[發明專利]包括具有幾何收縮的喇叭天線的、用于GHz頻率范圍的寬帶衛星通信的天線系統

有效

• 申請號: 201380035909.4
• 申請日: 2013-07-02
• 公開（公告）號: CN104428948B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 約爾格·歐朋蘭德;邁克爾·文策爾;亞歷山大·莫辛格;邁克爾·塞弗里德;克里斯托夫·霍伊斯勒;亞歷山大·弗里斯
• 申請（專利權）人: 利薩·德雷克塞邁爾有限責任公司
• 主分類號: H01Q13/02
• 分類號: H01Q13/02;H01Q21/00;H01Q21/06
• 代理公司: 北京泛誠知識產權代理有限公司11298
• 代理人: 吳立,文琦

本發明涉及一種用于地面無線電臺與衛星之間的寬帶通信、特別是用于移動和航空應用的天線系統。

對用于以非常高的數據率發射數據的無線寬帶信道的需求不斷增長，特別是在移動衛星通信領域。然而，特別是在航空領域，缺少能夠滿足移動使用要求的條件的合適的天線，具體來說，諸如尺寸小和重量輕的天線。對于與衛星進行定向無線數據通信(例如，在Ku或Ka頻帶)，由于必須可靠地防止相鄰衛星之間的干擾，所以同樣對天線系統的發射特性有極高要求。

在航空應用中，天線系統的重量和尺寸非常重要，因為它們降低了飛行器的有效載荷并且產生了額外的操作費用。

因此，問題在于提供盡可能小且重量輕、并且即使如此也能夠符合在移動載體上進行操作期間的對于發射和接收操作的規定要求的天線系統。

例如，對發射操作的規定要求來自標準47CFR 25.209、47CFR25.222、47CFR 25.138、ITU-R M.1643、ITU-R S.524-7、ETSI EN 302186或ETSI EN 301 459。所有的這些管理規定意在確保在移動衛星天線的定向發射操作期間在相鄰的衛星之間不產生干擾。為此目的，通?；谙鄬τ谀繕诵l星的分離角來定義最大光譜功率密度的包絡(遮罩，mask)。在天線系統的發射操作期間，必須不能超過針對特定分離角規定的數值。這導致了對于根據該角度的天線特性的嚴格的要求。隨著與目標衛星的分離角增大，天線增益必須急劇減小。這僅能夠通過天線的非常均勻的幅度和相位配置而物理實現。因此，通常使用具有這些特性的拋物線天線。然而，對于多數移動應用，特別對于飛行器，拋物線鏡因其尺寸和圓形孔而僅具有很差的適用性。例如，在商用飛行器的情況下，天線安裝于機身，并且因此由于額外的空氣阻力而必須僅具有最小的可能高度。

雖然設計成拋物線(“香蕉狀的鏡子”)截面的天線是可能的，但是由于其幾何收縮，所以它們僅具有很低的效率。

相反，能夠使用任意幾何形狀和任意縱橫比設計由單輻射元件構成并且具有合適的饋送網絡的天線陣列，而不會對天線效率產生不利影響。特別地，能夠實現很低高度的天線陣列。

然而，特別是當接收頻帶與發射頻帶分開很遠時(諸如在接收頻率大約是18GHz-21GHz并且發射頻率大約是28GHz-31GHz的Ka頻帶中)，在天線陣列中產生的問題是：陣列的單輻射元件必須支持很大的帶寬。

已知喇叭天線是迄今陣列中的最有效率的單輻射元件。另外，喇叭天線可以是寬帶設計的。

然而，在由喇叭天線構成并且通過純波導網絡饋送的天線陣列的情況下，在天線圖形中產生明顯的寄生旁瓣(稱為“柵瓣”)的已知問題。由于根據該設計的波導網絡的尺寸，所以這些柵瓣由形成天線陣列的天線元件的波束中心(相位中心)彼此間隔太大而引起。特別是在大約20GHz以上的頻率，這能夠在特定波束角處導致天線輻射元件之間的正干擾，并且因此導致在不期望的立體角范圍內不期望地發射電磁功率。

如果接收頻率和發射頻率也處于分開很遠的頻率上，并且如果為了管理原因而需要根據發射頻帶的最小有用波長來設計波束中心之間的間隔，則喇叭天線通常變得如此小，以至于喇叭天線不再能夠支持接收頻帶。

例如，在Ka頻帶中，最小有用波長是僅大約1cm。使得天線陣列的輻射元件密集，也就是說不產生寄生旁瓣(柵瓣)，矩形喇叭天線的孔面面積可以是僅大約1cm×1cm。然而，由于有限的開口角度意味著需要將其接近截止頻率而操作，所以傳統的這種尺寸的喇叭僅在接收頻帶中具有大約18GHz-21GHz的很低的性能。Ka接收頻帶不再能夠支持這樣的喇叭，或者喇叭的效率在該頻帶中急劇降低。

另外，由于變得需要在喇叭輸出端處的被稱為變換器的正交模式信號轉換器，所以喇叭天線通常具有進一步限制幾何機動空間的兩個正交偏振。因為在相對高的GHz頻率不存在可用的充足安裝空間，所以使用波導技術的正交模式信號轉換器的設計通常失敗。

如果密集地封裝陣列中的喇叭天線，則還存在位于喇叭陣列后面的可用安裝空間不能進一步容納有效的饋送網絡的問題。

已知使用波導技術設計的喇叭天線的陣列的饋送網絡僅產生很低的消耗性損失。在最佳情況下，由波導部件饋送陣列的單個喇叭天線，并且整個饋送網絡同樣包括波導部件。然而如果接收頻帶和發射頻帶包含分開很遠的頻率，則產生傳統的波導不再能夠支持然后要求的頻率帶寬的問題。

舉例來說，在Ka頻帶中要求的帶寬超過13GHz(18GHz-31GHz)。傳統的矩形波導不能有效地支持這樣大的帶寬。