專利名稱：中央饋電的天線系統(tǒng)和優(yōu)化這種天線系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中央饋電的天線系統(tǒng)和優(yōu)化這種天線系統(tǒng)的方法。
這種天線系統(tǒng)通常是具有一個(gè)單反射器和一個(gè)饋電系統(tǒng)的系統(tǒng)，然而也有雙反射器系統(tǒng)，其中饋電系統(tǒng)照射一個(gè)子反射器，它以其表面照射主反射器。下面我們總是描述單反射器天線系統(tǒng)，然而所述技術(shù)方案也可用于雙反射器天線系統(tǒng)。
與具有一個(gè)單反射器和一個(gè)偏置的饋電系統(tǒng)的天線相比，中央饋電的具有一個(gè)單反射器的天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上更緊湊。在電磁性能上中央饋電的天線沒有偏置-交叉極化，因而比具有單反射器和偏置饋電系統(tǒng)的天線系統(tǒng)有更小的交叉極化。然而中央饋電的天線在電磁性能上有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)第一個(gè)缺點(diǎn)是由反射器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)被饋電系統(tǒng)及用來支撐饋電系統(tǒng)和饋電電纜的支架遮擋，另一個(gè)缺點(diǎn)是該電磁場(chǎng)反作用于饋電系統(tǒng)。上述遮擋主要對(duì)共極化天線方向圖有影響此方向圖在主輻射方向上出現(xiàn)波動(dòng)并且改變旁瓣的大小。在圓極化的中央饋電天線情況下還出現(xiàn)更強(qiáng)的交叉極化。反射器輻射的近場(chǎng)對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用主要影響交叉極化的天線方向圖和整個(gè)系統(tǒng)的反射系數(shù)。
可這樣來減小遮擋處于近場(chǎng)中的天線系統(tǒng)部件，即支架，饋電系統(tǒng)及電纜被結(jié)構(gòu)成盡可能對(duì)電磁場(chǎng)透明的；此外可以采用導(dǎo)電的外罩，它避免了在近場(chǎng)區(qū)中的附加散射，因而也減小了在遠(yuǎn)場(chǎng)中的干擾。
近場(chǎng)對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用可用干擾體或散射體來避免，例如用小的錐形散射體，它被放在反射器的中央。如此構(gòu)成散射體，使得它形成的散射場(chǎng)和反射器反射的近場(chǎng)在饋電系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)抵消性地相互迭加，在這里產(chǎn)生零點(diǎn)。然而這個(gè)散射場(chǎng)自然也干擾遠(yuǎn)場(chǎng)。
本發(fā)明的目的在于，如此改動(dòng)中央饋電的天線系統(tǒng)，使得遮擋作用和對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用明顯減??；此外還提出了實(shí)現(xiàn)此任務(wù)的方法。
此任務(wù)對(duì)于中央饋電的天線系統(tǒng)由權(quán)利要求1所述的特征完成；提出一種方法的任務(wù)由其它獨(dú)立的權(quán)利要求所述的特征完成。
按照本發(fā)明總有效反射器表面本質(zhì)上如此構(gòu)成相應(yīng)于遠(yuǎn)場(chǎng)的要求，輻射覆蓋區(qū)上的共極化遠(yuǎn)場(chǎng)達(dá)到最大，并且在饋電系統(tǒng)處的共極化近場(chǎng)達(dá)到最小，例如在喇叭的口徑上近場(chǎng)最小。
在計(jì)算機(jī)中借助于一個(gè)軟件程序確定反射器系統(tǒng)的有效表面的實(shí)際結(jié)構(gòu)。首先用一個(gè)程序根據(jù)對(duì)共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的要求計(jì)算反射器的表面結(jié)構(gòu)，這時(shí)首先忽略反射器表面和饋電系統(tǒng)之間的反作用。一個(gè)這樣的程序是已知的并被稱為PO-程序，即物理光學(xué)-程序；參見“StigBusk SorensenPOS指南，物理光學(xué)單反射器成形程序，TICRA工程咨詢，哥本哈根，丹麥，1995年6月”。這樣得到了一個(gè)滿足有關(guān)對(duì)共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的要求的天線系統(tǒng)的計(jì)算模型。
這個(gè)計(jì)算模型然后借助于一個(gè)優(yōu)化程序被進(jìn)一步優(yōu)化，該程序被應(yīng)用于本質(zhì)上整體起作用的反射體表面，優(yōu)化使得近場(chǎng)對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用基本上為零值，并且此優(yōu)化基本上不改變共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的性能。
借助于這種優(yōu)化整體起作用的天線表面的方法，整個(gè)系統(tǒng)的反射系數(shù)和共極化及交叉極化性能明顯被改善。
下面借助附圖所示實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖中

圖1是一個(gè)用一個(gè)喇叭作為饋電系統(tǒng)并具有一個(gè)單反射器的中央饋電天線的示意性透視圖，反射器的表面是按照本發(fā)明成形的；圖2是按本發(fā)明成形的反射器的表面構(gòu)造相對(duì)于通常的拋物面反射器的偏差的示意性透視圖；圖3示出一個(gè)具有拋物面反射器的參考系統(tǒng)在X方向上極化的整個(gè)系統(tǒng)的反射系數(shù)和按照本發(fā)明的天線系統(tǒng)在X方向上及在Y方向上極化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的反射系數(shù)；圖4a至4d是一個(gè)參考系統(tǒng)與一個(gè)按照本發(fā)明的天線系統(tǒng)在共極化和交叉極化中覆蓋區(qū)上在仰角和方位角上天線方向圖的比較。
圖1示出一個(gè)具有一個(gè)單反射器2和一個(gè)饋電系統(tǒng)的中央饋電系統(tǒng)1，在圖示情況下饋電系統(tǒng)是一個(gè)喇叭3，喇叭通過4個(gè)支架4被固定在反射器2上方中央處，喇叭通過電纜5被饋電。
反射器2是一個(gè)拋物面反射器，它按照傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，使得要求的覆蓋區(qū)6(圖4)被滿意地輻射。天線系統(tǒng)1例如用在一個(gè)通信衛(wèi)星上，因而覆蓋區(qū)是地球表面上的一個(gè)規(guī)定區(qū)域。
為了減小由喇叭，支架和電纜造成的遠(yuǎn)場(chǎng)衰減，支架4被制造成由玻璃纖維加強(qiáng)的塑料構(gòu)成的具有蜂窩結(jié)構(gòu)的支桿，最好用Aramit纖維作為纖維。喇叭3被用一反射薄膜，例如鋁薄膜粗略地包起來，它主要用來避免近場(chǎng)在銳利的邊緣上的反射。
首先借助于軟件程序如此計(jì)算拋物面反射器的表面，使天線系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)覆蓋所希望的覆蓋區(qū)6。這例如借助于上述PO-程序完成。
接著進(jìn)行一個(gè)同樣由計(jì)算機(jī)支持的，借助一個(gè)優(yōu)選程序的優(yōu)化過程，用它主要對(duì)整個(gè)反射面逐點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以一方面優(yōu)化近場(chǎng)中狀況，另一方面遠(yuǎn)場(chǎng)中的狀況。近場(chǎng)中的狀況主要是指如此設(shè)計(jì)此表面，使得在喇叭口徑處的共極化近場(chǎng)出現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)，并且在覆蓋區(qū)共極化遠(yuǎn)場(chǎng)最大。
圖2示出這樣計(jì)算出的優(yōu)化反射器表面相對(duì)于成形前的反射器表面的偏差。數(shù)據(jù)適用于具有100厘米直徑且喇叭中央在拋物面反射器中央上面相距約40厘米處的一個(gè)天線反射器。此天線的頻帶在雙重線性極化工作時(shí)在5．8與6．4GHz之間。圖2中所示優(yōu)化的反射器2與成形前的拋物面形狀的偏差在-1．74毫米和+4．41毫米之間。
圖3示出整個(gè)系統(tǒng)及具有成形前的拋物面反射器的參考系統(tǒng)在5．6與6．5GHz之間的反射系數(shù)。其中7是參考系統(tǒng)共極化的曲線；8是按照?qǐng)D1和2優(yōu)化的天線系統(tǒng)的相應(yīng)曲線。由圖可見，其值明顯更優(yōu)。9是按照本發(fā)明的天線系統(tǒng)交叉極化的曲線。整個(gè)系統(tǒng)的平均振幅約為22dB。
圖4示出具有拋物面反射器的參考系統(tǒng)和本發(fā)明天線系統(tǒng)在覆蓋區(qū)6上的天線方向圖圖4a和4b示出參考系統(tǒng)及本發(fā)明系統(tǒng)的共極化天線方向圖，其中線條用相應(yīng)分貝值標(biāo)出。由圖4a所示參考系統(tǒng)的天線方向圖可清楚看出大約在覆蓋區(qū)6中心的一個(gè)區(qū)域10，它被標(biāo)以24 dB的線條包圍。這一個(gè)區(qū)域在圖4b所示本發(fā)明天線系統(tǒng)的天線方向圖中不存在。本發(fā)明天線系統(tǒng)的整個(gè)覆蓋區(qū)類似于標(biāo)以24 dB的線條包包圍的區(qū)域?？偠灾幢景l(fā)明優(yōu)化天線反射器的整個(gè)表面可以更好地形成共極化遠(yuǎn)場(chǎng)。由喇叭，支桿和電纜引起的干擾造成的共極化場(chǎng)的衰減在本發(fā)明天線系統(tǒng)中被大大降低。
圖4c示出參考系統(tǒng)交叉極化天線方向圖，圖4d示出本發(fā)明天線系統(tǒng)相應(yīng)天線方向圖。由圖清楚看出，本發(fā)明取得了明顯的天線性能改善，即通過對(duì)主要是整個(gè)反射器表面的優(yōu)化，減小了近場(chǎng)對(duì)饋電系統(tǒng)反作用的影響。
總而言之，整個(gè)系統(tǒng)被改進(jìn)了，由于衰減和對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用產(chǎn)生的干擾影響等效于干擾源減小了-30 dB以上。
在本說明結(jié)束處的表中列出了以下參數(shù)的值最大總反射系數(shù)，在輻射的覆蓋區(qū)邊緣上的最小增益，5．854與6．297GHz間頻帶中覆蓋區(qū)內(nèi)的最小增益，在整個(gè)覆蓋區(qū)上的最大交叉極化和最小交叉極化鑒別XPD，即同樣在5．854和6．298GHz間頻帶中整個(gè)輻射的覆蓋區(qū)上共極化和交叉極化間逐點(diǎn)的比值，分別對(duì)以下三種天線給出了上述參數(shù)值一個(gè)作為參考的拋物面天線，一個(gè)具有中央干擾體的拋物面天線和按照本發(fā)明成形整個(gè)表面的反射器構(gòu)成的天線系統(tǒng)。
可以看出，由近場(chǎng)對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用產(chǎn)生的交叉極化天線性能可以通過成形整個(gè)的反射器表面而比采用干擾體時(shí)的更好。在覆蓋區(qū)邊緣共極化的天線性能上，按本發(fā)明優(yōu)化的反射器表面比采用干擾體時(shí)的更好。干擾體干擾整個(gè)的場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)原來是滿足共極化下的要求的。相反，按照本發(fā)明成形的反射器表面在共極化的天線性能和減小對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用之間有良好的折衷。
總之，成形整個(gè)的反射器表面導(dǎo)至比應(yīng)用干擾體時(shí)明顯更好的電氣性能。
在前面僅敘述了具有單反射器的天線系統(tǒng)的優(yōu)化，當(dāng)然具有雙反射器，即一個(gè)子反射器和一個(gè)主反射器的天線系統(tǒng)也可按照本發(fā)明進(jìn)行優(yōu)化。此時(shí)首先對(duì)被饋電系統(tǒng)照射的子反射器整個(gè)表面進(jìn)行優(yōu)化，以減小對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用和最佳地照射主反射器。接著再優(yōu)化主反射器，此優(yōu)化使共極化在覆蓋區(qū)上的最大值極大化且對(duì)子反射器的反作用極小化。
本發(fā)明的所有方法的優(yōu)化結(jié)果與分析的很好地符合，即天線系統(tǒng)的測(cè)得性能與計(jì)算的性能很好的相符合。這樣本發(fā)明的方法提供了可供使用的有效工具，用以設(shè)計(jì)天線系統(tǒng)而無(wú)需復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1．具有一個(gè)饋電系統(tǒng)和一個(gè)照射覆蓋區(qū)的反射器系統(tǒng)，例如一個(gè)單反射器或一個(gè)雙反射器的中央饋電的天線系統(tǒng)，其特征在于，本質(zhì)上如此成形整個(gè)的有效反射器表面，使得對(duì)應(yīng)于對(duì)天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)的要求，共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的最大值在覆蓋區(qū)(6)上，并且共極化近場(chǎng)的最小值在饋電系統(tǒng)(3)處。
2．如權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，反射器表面被如此設(shè)計(jì)成形，在優(yōu)化近場(chǎng)以減小對(duì)饋電系統(tǒng)的反作用時(shí)共極化遠(yuǎn)場(chǎng)基本上不變化。
3．如權(quán)利要求1或2所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，饋電系統(tǒng)是一個(gè)喇叭(3)，它具有小的口徑直徑。
4．如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，饋電系統(tǒng)(3)被支架(4)支撐，其具有由纖維加強(qiáng)的塑料構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)。
5．優(yōu)化權(quán)利要求1所述的中央饋電天線系統(tǒng)的方法，其特征在于，對(duì)天線系統(tǒng)采用一個(gè)計(jì)算模型，計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)，并且在模型中本質(zhì)上如此成形整個(gè)的反射器表面，使得在近場(chǎng)中饋電系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，并且共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的最大值在覆蓋區(qū)上。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，首先借助一個(gè)計(jì)算模型對(duì)天線系統(tǒng)計(jì)算對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的要求，然后如此優(yōu)化計(jì)算模型，使得在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)饋電系統(tǒng)處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，而基本上不改變計(jì)算出的遠(yuǎn)場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及中央饋電的天線系統(tǒng),其有效的反射器表面被如此成形,使得對(duì)應(yīng)于對(duì)天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)的要求,共極化遠(yuǎn)場(chǎng)的最大值在輻射的覆蓋區(qū)上,且共極化近場(chǎng)的最小值在饋電系統(tǒng)處,例如在一個(gè)饋電喇叭的口徑上。
文檔編號(hào)H01Q19/13GK1292939SQ99803942
公開日2001年4月25日 申請(qǐng)日期1999年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月21日
發(fā)明者盧卡·達(dá)坎斯內(nèi), 赫爾穆特·沃爾夫, 諾伯特·納撒雷斯 申請(qǐng)人:阿斯特里姆有限公司