反射天线的顶区域散射补偿方法和设备 交叉相关申请
本发明专利申请要求 Chris Hills、 John Curran 以及 Bruce Hughes 于 2009 年 12 月 16 日递交的、 名称为 “反射天线的顶区域散射补偿方法和设备” 的美国专利临时申请 No.61/286,815 的优先权， 该美国专利临时申请结合在此引作参考。
技术领域 本发明涉及微波反射天线。更具体地， 本发明涉及经由馈送组件的悬杆 （boom） 上 的 RF 反射表面实现顶区域散射补偿的反射天线， 这增强了反射天线信号模式特征。
背景技术 反射天线馈送组件大体上采用在悬杆 （馈送波导） 的近端上定位的顶板 / 前馈送毂 表面， 其中所述悬杆 （馈送波导） 靠近反射盘的焦点支承副反射器。顶板大体上改进了天线 的电压驻波比 （VSWR） ， 一种回波损失的指示。
尽管理想的反射天线应具有整个信号辐射以窄前束的方式指向的辐射模式， 但是 大量的信号沿不期望方向辐射， 包括射向天线后部。 对于星球微波通信系统而言， 后半球中 天线辐射特征的灵敏度是系统工程师考虑潜在干涉源的一个重要参数。 来自相邻的通信线 路或来自所设计的通信线路由天线所接收的外来信号能够严重地限制射电系统的载波噪 声比， 并且因而最终限制系统的载波能力。
反射天线信号模式中向前指向的信号辐射量与向后辐射的量被量化为天线的前 后比 （F/B） 。F/B 由国际标准所规定， 并且例如由 the FCC in 47 CFR Ch.1 Part 101.115 in the United States,by ETSI in EN302217-4-1 and EN302217-4-12 in Europe,and by ACMA RALI FX 3Appendix 11 in Australia 指定。
通过最小化天线对后半球 RF 信号的灵敏度， 微波抛物线型天线能够设计成满足 严格规定要求。 沿主反射盘的周边方向的馈送辐照与周边区域的几何形状一起经由衍射与 散射机制确定了天线在后半球中以及在前后半球之间的边界区域中的辐射模式特征。 在反 射盘边上的电磁边界状况使得电场取消入射垂直极化 （H- 平面） ， 但是使得电场继续入射水 平极化 （E- 平面） 。因而， 水平的 E- 平面内的辐射模式级别将高于该边界区域内的相应的 H- 平面。
通过馈送辐射器的高效设计能够控制被称为边缘辐照的反射器的周边上的定向 馈送辐照。例如， 正如 Hills 递交的名称为 “用于反射天线的调谐扰动锥馈送器” 的共同拥 有的美国实用新型专利 No.6,919,855 中所公开的那样， 诸如靠近馈送器的辐射孔径处采 用 RF 扼流器或褶皱的措施能够高效地减少溢出分量。
然而， 经由来自主反射器、 尤其来自靠近反射器顶部的区域的定向馈送辐照的散 射的反射器的周边的二次辐照能够显著地降级边缘辐照并且导致差的辐射模式控制、 尤其 导致从前向后半球的过渡区域内并进入到后半球中的差的辐射模式控制， 因而防止符合规 定要求。
反射天线市场中的竞争已经关注于提高电性能并最小化总制造与安装成本。因 此， 本发明的目的在于提供一种反射天线， 其克服现有技术中的缺陷， 包括减少前与后半球 之间的边缘区域上的以及进入到后半球中的散射的辐射模式分量。 附图说明
结合到申请文件中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例， 各附图中相同 的附图标记代表相同的特征或元件并且对其所出现的每幅图不再详细说明， 并且与本发明 上述给出的总体说明一起， 以下给出的实施例的详细说明用于解释本发明的原理。
图 1 是现有技术的深盘反射天线的示意性剖视图 ；
图 2 是图 1 的示意性剖视图， 示出了边缘辐照半角 T ；
图 3 是具有悬杆盘的示意性馈送系统的示意性透视图 ；
图 4 是在反射天线内安装的图 3 的馈送系统的示意性局部剖视图 ；
图 5 是图 3 的示意性横截面图 ；
图 6 是具有悬杆盘与 RF 吸收材料的馈送系统的示意性实施例的示意性透视图 ；
图 7 是图 6 的示意性横截面图 ；
图 8 是具有悬杆盘与介电套的馈送组件的示意性实施例的示意性横截面图 ； 图 9 是具有设有角形部分的悬杆盘的馈送组件的示意性实施例的示意性横截面图； 图 10 是具有设有周边波纹以及角形部分的悬杆盘的馈送组件的示意性实施例的 示意性横截面图 ；
图 11 是具有设有周边波纹以及角形部分的悬杆盘的馈送组件的示意性实施例的 示意性透视图 ；
图 12 是图表， 针对 2 波长直径悬杆盘在典型操作频带 （15GHz） 内示出了差情况边 缘锥化与悬杆盘轴向位置之间的典型关系 ；
图 13 是图表， 针对 2 波长直径悬杆盘在典型操作频带 （15GHz） 内示出了差情况馈 送返回损失与悬杆盘轴向位置之间的典型关系 ；
图 14a 和 14b 是图表， 示出了一组预测的 E- 平面与 H 平面馈送辐射模式， 它们分 别利用如图 1 所示没有顶板的馈送器在典型操作频带 （例如， 15GHz） 内以离散的频率获得 ；
图 15a 和 15b 是图表， 示出了一组预测的 E- 平面与 H 平面馈送辐射模式， 它们分 别利用如图 1 所示的、 组装在反射天线内之后的且包括用于 VSWR 匹配的顶板的馈送器在典 型操作频带 （例如， 15GHz） 内以离散的频率获得 ；
图 15c 是图表， 示出了在典型的操作频带 （15GHz） 内源自如图 1 所示的天线结构 的预测的 E- 平面天线辐射模式特征 ；
图 16a 和 16b 是图表， 示出了一组预测的 E- 平面与 H 平面馈送辐射模式， 它们分 别利用如图 3 所示的、 组装在反射天线内之后的且包括用于 VSWR 匹配的顶板和悬杆盘的馈 送器在典型操作频带 （例如， 15GHz） 内以离散的频率获得 ；
图 16c 是图表， 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内源自如图 4 所示的天线结构的 预测的 E- 平面天线辐射模式特征 ；
图 17 和 18 是图表， 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内以三个离散的频率分别源
自没有和具有这种结构的原则测量的 E- 平面天线组件共极化辐射模式 ；
图 19 和 20 是图表， 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内以三个离散的频率分别源 自没有和具有这种结构的原则测量的 E- 平面天线组件共极化辐射模式 ；
图 21 是图表， 示出了悬杆盘与在悬杆盘与顶区域之间定位的介电套一起的电性 能与没有介电套以及没有悬杆盘的电性能相比。 具体实施方式
如 图 1 和 2 所 示， 发明人已经分析了传统的深盘反射天线 （焦 距 / 直 径， F/ D<=0.25） 的电性能， 并且发现尽管在馈送波导 （悬杆） 6 靠近反射盘 8 的近端处存在诸如馈 送毂 5 的远端表面或顶板的 RF 反射表面 4， 但是顶区域 10 提供了明显的 VSWR 改进， 进入到 顶区域 10 内的馈送辐射 （也就是说同轴并靠近同轴分量地） 通过自顶区域 10 的反射和散射 而能够沿反射盘周边 12 的方向被重新辐射并且促进尤其二次辐射模式的水平极化平面或 E- 平面内的不期望的信号反射和衍射。
发明人已经设计出用于最小化不期望的馈送辐射从顶区域 10 至馈送结构的 E- 平 面反射和散射， 因而在与反射天线 2 集成之前与馈送结构的预计类似地实现边缘辐照， 并 且因而在前与后半球之间的边界处提供了设计级别信号鉴别并同时提高了 F/B。
例如， 如图 3 至 5 所示， 悬杆盘 18 增加至悬杆 6 的外表面提供了反射天线 2 的电性 能的显著改进。悬杆盘 18 能够提供电磁边界状况， 从而同轴的分量或接近同轴的分量 （其 通常将由反射天线 2 的顶区域 10 反射 / 散射） 被进一步重新指向到前半球中， 在那里， 该分 量的影响相当小。因而， 悬杆盘 18 减少了指向反射盘周边 12 的额外反射的馈送辐照分量。
发明人已经观察到通过在反射天线 2 的反射顶区域 10 与悬杆盘 18 之间例如如图 6 和 7 所示安置射频 （RF） 吸收材料 19 能够实现沿反射器周边的方向的散射分量的进一步 减少。发明人还观察到通过例如如图 8 所示在反射天线 2 的反射顶区域 10 与悬杆盘 18 的 后面之间安置介电套 21 附着在波导悬杆上， 能够沿反射器周边的方向进一步减少散射的 分量。
悬杆盘 18 能够由金属、 金属化材料或其它 RF 反射材料形成， 并且尺寸和位置例如 如图 5 所示设置成相对于悬杆板 18 外径为 A， 并且悬杆盘 18 的远端表面与顶区域 10 （馈送 毂 5 远端表面或顶板） 之间距离为 B。大体上， 最初利用目前的 RF 软件分析工具例如时域 有限差分 （FDTD） 确定尺寸 A 和 B 是在 1.75 与 2 倍波长之间并且在 0.25 与 1 倍波长之间， 从而优化包含顶区域的整个馈送组件 20 的辐射特征， 这然后可以通过整个反射天线 2 的分 析和 / 或测量得到证实。
尺寸 A 和 B 取决于馈送辐照的类型， 并且因此由基于它们的数字化分析确定。多 个候选的轴向距离能够分别表示为具有例如半个波长的倍数的间隔。对于本领域技术人 员显而易见的是， 随着悬杆盘轴向距离更靠近副反射器 14 移动， 所拦截的分量的幅度将增 加； 为了抵消沿边缘辐照半角 T 的方向自顶区域 10 的反射的分量的反射消除的最佳位置与 直径因此将取决于副反射器 14 的结构。
在悬杆盘 18 的靠近顶区域 10 的第一位置已经被识别之后， 必要的辐照半角 T 的 进一步最小值根据以下关系从靠近顶区域 10 开始以半个波长的倍书的间隔实现 ：
B= 波长 ×（2N+1） /2其中， N= 整数。
尺寸 A 大体上是在所期望的操作频带的 1.0 与 2.5 倍波长之间。
图 12 示出了对于 A=2 波长直径在 15GHz 频带内在半角 T 上差情况的馈送边缘辐 照对悬杆盘轴向位置 B/ 波长的预测。
如图 12 所示的差情况的预测是关于 2 波长直径 （A=2） 悬杆盘 18（在 15GHz 操作 频带内） ， 在辐照半角 T 处自馈送组件 20 的辐射信号水平 （也称为边缘辐照） 针对悬杆盘轴 向距离 B（波长） 。该图表包括针对孤立 （无顶板和悬杆盘） 的馈送组件 20 的以及针对具有 顶板的天线馈送的边缘辐照参考水平。轴向位置与边缘锥度之间的周期性关系是明显的 ； 在该实例中可以看出， 大约 0.45、 1.9 和 2.6 的悬杆盘轴向位置将提供等于或小于由孤立馈 送所预测的设计值的并且小于由不存在悬杆盘 18 所预测的水平的边缘辐照水平。在其它 实施例中， 悬杆盘的直径例如尺寸设置为在期望的操作频率的 1.0 与 2.5 倍波长之间， 并且 悬杆盘距馈送毂的前端期望的操作频率的 0.25 至 3.0 倍波长的位置定位。
随着悬杆盘 18 轴向位置更靠近副反射器 14 移动， 将出现一定程度的馈送辐射隐 蔽， 这反过来将影响反射天线 2 的辐射特征。此外， 天线回波损耗也将由于悬杆盘 18 的出 现和位置而受到影响。因此， 在实际中， 通过数字化和 / 或试验分析可以确定一种折衷， 从 而提供边界和 F/B 区域上的优化抑制的悬杆盘 18 轴向位置也提供前半球内的必要天线回 波损耗以及辐射模式方向性， 而这考虑到配属于边界抑制与 F/B 特征中的每个的优先性。 对于 2 波长直径 （A=2） 悬杆盘 18（在 15GHz 的操作频带内） 在如图 12 所示布置之 后， 图 13 示出了馈送回波损失关于悬杆盘轴向位置、 B（波长） 的差情况的预测， 其中显现所 选择的悬杆盘 18 位置的大约一半波长周期特性影响。此外， 清楚的是， 最佳回波损失并非 必然与最低边缘锥度对应， 并且因此， 在轴向位置中可以出现所期望的边缘锥度和回波损 失可以选择的折衷。
图 14a 至图 16c 示出了悬杆盘 18 对于 E- 平面和 H 平面馈送辐射模式的影响。图 14a（E- 平面） 和图 14b（H- 平面） 示出了孤立设计的馈送组件 20（没有反射盘 18） 的模 式。图 15a 示出了尤其在 E- 平面内关于边缘辐照半角 T 的降级， 这是由于来自顶板的反射 / 散射所造成的。图 15b 示出了尤其在 H- 平面内关于边缘辐照半角 T 的降级， 这是由于来 自顶板的反射 / 散射所造成的。图 15c 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内源自图 1 的反射 天线结构 （具有顶板且没有悬杆盘 18） 的预测的 E- 平面天线辐射模式。图 16a 示出了具有 A=2 波长、 B=2 波长的悬杆盘 18 的影响， 其中在 E- 平面内辐射半角上的信号水平被恢复回 到入射到反射盘 8 之前产生的馈送的设计水平。图 16b 示出了具有 A=2 波长、 B=2 波长的悬 杆盘 18 的影响， 其中在 H- 平面内辐射半角上的信号水平被恢复回到入射到反射盘 8 之前 产生的馈送的设计水平。图 16c 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内具有 A=2 波长以及 B=2 波长的图 4 的反射天线结构 （具有顶板与悬杆盘 18） 的预测的 E- 平面天线辐射结构。
图 17 至 20 示出了在典型操作频带 （15GHz） 内在三个离散的频率上具有和不具有 悬杆盘 18 的示意性 0.6 米直径反射天线 2 的 E- 平面和 H- 平面共极化辐射模式。就像 F/ B 的提高那样， 靠近前与后传递半球之间的边界区域的水平改进是明显的。 在这种情况中可 以看出， 悬杆盘 18 的出现有助于满足 ETSI 辐射模式包封 （3 级） 规定。
本领域技术人员将清楚尽管悬杆盘 18 在示意性实施例中示出为具有均匀周边的 大体圆形， 但是远端悬杆盘表面平坦化并与悬杆纵向轴线垂直也是可以的。在替代的实施
例中， 悬杆盘形状和 / 或远端表面可以根据所期望的电性能参数、 反射盘和 / 或副反射器结 构而调整。例如， 如图 9 至 10 所示， 远端悬杆盘表面相对于悬杆纵向轴线可以是成角度的 和 / 或具有完全的表面。悬杆盘 18 的周边还可以设置成具有与诸如椭圆形结构的反射盘 周边 12 的尺寸大体上对应的周边尺寸， 以与椭圆型反射盘 8 的外周轮廓匹配。此外， 根据 具体的所期望的电性能， 如图 10 至 11 所示， 悬杆盘 18 的周边可以设有诸如波纹部的结构。
边缘辐照主要是一种采用圆对称自支承波导馈送组件 20 的所谓的 “深” 反射盘 8 的问题， 其中馈送边缘辐照半角 >90 度， 并且其中， 将无需传统 RF 吸收衬垫屏罩地满足严格 规定要求。然而， 悬杆盘 18 还可以在其它反射盘结构中采用， 其中， 朝向反射盘 8 的周边期 望接近同轴辐射的专门 E- 平面抑制。
如前所述， 通过增加在悬杆盘 18 的后面与顶区域 10 的前面之间安置的 RF 吸收材 料 19——见图 6 至 7， 还可以实现前与后半球之间的边界区域内的辐射模式信号的进一步 抑制。RF 吸收材料的精确尺寸将取决于必要的规定， 但是与悬杆盘对应的外径是有代表性 的。
通过采用在悬杆盘的后面与顶前面 4 之间安置的介电筒， 可以实现附加的改进。 通过以经验直至测试范围上进行优化或者通过采用 FDTD 软件可以方便地设计例如与容易 可购的 PTFE 对应的、 2.1 的典型介电常数。装置是直径敏感性的并且大体上厚度是在 1 与 5 毫米之间。 图 21 示出了与无套的和无悬杆盘所获得的性能相比的已经利用如上所有话的悬 杆盘以及在悬杆盘与顶区域之间定位的介电套一起所获得的性能提高。
本领域技术人员将清楚， 通过增加悬杆盘 18 顶板散射补偿结构可以实现反射天 线 2 的电性能的限制改进， 同时最小化附加的制造和 / 或安装成本。
附图标记列表
2 4 5 6 8 10 12 14 18 19 反射天线 反射表面 馈送毂 悬杆 反射盘 顶区域 反射盘周边 副反射器 悬杆盘 射频吸收材料馈送组件 介电套 角形部分 波纹部其中， 在前述说明中， 已经参照了具有已知对等物的材料、 比率、 整数或成分， 那 么， 这些对等物再次如果期望的话可以单独地采用。
尽管本发明已经通过其实施例的说明被解释并且同时各实施例已经非常详细地 说明， 但是申请人不打算约束或以任何方式限制权利要求书的范围于这些细节。本领域技 术人员将容易清楚附加的优点和改型。因此， 本发明在其宽广的方面中并不限于所示和所 述的具体细节、 代表性设备、 方法和示意性实例。因此， 脱离这些细节所进行的改进不会脱 离申请人基本的发明内容的精神或范围。此外， 应当清楚在不脱离由权利要求书所限定的 本发明的范围或精神的前提下可以对本发明进行改进和 / 或调整。