頻帶中心是標稱90度(50+40)。在這種情況下，SPDS在高頻帶上引入的相位微分(40度)是相加的，且SPDS中的這些脊是與IPDS中的脊對準(除非橢圓形喇叭過渡部分比IPDS引入更大的相位微分)。圖9b，9c，9d表示這個橢圓形喇叭概念的其他實施方案，且我們知道，橢圓形喇叭過渡部分在高頻帶和低頻帶上引入所需的部分相位微分。
作為另一個例子，參照圖9b描述的天線饋電喇叭920包括橢圓形過渡部分，它引入標稱130度的低頻帶相位微分和70度的高頻帶相位微分。IPDS引入標稱-40度的低頻帶反向傾斜相位微分和-25度的高頻帶相位微分。所以，在雙工器的輸入端，在低頻帶上引入90度(＝130度-40度)的相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的優(yōu)良低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取產(chǎn)生的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口，并傳輸僅有45度(＝70度-25度)相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需的標稱45度相加高頻帶相位微分，因此，得到總數(shù)為90度(＝70度-25度+45度)的高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
在參照圖9c描述的天線饋電喇叭940中，橢圓形喇叭引入標稱90度的低頻帶相位微分和50度的高頻帶相位微分。在這種情況下不需要IPDS，因為橢圓形喇叭引入全部標稱90度低頻帶相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的良好低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取產(chǎn)生的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口并傳輸僅有50度相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需標稱40度的相加高頻帶相位微分，因此，我們得到總數(shù)為90度(＝50度+40度)的高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
在參照圖9d描述的天線饋電喇叭950中，橢圓形喇叭引入標稱60度的低頻帶相位微分和35度的高頻帶相位微分。IPDS引入標稱30度的低頻帶相加相位微分和20度的高頻帶相位微分。因此，在雙工器的輸入端，在低頻帶已引入90度(＝60度+30度)的相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的良好低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取形成的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口并傳輸僅有55度(＝35度+20度)相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需的標稱35度相加高頻帶相位微分，因此，我們得到總數(shù)為90度(＝35度+20度+35度)的高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
參照圖9e描述的天線饋電喇叭960給出這樣一個例子，其中SPDS引入標稱-140度相位微分，而且它與HTS和IPDS在上頻帶引入的相位微分反向傾斜。如同在第二個實施例中，這種反向傾斜在整個上頻帶導(dǎo)致非常接近于-90度的總相位微分(例如，在上頻帶底部為-92＝60-152，在上頻帶中心為-90＝50-140，和在上頻帶頂部為-88＝40-128)，并在整個上頻帶獲得改進的CP交叉極化隔離性能。在這種情況下，SPDS或IPDS中的脊垂直于IPDS的脊(除非橢圓形喇叭過渡部分比IPDS引入更大的相位微分)。圖9f，g，h表示這種橢圓形喇叭概念的其他實施方案，且我們知道橢圓形喇叭過渡部分在高頻帶和低頻帶上引入所需的部分相位微分。
在參照圖9f描述的天線饋電喇叭970中，橢圓形過渡部分971引入標稱130度的低頻帶相位微分和70度的高頻帶相位微分。IPDS引入標稱-40度的低頻帶反向傾斜相位微分和-25度的高頻帶相位微分。因此，在雙工器的輸入端，在低頻帶上已引入90度(＝130度-40度)相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的優(yōu)良低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取形成的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口并傳輸僅有45度(＝70度-25度)相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需的標稱-135度反向傾斜高頻帶相位微分，因此，我們得到總數(shù)為-90度(＝70度-25度-135度)的高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
在參照圖9g描述的天線饋電喇叭980中，橢圓形過渡部分982引入標稱90度的低頻帶相位微分和50度的高頻帶相位微分。在這種情況下，我們不需要IPDS，因為橢圓形喇叭引入全部標稱90度低頻帶相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的良好低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取形成的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口并傳輸僅有50度相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需的標稱-160度反向傾斜高頻帶相位微分，因此，我們得到總數(shù)為-90度(＝50度-160度)的高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
在參照圖9h描述的天線饋電喇叭990中，橢圓形過渡部分991引入標稱60度的低頻帶相位微分和35度的高頻帶相位微分。IPDS引入標稱30度的低頻帶相加相位微分和20度的高頻帶相位微分。因此，在在雙工器的輸入端，在低頻帶上已引入90度(＝60度+30度)相位微分，從而實現(xiàn)從CP到LP的良好低頻帶轉(zhuǎn)換性能，因此，雙工器可以提取形成的低頻帶直線極性信號進入側(cè)邊端口并傳輸僅有55度(＝35度+20度)相位微分的高頻帶信號。然后，SPDS引入所需的標稱-145度反向傾斜高頻帶相位微分，因此，我們得到總數(shù)為-90度(＝35度+20度-145度)高頻帶相位微分，并在高頻帶上發(fā)生從CP到LP的良好轉(zhuǎn)換。
還應(yīng)當(dāng)注意，相位IPDS和SPDS可以設(shè)計成這樣，在低頻帶和高頻帶上形成的標稱相位微分是90度的整數(shù)倍。我們還容易地看到相同的原理不但可以改進兩個頻帶的性能，而且可以改進多個頻帶的性能，只要在分割的不同頻帶中每個相繼部分增加更多個相位補償部分。此外，我們還容易看到這些頻帶中的任何頻帶可以是直線極性，只要使拾取探針，縫隙等與極化器和/或相位補償部分對準。
參照圖11描述的天線饋電喇叭1100的第五個實施例是有相位補償部分與常規(guī)CP極化器結(jié)合使用的橢圓(或長橢圓)波束喇叭。為了實現(xiàn)這個實施例，本發(fā)明者認識到，相位補償部分可以設(shè)計成放置在橢圓形喇叭與CP極化器之間，因此，可以利用圖11a-11c所示沿傳統(tǒng)45度取向的常規(guī)CP極化器。這對于某些應(yīng)用中的機械封裝是方便的，因為拾取探針或縫隙(在OMT和/或雙工器件中)可以沿垂直方向或水平方向取向。
相位補償部分1104在兩個正交分量(在這個例子中是H分量和V分量)之間引入相位微分(例如，30度)，它與橢圓形喇叭已引入的相位微分(30度)相等和反向。因此，橢圓形喇叭和相位補償部分引入的總相位微分是零(＝30度-30度)。理論上，這在相位補償部分與CP極化器之間重新建立完全的CP，因此，可以利用沿45度取向的常規(guī)CP極化器，并得到垂直或水平取向的直線極性拾取探針，縫隙等，它對于某些LNB，LNBF，OMT和其他波導(dǎo)或其他饋電組件是方便的。事實上，常規(guī)的CP可以取向任何的角度，為了使拾取探針/縫隙可以沿多個任何方向取向。
若相位補償部分是沿垂直方向?qū)?，如圖11a所示，則這第五個實施例1100工作得最好。然而，本發(fā)明的原理適用于相位補償部分沿任何其他角度取向構(gòu)成的其他實施例。本發(fā)明的原理還適用于把相位補償部分/功能分割成多個部分或把CP極化器分割成多個部分/功能構(gòu)成的其他實施例。
在這第五個實施例中，喇叭，相位補償部分和常規(guī)極化器的總長度相對于第一個實施例通常是略微長一些且它的制作較困難，而相對于第二個實施例，它的長度要長得多且更難制作。然而，這第三個實施例的相位補償部分可以容易地和成本低整合到喇叭鑄件中。
現(xiàn)在參照圖10a-10b和12a-12c，所有這些實施例可用于單饋電或多饋電反射器系統(tǒng)，其中這些饋電可以分開或整體安裝到一個或多個外殼中，而外殼安裝在天線反射器上，可以產(chǎn)生多個接收和/或發(fā)射波束，用于接收或發(fā)射到多個標稱源和/或接收器位置，例如，多個衛(wèi)星位置，它們的間隔可以是最小為1度和最大為180度。圖3a-3d表示這樣一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)在反射器中心附近有整合到LNBF外殼中(三重LNBF＝有整體饋電的低噪聲部件下變換器)三個這種饋電以及整合到另一個LNBF外殼(雙重LNBF)中的其他兩個常規(guī)饋電，它遠離反射器中心。三重LNBF上的喇叭是相對密集排列的，可以提供反射器波束以接收來自三個衛(wèi)星的信號，這三個衛(wèi)星之間的間隔約為1.8度。雙重LNBF饋電的間隔要寬得多，用于接收相隔約為9度的衛(wèi)星信號。
更具體地說，在中央位置三重喇叭部件的LNBF中，外側(cè)兩個饋電用于西經(jīng)99.2度和102.8度標稱衛(wèi)星位置的Ka衛(wèi)星頻帶(下行鏈路頻率18.3-18.8GHz和19.7-20.2GHz)。中央饋電用于西經(jīng)101度標稱衛(wèi)星位置的Ku BSS(廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù))頻帶(下行鏈路頻率12.2-12.7GHz)。
在與外裝天線饋電部件連接的雙重LNBF中，兩個饋電用于西經(jīng)110度和119度標稱衛(wèi)星位置的Ku BSS(廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù))頻帶(下行鏈路頻率12.2-12.7GHz)。
圖12a-12c表示這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在反射器中心附近有一個這種饋電(與LNB連接并被覆蓋在屏蔽罩內(nèi))以及兩個其他常規(guī)圓形饋電LNBF(有整體饋電喇叭的低噪聲部件下變換器)，它們遠離反射器中心。中央饋電設(shè)計成從兩個位置非常接近的衛(wèi)星上接收圓極性。一個衛(wèi)星是用于Ku BSS頻帶，它的標稱位置是西經(jīng)119度；另一個衛(wèi)星是用于Ku FSS頻帶，它的標稱位置是西經(jīng)118.7度。中央饋電是橢圓波束圓極性寬帶饋電，如參照第二個實施例和圖6所描述的。通過在所需寬頻帶范圍內(nèi)改進增益，噪聲溫度，相鄰衛(wèi)星抑制和交叉極性隔離，它可以使橢圓形反射器系統(tǒng)的性能最大化。外側(cè)饋電與外裝支架之間有間距，用于從西經(jīng)110度和西經(jīng)128度接收Ku BSS頻帶業(yè)務(wù)。
所有這些業(yè)務(wù)要求和饋電同時支持右旋圓極性和左旋圓極性。當(dāng)然，這是一種特定的幾何結(jié)構(gòu)，但是如以上所討論的，本發(fā)明可用于各種頻率，極性和衛(wèi)星位置的許多組合。
在單極性應(yīng)用中，值得注意的是，過渡部分可以是從橢圓形輻射孔徑變化到矩形或其他長橢圓形波導(dǎo)(包括脊形波導(dǎo))，而不是到圓形或正方形波導(dǎo)。相對于橢圓形輻射孔徑的長軸或短軸，矩形波導(dǎo)的取向通常是45度。
本發(fā)明者還認識到，所有以上討論的實施例還可以包含附加的金屬或塑料脊，板，柱或其他結(jié)構(gòu)，它們是從長軸壁和/或短軸壁上凸出或與它們緊靠，它們凸出到喇叭過渡部分的咽喉。這樣做是為了更好地控制實際長度，滿足通用產(chǎn)品尺寸要求/約束和/或便于整合到多饋電組件的單個模鑄件部分。還可以利用它更好地控制過渡部分的相位微分與頻率之間關(guān)系相位微分量和曲線斜率。作為一個例子，圖10中的中央饋電表示有正方形天線饋電喇叭的實施例，在這個例子中，這些脊是在頂壁和底壁。在這兩個壁上添加脊可以迫使喇叭過渡部分(從長橢圓形到正方形波導(dǎo))變得較長，為的是提供所需的相位微分量(在這個情況下略大于90度)，而它也使反向傾斜相位微分部分伸長，因此，形成的總相位微分是90度。使這個中央饋電伸長是必要的，為了使它與外側(cè)饋電的長度匹配，因此，它們可以容易地模鑄造成單個部件。若這些脊形成在兩個側(cè)壁上，或在所有四個壁上，而不僅僅是在頂壁和底壁，則饋電可以做得短一些。
所以，我們應(yīng)該明白，本發(fā)明的各個實施例有以下描述的特征和優(yōu)點。
1.橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置包含可拆卸或整體電路(例如，低噪聲部件下變換器，放大器，發(fā)射器或收發(fā)器)，任何必需的波導(dǎo)接口元件和簡單的喇叭，它是在一個或多個部分突然過渡和/或平滑過渡，從圓形，或正方形波導(dǎo)變化到橢圓形，矩形或其他長的輻射孔徑，其中孔徑尺寸(高度和寬度)，圓形波導(dǎo)尺寸，和過渡部分尺寸(長度，高度，寬度，張角和臺階尺寸)是這樣選取的，它可以獲得良好的圓極性性能(匹配和交叉極化隔離)，和所需的輻射圖形特征，而不需要利用麻煩的金屬或介質(zhì)隔板或在喇叭內(nèi)部伸展的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)相位補償。這些尺寸的選取是為了在兩個正交直線模式之間得到相位微分，這兩個模式是與長橢圓形喇叭的寬軸(長軸)和窄軸(短軸)對齊。相位微分通常設(shè)計成在標稱頻率下為+90度或-90度，和在頻帶上有一定程度的變化，但可以是90度的任何奇整數(shù)倍，例如，-630度，-450度，-270度，-90度，90度，270度，450度，630度，等等。
2.橢圓形(或其他長橢圓形)圓極性接收和/或發(fā)射裝置包含可拆卸或整體電路(例如，低噪聲部件下變換器，放大器，發(fā)射器或收發(fā)器)，任何必需的波導(dǎo)接口元件和簡單的喇叭，它是在一個或多個部分突然過渡和/或平滑過渡，從圓形，或正方形波導(dǎo)變化到橢圓形，矩形或其他長的輻射孔徑，和反向傾斜相位微分部分。
3.橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置包含可拆卸或整體電路(例如，低噪聲部件下變換器，放大器，發(fā)射器或收發(fā)器)，任何必需的波導(dǎo)接口元件和簡單的喇叭，它是在一個或多個部分突然過渡和/或平滑過渡，從圓形，或正方形波導(dǎo)變化到橢圓形，矩形或其他長的輻射孔徑，和相加相位微分部分。
4.橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置包含附加的金屬或塑料脊，平板，柱或其他結(jié)構(gòu)，它們是從長軸的側(cè)壁和/或短軸的側(cè)壁凸出或緊靠側(cè)壁，因此，它們凸出到喇叭過渡部分的咽喉，其目的是
a)更好地控制實際長度，滿足通用產(chǎn)品尺寸要求/約束和/或便于整合到多饋電LNBF組件的單個模鑄件中，和b)好地控制過渡部分的相位微分與頻率之間的特定相移量和斜率。
5.橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置安裝在天線反射器上以產(chǎn)生接收波束和/或發(fā)射波束，用于接收或發(fā)射到標稱源和/或接收器位置，例如，標稱對地靜止位置，它在該位置有幾個衛(wèi)星，其中一個或多個頻帶和/或一個或多個極性可以被接收和/或發(fā)射到該位置。
6.多個橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置分開安裝或整合到一個或多個外殼內(nèi)，該外殼安裝在天線反射器上以產(chǎn)生接收和/或發(fā)射波束，用于接收或發(fā)射到多個標稱源和/或接收器位置，例如，多個衛(wèi)星位置，其中這些位置的最小間隔為1度和最大間隔為180度，且其中在一個或多個頻帶和/或一個或多個極性可以被接收和/或發(fā)射到每個位置。
7.上述優(yōu)點1和/或優(yōu)點2和/或優(yōu)點3和/或優(yōu)點4中所述類型的一個或多個橢圓形(或其他長橢圓形)波束圓極性接收和/或發(fā)射裝置，它有一個或多個圓極性和/或直線極性圓形孔徑接收裝置和/或一個或多個直線極性橢圓形(或其他長橢圓形)直線極性裝置安裝在天線反射器上以產(chǎn)生多個接收和/或發(fā)射波束，用于接收或發(fā)射到標稱源和/或接收器位置，例如，多個衛(wèi)星位置，其中這些位置的最小間隔為1度和最大間隔為180度。
權(quán)利要求
1.一種包括橢圓形反射器和多個天線饋電喇叭的圓極性天線系統(tǒng)，每個天線饋電喇叭配置成從不同衛(wèi)星接收下行鏈路信號，該天線饋電喇叭包括位于兩個外側(cè)橢圓形饋電喇叭之間有正方形中心天線饋電喇叭的中央位置三喇叭天線饋電部件，其中一個外側(cè)橢圓形饋電喇叭，配置成從西經(jīng)99.2度標稱位置的衛(wèi)星上接收Ka衛(wèi)星頻帶的下行鏈路頻率信號，另一個外側(cè)橢圓形饋電喇叭，配置成從西經(jīng)102.8度標稱位置的衛(wèi)星上接收Ka衛(wèi)星頻帶的下行鏈路頻率信號，和中央正方形天線饋電喇叭，配置成從西經(jīng)101度標稱位置的衛(wèi)星上接收Ku BSS衛(wèi)星頻帶的下行鏈路頻率信號；和偏心二喇叭外裝天線饋電部件，其中一個外裝天線饋電喇叭配置成從西經(jīng)110度標稱位置的衛(wèi)星上接收Ku BSS衛(wèi)星頻帶的下行鏈路頻率信號，和另一個外裝天線饋電喇叭配置成從西經(jīng)119度標稱位置的衛(wèi)星上接收Ku BSS衛(wèi)星頻帶的下行鏈路頻率信號。
全文摘要
一種相對低成本、容易安裝和美觀的數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星(DVBS)的橢圓形喇叭天線，它設(shè)計成作為部分的反射器天線系統(tǒng)(300)，用于接收圓極性衛(wèi)星電視廣播信號。這種類型天線可以利用有多個饋電喇叭的單個天線饋電喇叭實現(xiàn)，這些喇叭可以分開排列或構(gòu)成一個或多個整體饋電喇叭部件(304，306)。利用反向傾斜的微分相位部分，該天線可以設(shè)計成在寬頻帶和多個頻帶上獲得可接受的圓極性性能。
文檔編號H01Q13/00GK1906810SQ200580001574
公開日2007年1月31日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者斯科特·J·庫克 申請人:斯科特·J·庫克