通信天线系统和移动发射及接收反射器天线.pdf

一种适合于与移动平台，尤其是与飞机一起使用的反射器天线。该反射器天线包括天线孔径、位于移动平台外面的紧邻天线孔径的第一天线信号处理子系统、允许天线孔径围绕着方位角轴旋转的双通道同轴旋转接头和位于移动平台内部的第二天线信号处理子系统。天线孔径的馈电喇叭放在主反射器轴线中心上的开孔之内，从而允许使用较长的馈电喇叭，而不会在物理上干扰天线孔径的副反射器。第一天线信号处理子系统包括用于处理垂直极化RF能量和水平极化RF能量的分离通道。第二天线信号处理子系统包括发送子系统，用于放大和移相要发送给天线孔径以便发送的发送信号，还包括接收系统，用于处理接收到的RF信号，以提供右旋圆极化信号和左旋圆极化信号。

1.  一种适合用于移动平台上的反射器天线，包括：
主反射器，具有位于其轴线中心的开孔；
副反射器，被与所述主反射器向前分隔开来；
支承结构，用于支承与所述主反射器相对固定的所述副反射器；
馈电喇叭，被放置在所述开孔中，以便所述馈电喇叭的第一部分向所述主反射器的前方突出，而所述馈电喇叭的第二部分向所述主反射器的后方突出；和
天线电子子系统，用于处理发送到所述馈电喇叭或由所述馈电喇叭接收到的信号中的至少一个，并且被放置在紧邻所述主反射器的位置，以便被放置在所述移动平台之外。

2.  如权利要求1所述的反射器天线，其中所述天线电子子系统包括：
旋转同轴接头，被安装在所述移动平台的外表面上，并被连接到所述天线电子子系统；和
天线信号处理子系统，被放置在所述移动平台之内，并且与所述旋转同轴接头相互通信，用于处理发送到所述天线电子子系统或由所述天线电子子系统接收到的信号中的至少一个。

3.  如权利要求1所述的反射器天线，其中所述天线电子子系统包括正交模变换器，用于将由所述馈电喇叭接收到的信号分离成垂直极化RF能量和水平极化RF能量。

4.  如权利要求1所述的反射器天线，其中所述天线电子子系统包括与所述馈电喇叭相互通信的至少一个双工器，用于分离同时传送到所述馈电喇叭上和从所述馈电喇叭传送来的发送和接收信号。

5.  如权利要求1所述的反射器天线，其中所述天线电子子系统包括至少一个低噪声放大器(LNA)，用于放大由所述馈电喇叭接收到的信号。

6.  如权利要求2所述的反射器天线，其中所述天线信号处理子系统包括至少一个双工器，用于分离要传送到所述天线电子子系统上和从所述天线电子子系统传送来的发送和接收信号。

7.  如权利要求6所述的反射器天线，其中所述天线信号处理子系统进而包括：
高功率放大器，用以放大传送到所述双工器上的发送信号。

8.  一种适合用于移动平台上的反射器天线，包括：
主反射器，具有位于其轴线中心的开孔；
副反射器，被与所述主反射器向前分隔开来；
馈电喇叭，被放置在所述开孔中，以便所述馈电喇叭的第一部分向所述主反射器的前方突出，而所述馈电喇叭的第二部分向所述主反射器的后方突出；
第一天线信号处理子系统，用以处理传送到所述馈电喇叭或由所述馈电喇叭接收到的信号，并且被放置在紧邻所述主反射器的位置，以便被放置在所述移动平台之外；
第二天线信号处理子系统，与所述第一天线信号处理子系统相互通信，并且被放置在所述移动平台的内部，用于处理发送给所述第一天线信号处理子系统和从所述第一天线信号处理子系统接收到的信号；和
旋转接头，被放置在所述移动平台的外表面上，用于将所述第一天线信号处理子系统和第二天线信号处理子系统连接起来。

9.  如权利要求8所述的反射器天线，其中所述第一天线信号处理子系统包括：
正交模变换器，用以将由所述馈电喇叭接收到的信号分离成垂直极化RF能量和水平极化RF能量；
垂直极化信号处理子系统，与所述正交模变换器相互通信，用以处理传送给所述正交模变换器或从所述正交模变换器接收到的垂直极化RF能量；
水平极化信号处理子系统，与所述正交模变换器相互通信，用以处理传送给所述正交模变换器或从所述正交模变换器接收到的水平极化RF能量；

10.  如权利要求9所述的反射器天线，其中所述第二天线信号处理子系统包括：
发送子系统，包含：
移相器，被放置在所述发送子系统之内，用于将所要求的移相度数传给要从所述馈电喇叭上发送的发送信号；
高功率放大器，用于放大所述发送信号；
第一双工器，用于将所述发送子系统和所述旋转同轴接头连接起来；和
接收子系统，包含：
第二双工器，用于将所述接收子系统和所述旋转同轴接头连接起来；和
带通滤波器，响应于来自所述第二双工器的信号，用于滤出从所述旋转同轴接头接收到的、在所要求的频带范围之外的信号。

11.  一种适合用于移动平台上的反射器天线，包括：
主反射器，具有位于其轴线中心的开孔；
副反射器，被与所述主反射器向前分隔开来；
馈电喇叭，被放置在所述开孔中，以便所述馈电喇叭的第一部分向所述主反射器的前方突出，而所述馈电喇叭的第二部分向所述主反射器的后方突出；
第一天线信号处理子系统，用以处理传送到所述馈电喇叭或由所述馈电喇叭接收的信号，并且被放置在紧邻所述主反射器的位置，以便被放置在所述移动平台之外；
所述第一天线信号处理子系统包含：
正交模变换器，与所述馈电喇叭相互通信，用以将由所述馈电喇叭接收到的RF信号分离成垂直极化信号和水平极化信号；
第一对双工器，用于处理所述水平极化信号；
第二对双工器，用于处理所述垂直极化信号；
第二天线信号处理子系统，与所述第一天线信号处理子系统相互通信，并且被放置在所述移动平台的内部，用以处理发送给所述第一天线信号处理子系统和从所述第一天线信号处理子系统接收到的信号；
所述第二天线信号处理子系统包含第三对双工器，用于处理发送给所述第一天线信号处理子系统的发送信号，以及用于处理从所述第一天线信号处理子系统接收到的接收信号；和
旋转同轴接头，被放置在所述移动平台的外表面上，用以将所述第一天线信号处理子系统和第二天线信号处理子系统连接起来，以便允许在所述第一天线信号处理子系统和第二天线信号处理子系统之间进行双向通信。

12.  如权利要求11所述的反射器天线，其中所述双工器中的每一个都根据所述接收信号和所述发送信号的频率，将由此通过的信号分离成所述接收信号和所述发送信号中的一个。

13.  如权利要求11所述的反射器天线，其中所述旋转同轴接头包括双通道接头，用于为垂直极化信号和水平极化信号提供分离的通道。

14.  如权利要求11所述的反射器天线，其中所述第二天线信号处理子系统包括发送子系统和接收子系统。

15.  如权利要求14所述的反射器天线，其中所述发送子系统包括高功率放大器，用以放大被传送到所述第一天线信号处理子系统中的所述发送信号。

16.  如权利要求14所述的反射器天线，其中所述接收子系统包含带通滤波器，用于排除在所要求的频率范围之外的信号。

17.  一种用于构成适合用于移动平台上的反射器天线的方法，该方法包括：
将主反射器放置在所述移动平台之外，所述主反射器具有位于其轴线中心的开孔；
将副反射器放置在与所述主反射器向前分隔开来的位置上；
在所述开孔中放置馈电喇叭，以便所述馈电喇叭的第一部分向所述主反射器的前方突出，而所述馈电喇叭的第二部分向所述主反射器的后方突出；
使用变换器将由所述馈电喇叭接收到的信号分离成垂直极化信号和水平极化信号；
使用第一天线信号处理子系统来构成两个通道，以便处理传送给所述变换器和从所述变换器传送来的所述垂直极化信号和所述水平极化信号；
使用放置在所述移动平台之内并与所述第一天线信号处理子系统相互通信的第二天线信号处理子系统，来构成发送子系统和接收子系统，所述发送子系统可用于移相并且放大要发送到所述第一天线信号处理子系统中的发送信号，并且所述接收子系统可用于对从所述第一天线信号处理子系统接收到的接收信号进行滤波；以及
使用放置在所述移动平台的外表面上的旋转接头，来连接所述第一天线信号处理子系统和第二天线信号处理子系统，以便进行所述发送和接收信号的双向传送。

通信天线系统和移动发射及接收反射器天线
技术领域
本发明涉及天线系统，更具体地说，涉及一种适合于放在像飞机之类的移动平台的外表面上的反射器天线(reflector antenna)，并且该反射器天线包括位于移动平台外表面上的紧邻天线孔径的某些信号处理部件以及放在移动平台内部的某些信号处理部件。
背景技术
天线系统被用于各种应用之中。越来越重要的一种应用是与卫星链接的通信系统相连，以便为像飞机之类的移动平台提供因特网连接。在这样的应用中，当放置在飞机上的天线系统被安装到飞机机身的外表面上时，必须呈现为高度和宽度较小的物体，以使该天线系统不会对飞机的空气动力特性产生有害影响。然而，这样的天线必须要有高的增益/温度比(gain/temperature，G/T)，并且包括能够沿着方位角轴和仰角轴旋转的天线孔径，从而能让天线指向所要求的方向。
对于这样的天线，另外要考虑的因素是某些信号处理部件的位置。希望把某些信号处理部件放在移动平台的内部。这样，在需要对天线系统进行修理或维护的情况下，就可以方便地接近这些部件。相反地，希望能将如低噪声放大器之类的其它部件放在靠近天线孔径的地方。这将有助于确保天线能获得高的G/T。
对于像卡塞格伦(cassegrain)天线系统之类的反射器天线而言，要考虑的另一个问题是所用的馈电喇叭(feedhorb)的长度。在发送和接收天线模式中，馈电喇叭要有特定的长度，这个长度是有效照射副反射器以及最大限度地减少通过提供高旁瓣的副反射器的溢出能量所需要的。然而，馈电喇叭必须足够短，以使其不会产生具有不可接受的高剖面(profile)的天线，并且，如果把它放在像喷气式飞机这样的快速移动的移动平台上，也不会产生具有不可接受的空气动力阻力的天线。
因此，本发明的主要目的是提供一种天线系统，它特别适合于安装在像飞机这样的移动平台的外表面上，并且呈现出具有高效空气动力特性的低剖面。本发明的另一个目的是提供这样的天线系统，它包括某些安装在移动平台外面的部件以及其它一些安装在移动平台内部的部件。照此方式，可以这样来放置那些物理上需要放在天线孔径附近以便最大化天线性能的部件，与此同时，可将其它的不需要放在天线孔径附近的部件放置在移动平台内部，以便易于修理和/或维护。
发明内容
由根据本发明优选实施例的发送/接收(TX/RX)反射器天线系统实现本发明的上述和其它目的。TX/RX反射器天线系统包括由主反射器、副反射器和馈电喇叭构成的天线孔径。将馈电喇叭放在主反射器的轴线中心上的开孔之内，以使得馈电喇叭的一部分向主反射器的前部延伸，而馈电喇叭的另一部分向主反射器的后部延伸。照此方式，能够采用较长的馈电喇叭，而不会产生具有不可接受的大横截面剖面的天线，在像喷气式飞机这样的快速移动的移动平台上，这种剖面在空气动力特性上是无效的。
在一个优选实施例中，将第一天线信号处理子系统放在天线罩下、移动平台之外紧靠天线孔径的地方，将第二天线信号处理子系统放在移动平台内部。用旋转接头将这两个子系统连接起来，在优选的形式中，此旋转接头包含双通道同轴旋转接头。第一天线信号处理子系统包括两对双工器。第一对用于处理垂直极化RF能量，而第二对用于处理水平极化RF能量。与馈电喇叭通信的适合的变换器将由天线孔径接收到的圆极化(RHCP和LHCP)RF信号分离成垂直分量和水平分量，以便进行信号处理。此外，在执行发送功能期间，该变换器接收可变相角的垂直分量和水平分量，它们被馈入到馈电喇叭中，以便产生具有可变角的线性极化。
第二天线信号处理子系统还包括第三对双工器。该第三对双工器中的一个用于发送子系统中，另一个则用在接收子系统中。发送子系统进一步包括至少一个高功率放大器和至少一个移相器，用以放大和移相要发送到天线孔径的发送信号。接收子系统包括至少一个带通滤波器，用于对由天线孔径接收到地信号进行滤波。发送和接收子系统的每一个还都包括混合电路，用于与第二天线信号处理子系统的发送输入或接收输出之一相接合。
第一天线信号处理子系统进而包括至少一个，并且最好是一对，低噪声放大器。此低噪声放大器位于紧邻主反射器的放置，以便使天线系统能够实现高的增益/温度比(G/T)。将第二天线信号处理子系统的高功率放大器放在移动平台之中，这样，在需要维护和修理的情况下，能够方便地接近它们。将第二天线信号处理子系统的部件放在移动平台之中，也有利于限制必须放在移动平台外面的天线结构的物理尺寸，并且也有助于确保移动平台的空气动力特性不会受到存在这些部件的害影响。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的天线系统的简化方块图。
具体实施方式
参照附图1，示出了根据本发明优选实施例的天线系统10。天线系统10通常包括天线孔径12、第一天线信号处理子系统14、第二天线信号处理子系统16和适合的旋转接头18，以便利于分别在第一和第二子系统14和16之间进行双向通信。
天线孔径12包括主反射器20、副反射器22和放在主反射器20的轴线中心上的开孔26，其中副反射器22由支承结构24来向主反射器20的前方支承。放在开孔26之中的是馈电喇叭28。在优选形式中，馈电喇叭28的长度最好是70mm。然而，包含预先存在部件的主反射器20和副反射器22的结构并不允许具有该长度的馈电喇叭。通过将馈电喇叭28放在开孔26之中来解决这个问题，这样，馈电喇叭的第一部分向着主反射器20的前部(即朝着副反射器22)突出，而馈电喇叭的第二部分向着主反射器20的后部突出。使用长度约为70mm的馈电喇叭28，可允许由天线孔径12发送的信号旁瓣减至最小。将馈电喇叭28放在开孔26之中，也可允许天线孔径12的横截面高度保持在较低的高度上，这个高度不会对其上安装有天线孔径12的移动平台的空气动力特性产生有害的影响。
参见图1，将馈电喇叭28与变换器30相连接，变换器30用于将由天线孔径12发送和接收的RF信号分离为垂直极化RF能量和水平极化RF能量。在允许形式中，变换器30包含正交模变换器(OMT)。将一对单通道旋转接头32和34与变换器30连接起来，以便允许天线孔径12围绕着它的仰角轴36运动。
第一天线信号处理子系统14包括第一通道38，用以处理由天线孔径12接收或由天线孔径12发送的垂直极化RF能量。第二通道40处理由天线孔径12接收或正由天线孔径12发送的水平极化RF能量。第一通道38包括双工器42、一对带通滤波器(BFP)44a和44b、一对低噪声放大器(LNA)46a和46b和第二双工器48。部件44b和46构成了通道38的“接收支路”。双工器42用于按频率来分解、传送和接收信号，其中接收信号被引导通过部件44b、46和48。在优选形式中，接收信号的频率大约在11.2GHz-12.7GHz之间。在由LNA 46b放大之前，带通滤波器44滤出在此频率范围之外的信号。在输出到旋转接头18之前，在双工器48中将接收信号进行重新组合。第一通道38的电路线50和带通滤波器44a构成了“发送支路”，它允许将发送信号从双工器48通过滤波器44a传送到双工器42中，并从双工器42通过变换器30传送到天线孔径12中。
于是，双工器42和52执行分离发送信号和接收信号的重要功能，这样就可以用LNA 46和56来放大这些信号。由于LNA 46和56位于靠近主反射器20的地方，因此能得到高的增益/温度比。
仍然参见图1，第二通道40也包括双工器52、带通滤波器54b、低噪声放大器56a和56b、第二双工器48和具有带通滤波器54a的电路线60。第二通道40按与第一通道38相同的方式操作，但仅处理水平极化RF能量。将整个的第一天线信号处理子系统14放在移动平台外面、靠近天线孔径12的主反射器20的地方。低噪声放大器46和56位于靠近主反射器20放置，以使天线系统10能实现高的增益/温度比(G/T)。
将第二天线信号处理子系统16放在移动平台的内部，该子系统包括发送子系统62和接收子系统64。发送子系统62包括双工器66、混合电路68、一对高功率放大器(HPA)70和72、一对可变移相器74和混合电路76。接收子系统64包括双工器78、一对带通滤波器80和82以及混合电路84。其优点在于，在第二信号处理子系统16中，高功率放大器(HPA)70位于移动平台之中，因此易于接近其中的部件以便进行修理和维护。
发送子系统62将发送(TX)信号分离为具有可变相对相角的两个正交分量，并在将其馈入到混合电路68和双工器78之前，放大这两个正交TX信号。点88是混合电路76的终端，而输入86用于接收发送输入信号。接收子系统64是用来对由天线孔径12接收并通过旋转接头18发送的RF信号进行滤波。混合电路84包括用以提供右旋圆极化信号的第一输出90和用以提供左旋圆极化信号的输出92。双工器66起着将从旋转接头18接收的垂直极化RF能量提供到带通滤波器80中的作用，与此同时，双工器78可以将从第一天线信号处理子系统14的第二通道40接收到的水平极化能量提供给带通滤波器82。滤波器80和82滤出在所要求的频率范围(在此例中为11.2GHz-12.7GHz)之外的RF能量分量。混合电路68用来产生电路线94上的垂直极化发送信号和电路线96上的水平极化RF信号。这些信号分别通过双工器66和78、通过旋转接头18、并且被分别发送到第一天线信号处理子系统14的第一通道38和第二通道40之中。
这样，天线系统10构成了这样的装置，利用这个装置可把某些所要求的部件放在移动平台的外面并且靠近主反射器20的地方，以便最大化天线性能。而其它的部件则放在移动平台内部，以便于为修理和维护目的而接近。天线系统10允许使用双通道同轴旋转接头，该接头的总高度比常规波导接头要小得多。与常规波导接头的约为5英寸的高度相比，同轴旋转接头18的高度约为1英寸。
根据以上提供的详细描述，本发明适用性的其他方面变得更加清楚。应当了解的是，虽然详细描述和具体示例指示本发明的优选实施例，但是这些详细描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。