CN114026743A - 多频段天线的同轴馈源 - Google Patents
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Abstract
一种用于多频段天线的同轴馈源,包括:管状高频段(HB)波导,HB波导包括外传导面、内HB传导面和由内HB传导面限定的HB孔;管状低频段(LB)波导,其同轴设置在HB波导周围,LB波导包括外馈电面、内LB传导面,以及由内LB传导面和HB波导的外传导面限定的环形LB孔;以及环形高频段(HB)扼流圈,其位于HB波导的外传导面中,HB扼流圈相对于HB孔轴向偏移。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月24日提交的标题为“COAXIAL FEED FOR MULTIBANDANTENNA”的美国临时专利申请No.62/865,631的优先权,出于所有目的,其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及用于多频段天线的同轴馈源,更具体地,涉及用于卫星通信的多频段天线的同轴馈源。
背景技术
同轴馈源在跟踪天线领域是众所周知的。例如,美国专利No.6,222,492公开了具有同心波导的双同轴馈源,包括用于“和(sum)”辐射图的内波导和用于“差(difference)”辐射图的外波导。双同轴馈源还包括在波导开口端附近的各种扼流圈,其用于改善和修改自由空间与其同轴波导之间的阻抗匹配。
同轴馈源也可以与多频段天线一起使用,这对于卫星通信是可取的,因为这样的天线具有在多个频带上工作的能力。同轴馈源特别适合与配置为跟踪通信卫星的双频段跟踪天线一起使用。例如,美国专利No.6,982,679公开了一种同轴喇叭天线***,其具有围绕内部喇叭的孔径延伸的扼流圈,以减少内部喇叭的外表面上的电流,从而提高方向图特性。
应当理解,可能希望在具有彼此非常接近的波长的频段内操作多频段天线,例如,在Ka和Ku频段操作双频段天线。在频段接近的情况下,外部“低频段”同轴波导的内径可能比其外径相对大,这可能会导致不必要的交叉极化(X-pol)辐射。辐射图由辐射孔径处的电场决定,较大的内径导致孔径处更大的电场弯曲,进而导致更大的X-pol辐射。
因此,提供一种具有扼流圈结构的多频带天线,其能够克服现有同轴馈源扼流圈的上述缺点和其他缺点,将是有用的。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于多频段天线的同轴馈源,所述同轴馈源包括:管状高频段(HB)波导,HB波导包括外传导面、内HB传导面和由内HB传导面限定的HB孔;管状低频段(LB)波导,其同轴设置在HB波导周围,LB波导包括外馈电面、内LB传导面,以及由内LB传导面和HB波导的外传导面限定的环形LB孔;以及环形高频段(HB)扼流圈,其位于HB波导的外传导面中,HB扼流圈相对于HB孔轴向偏移。
HB波导可以是Ka频段波导。
HB波导可以用介电构件来介电负载。
介电构件可具有等于或大于2的相对介电常数。
介电构件可由选自塑料、石英、REXOLITE(交联聚苯乙烯)或它们的组合的材料形成。
HB波导孔可具有在大约0.2”至0.33”范围内的直径。
HB扼流圈可以相对于HB孔轴向偏移等于或大于LB频率的1/4波长。
HB扼流圈的偏移可以配置为向LB波导的LB频率的自由空间提供阻抗匹配。
LB波导可以是Ku频段波导。
LB孔可以具有在大约0.22”到0.35”范围内的LB孔内径。
LB孔可以具有LB孔内径,并且HB扼流圈可以具有大约等于LB孔内径的HB扼流圈内径。
LB孔可具有LB孔内径,并且HB扼流圈可具有大于LB孔内径的HB扼流圈外径。
HB波导可以针对具有HB波长的HB频率进行调谐,并且HB扼流圈外径比LB孔内径大大约0.1至0.25倍的HB波长。
HB扼流圈外径(ODHB扼流圈)可以通过以下方式确定:
IDLB孔+0.1λHB≤ODHB扼流圈≤IDLB孔+0.25λHB,
其中,IDLB孔为LB孔内径,XHB为HB波长。
LB波导可以包括在内传导面中的径向凹槽,其轴向地设置在LB孔和HB扼流圈之间,该径向凹槽限定了波纹结构,所述波纹结构的配置和尺寸为HB波导提供相位调谐。
LB波导可以包括围绕环形LB孔设置的次级HB扼流圈。
LB波导可以包括围绕环形LB孔同心地设置的多个次级HB扼流圈。
本发明的另一方面涉及一种多频段天线***,包括:主反射器;副反射器,其相对于主反射器固定;以及上述任一同轴馈源,其中所述同轴馈源从主反射器向副反射器延伸。
天线还可以包括支撑主反射器、副反射器和同轴馈源的跟踪基座,所述跟踪基座配置为用于跟踪通信卫星。
所述***还可包括:HB双工器,其位于主反射器后面,可操作地连接到HB波导的HB喉道(throat);LB十字转门连接器,其位于HB双工器周围并与LB波导的LB喉道可操作地连接;以及LB正交模转换器及双工器,其位于LB十字转门连接器后面并与LB十字转门连接器可操作地连接。
本发明的方法和装置具有其他特征和优点,这些特征和优点从附图和下面的具体实施方式中将变得更好理解或在附图和下面的具体实施方式中得到更详细的阐述,其中附图并入本文,并且附图和下面的具体实施方式一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
图1是根据本发明的各方面的示例性的用于多频段天线的同轴馈源的透视图。
图2是图1的同轴馈源和多频段天线的侧视图。
图3是沿图2中的线3-3剖切的同轴馈源的截面图。
图4是图3所示的同轴馈源的局部放大图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例,其示例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例来描述本发明,但是应当理解,本描述不旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反,本发明旨在不仅涵盖示例性实施例,还涵盖各种替代、修改、等同和其他实施例,它们可以包括在由所附权利要求限定的本发明的实质和范围内。
现在转向附图,其中在各个图中相同的部件由相同的附图标记表示,注意到图1,其示出了示例性的用于多频段天线32的同轴馈源30。同轴馈源远离主反射器33延伸,并且在以其他常规方式相对于主反射器固定的位置处支撑副反射器35。例如,可以利用RF透明(RF-transparent)的副反射器支撑件37来支撑同轴馈源端部的副反射器。在各种实施例中,多频段天线是圆对称双反射器天线,其中主反射器和副反射器都是圆对称的。
参考图2,多频段天线32能够可操作地支撑在跟踪基座39上,用于以另外的常规方式跟踪卫星和/或其他移动通信设备。多频带天线还可以设有可操作地连接到HB波导的HB喉道的高频段双工器40、位于HB双工器周围并可操作地连接到LB波导的LB喉道的低频段十字转门连接器42,位于LB十字转门连接器后面并与LB十字转门连接器可操作地连接的正交模转换器及双工器44。应当理解,多频段天线也可以以另外的常规方式配置有其他合适的装置。
现转向图3,同轴馈源通常包括管状高频段(HB)波导46、同轴的低频段(LB)波导47,其设置在HB波导周围并由至少一个RF透明的同轴支架49保持在适当位置。HB波导通常包括外传导面51、内HB传导面53和由内HB传导面限定的HB孔54,而LB通常包括外馈电面56、内LB传导面58,以及由内LB传导面和HB波导的外传导面限定的环形LB孔60。
应当理解,多频段天线可以配置为双频段天线,并且HB波导和LB波导中的每一个都可以配置大小以优化不同频率的射频波的接收和传播。在各种实施例中,HB波导配置为Ka频段波导并且LB波导配置为Ku频段波导。
根据本发明的各个方面,HB波导可以用介电构件61进行介电负载。介电负载的HB波导有利地允许更小的HB孔径,进而允许更小的LB孔的内径和改进的交叉极化(X-pol)辐射特性。特别是,更小的LB孔的内径减少了LB孔处的电场弯曲,从而减少了不必要的X-pol辐射。
介电构件优选地具有等于或大于2的相对介电常数。用于介电构件的合适材料包括塑料、石英、REXOLITE(由宾夕法尼亚州费城的C-Lec Plastics,Inc.制造的交联聚苯乙烯)、它们的组合和/或其他合适的材料。
根据本发明的各个方面,如图3所示,环形高频段(HB)扼流圈63设置在HB波导46的外传导面51上并轴向偏离HB孔54。HB扼流圈的偏移配置为向LB波导的LB频率的自由空间提供阻抗匹配。在各种实施例中,HB扼流圈相对于HB孔轴向偏移一段距离,该距离等于或大于LB频率的1/4波长。
参考图4,在操作中,高频段辐射穿过HB波导46并从HB孔54辐射。大部分的波能辐射到自由空间(由箭头A指示)。然而,一些波能泄漏到HB波导的外传导面51上(由箭头B指示)。HB扼流圈63的轴向偏移可以适当地调整以将泄漏的波能反射回去,并且在同轴的孔处进行再辐射(由箭头B'指示),从而使泄漏到LB波导47中的波能(由箭头B”指示)最小化。
HB扼流圈的轴向偏移距离(D)决定了反射波能(箭头B')的相位。优选地,大部分的辐射波能(箭头A)和反射波能(箭头B')同相,从而使大部分的辐射波能和反射波能有利地组合,以最大化来自同轴馈源的辐射能量。
因此,轴向偏移的HB扼流圈63允许通过减少能量泄漏到同轴LB波导47和相位调谐反射的辐射能量(箭头B')来优化高频段特性。
重要的是,轴向偏移的HB扼流圈的配置允许LB孔60的内径小于HB扼流圈63的外径。在各种实施例中,如图4所示,LB孔的内径近似等于HB扼流圈的内径。因此,HB扼流圈的轴向偏移配置还允许更小的LB孔的内径和改进的交叉极化(X-pol)辐射性能。
这种配置还允许HB扼流圈的外径大于LB孔的内径。在各种实施例中,HB波导46针对特定的HB频率调谐,并且LB波导47针对特定的LB频率调谐,例如分别为Ka和Ku。轴向偏移的HB扼流圈的配置允许HB扼流圈63的外径比LB孔60的内径大大约0.1至0.25倍的HB波长。例如,HB扼流圈外径(ODHB扼流圈)可以通过以下公式确定:
Eq.(1)IDLB孔+0.1λHB≤ODHB扼流圈≤IDLB孔+0.25λHB,
其中,IDLB孔为LB孔内径,λHB为HB波长。
在这种情况下,HB/Ka频段波导孔优选地具有在大约0.2”到0.33”范围内的直径,并且LB/Ku频段波导优选地具有LB孔,LB孔的内径在大约0.22”到0.35”的范围内。优选地,LB孔的内径与HB孔的内径之差仅为HB波导的壁厚。例如,当HB波导具有0.01”的管状壁厚时,LB/Ku频段波导优选地具有在大约0.21”到0.35”范围内的LB孔的内径,而当HB波导具有0.02”的管状壁厚时,LB/Ku频段波导优选地具有在大约0.24”到0.37”范围内的LB孔的内径。
回到图3,同轴馈源30可以具有其他调谐特征以改善高频段和低频段的特性。例如,LB波导47可以包括在其内传导面58中的径向凹槽65,径向凹槽65轴向地设置在LB孔60和HB扼流圈63之间。径向凹槽的配置和尺寸能够提供HB波导46的反射波能(箭头B')和HB波导46的相位调谐。径向凹槽还可以配置以提供通过LB波导47传播的低频段辐射的相位调谐。特别地,HB扼流圈可能会产生不连续的LB辐射(箭头C),在这种情况下,可以调谐径向凹槽以提供对不连续性的额外相位调谐,从而可以改进LB辐射的匹配。因此,径向凹槽可用于同时优化HB辐射特性和LB匹配。
同轴馈源30还可以包括一个或多个围绕环形LB孔60设置的孔型扼流圈67,从而最小化天线辐射图上的不必要的旁波瓣(side lobes)。应当理解,这种孔型扼流圈可以以其他常规方式调谐到主要HB辐射、反射HB辐射或LB辐射。
为便于解释和准确定义所附的权利要求,术语“内”和“外”用于参照附图中所示的这些特征的位置来描述示例性实施例的特征。
为了说明和描述的目的,已经给出了本发明对具体的示例性实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式,并且鉴于上述教导,显然各种修改和变化也是可能的。选择和描述示例性实施例是为了解释本发明的某些原理及其实际应用,从而使本领域的其他技术人员能够制造和使用本发明的各种示例性实施例,以及其各种替代和修改。本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等同物来定义。
Claims (20)
1.一种用于多频段天线的同轴馈源,所述同轴馈源包括:
管状高频段(HB)波导,HB波导包括外传导面、内HB传导面和由内HB传导面限定的HB孔;
管状低频段(LB)波导,其同轴设置在HB波导周围,LB波导包括外馈电面、内LB传导面,以及由内LB传导面和HB波导的外传导面限定的环形LB孔;以及
环形高频段(HB)扼流圈,其位于HB波导的外传导面中,HB扼流圈相对于HB孔轴向偏移。
2.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中HB波导为Ka频段波导。
3.根据权利要求2所述的同轴馈源,其中HB波导用介电构件来进行介电负载。
4.根据权利要求3所述的同轴馈源,其中介电构件具有等于或大于2的相对介电常数。
5.根据权利要求3所述的同轴馈源,其中介电构件由选自塑料、石英、REXOLITE(交联聚苯乙烯)或它们的组合的材料形成。
6.根据权利要求5所述的同轴馈源,其中HB波导孔具有在大约0.2”至0.33”范围内的直径。
7.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中HB扼流圈相对于HB孔轴向偏移等于或大于LB频率的1/4波长。
8.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中HB扼流圈的偏移配置为向LB波导的LB频率的自由空间提供阻抗匹配。
9.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中LB波导为Ku频段波导。
10.根据权利要求9所述的同轴馈源,其中LB孔具有LB孔内径,LB孔内径在大约0.22”至0.35”范围内。
11.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中LB孔具有LB孔内径,并且HB扼流圈具有大约等于LB孔内径的HB扼流圈内径。
12.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中LB孔具有LB孔内径,并且HB扼流圈具有大于LB孔内径的HB扼流圈外径。
13.根据权利要求12所述的同轴馈源,其中HB波导针对具有HB波长的HB频率进行调谐,并且HB扼流圈外径比LB孔内径大大约0.1至0.25倍的HB波长。
14.根据权利要求13所述的同轴馈源,其中HB扼流圈外径(ODHB扼流圈)可以通过以下公式确定:
IDLB孔+0.1λHB≤ODHB扼流圈≤IDLB孔+0.25λHB,
其中,IDLB孔为LB孔内径,λHB为HB波长。
15.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中LB波导包括在内传导面中的径向凹槽,其轴向地设置在LB孔和HB扼流圈之间,所述径向凹槽限定波纹结构,所述波纹结构的配置和尺寸为HB波导提供相位调谐。
16.根据权利要求1所述的同轴馈源,其中LB波导包括围绕环形LB孔设置的次级HB扼流圈。
17.根据权利要求16所述的同轴馈源,其中LB波导包括围绕环形LB孔同心地设置的多个次级HB扼流圈。
18.一种多频段天线***,包括:
主反射器;
副反射器,其相对于主反射器固定;
根据权利要求1所述的同轴馈源,其中所述同轴馈源从主反射器向副反射器延伸。
19.根据权利要求18所述的多频段天线***,所述天线还包括:
跟踪基座,其支撑主反射器、副反射器和同轴馈源,所述跟踪基座配置为用于跟踪通信卫星。
20.根据权利要求19所述的多频段天线***,所述***还包括:
HB双工器,其位于主反射器后面,并且可操作地连接到HB波导的HB喉道;
LB十字转门连接器,其位于HB双工器后面并与LB波导的LB喉道可操作地连接;以及
LB正交模转换器及双工器,其位于LB十字转门连接器后面并与LB十字转门连接器可操作地连接。
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