無線電波透鏡天線的製作方法
2023-10-11 10:12:04
專利名稱：無線電波透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線通訊的無線電波透鏡天線，所述發明通過將用於聚焦無線電波束的球形或半球形欏勃無線電波透鏡與小型初級輻射器組合而構成。
背景技術：
圖1示意性地示出了使用半球形欏勃無線電波透鏡的天線。在圖1中，參考標號1表示用於聚焦無線電波束的半球形欏勃無線電波透鏡(此後，稱為「無線電波透鏡」)。參考標號2表示安裝到無線電波透鏡1的球面的半切(half-cut)平坦表面的反射板，以反射從天空入射或朝目標發射的無線電波，而參考標號3表示用於傳送和接收無線電波的初級輻射器。初級輻射器3由弧形臂等(未示出)支撐並構造得位於無線電波透鏡1的任意無線電波焦點處。
在此無線電波透鏡天線中接收無線電波的情況下，例如，從某方向入射的無線電波A在其傳播方向被無線電波透鏡1彎折後到達反射板2，然後被反射板2反射以聚焦在如圖1所示的透鏡關於透鏡中心的相對側。這樣，聚焦的波能被初級輻射器3接收。這意味著在反射板2上方的隨機方向的無線電波能被接收；換句話說，無線電波透鏡1的半球面上的任意點可以作為焦點。
另一方面，在發射的情況下，可以進行上述過程的逆過程。
此外，雖然焦點被示出在圖1的透鏡表面上，在實際中，焦點通常形成在透鏡表面的稍外側(通常從0mm到100mm範圍中變化)。
考慮上述特性，通過製備多(N)個初級輻射器3並在相應的同步衛星的焦點安裝一些，能從多(N)個位於包括赤道的平面內的同步衛星獨立接收無線電波或向其發送無線電波。本無線電波透鏡天線的一個最大優點是一個無線電波透鏡能與N個衛星通訊。
然而，為了將該無線電波透鏡天線用作實際的多束透鏡天線，應該解決下述問題。
發明內容
本發明要解決的問題例如，在日本，由於通訊衛星以每4度間距彼此相鄰設置(在外國是2度)，這些通訊衛星(簡稱「CS」)之間的伸張度從地球表面看約為4.4度(在外國是2.2度)。為了獲得無線電波透鏡天線與由4.4度間距分開的各個衛星獨立通訊的優點，要求以4.4度的間距在無線電波透鏡表面附近的各個焦點處並排排列初級輻射器。除了此要求以外，例如，如果具有200mm半徑的透鏡天線的焦點在離開表面50mm的位置，相鄰初級輻射器之間的直線距離可以按2×(200+50)×(sin(4.4/2))計算為約19.2mm。為了達到此要求，需要小的初級輻射器。
此外，為了使用同樣頻率的無線電波，對於彼此分離4.4度的間距的相鄰衛星需要獨立通訊。為了實現此要求，需要來自其它衛星的幹擾噪音小。換句話說，在由每個初級輻射器的整個透鏡天線的天線圖案中，來自偏離4.4度(4.4度延長方向)的方向的信號水平(變成噪音的旁瓣(side lobe))與來自主方向(主瓣)的信號水平相比必須足夠小。
圖14表示天線的天線圖案的實例。M代表主瓣，且除了主瓣以外的信號S是旁瓣。
因為，靠近通訊衛星，不僅存在遠離4.4度的通訊衛星，而且存在許多其他衛星，所以，例如ITU建議(ITU-R B.O.1213)提出期望旁瓣的水平應該低於以下面公式表示的包跡線(由圖14中的虛線表示)。
29-25logθdBi(θ伸長度[度])雖然已經報導了降低天線的旁瓣水平的各種方法，通常公知可以通過製造天線的錐形開口分布(主要是振幅分布)而實現。
為了通過使用透鏡天線而實現此目的，通過使供應到透鏡中心部分的功率高以及通過在靠近透鏡表面時逐漸減小功率，可以在透鏡天線的輻射開口表面實現錐形功率(振幅)，從而使單個初級輻射器的天線圖案窄。此後，通過使用天線圖案的3dB功率寬度(半高全寬，full width at halfmaximum)而限定天線圖案的縮窄。換句話說，使天線圖案窄被改述為具有窄的半高全寬或者縮窄其半高全寬。
圖2(a)、(b)示出了在均勻振幅分布和錐形振幅分布情況下的對比天線圖案。如圖2(a)所示，如果振幅分布是均勻的，旁瓣S的水平與主瓣M的相比變得較高，而如果振幅分布是錐形，旁瓣S降低，如圖2(b)所示。
然而，理論上證明，通常，天線的開口越大，半高全寬越窄，另一方面，天線的開口越小，其半高全寬越寬。圖14表示在旁瓣S超過期望包跡線的情形通過具有寬的半高全寬的初級輻射器來接收無線電波情況下的透鏡天線的天線圖案。
如果使開口更小以使初級輻射器更小，透鏡天線的旁瓣水平變得更高。另一方面，為了使半高全寬窄從而降低旁瓣，初級輻射器變大。因此，使初級輻射器小型化並降低透鏡天線的旁瓣彼此是不相容的。
同時，由於常規拋物面天線的焦距大於透鏡天線的焦距，因此與相鄰衛星獨立通訊所要求的初級輻射器之間的物理間距可以大。因此，初級輻射器能不受上述限制而設計，且通常採用圓形喇叭天線(其開口尺寸超過30mm的圓錐形喇叭天線)。然而，拋物面天線不能與多個衛星通訊。此外，存在拋物面天線體積大的問題，因為例如初級輻射器的支撐臂等部分變大從而提供更長的焦距。
因此，本發明目的是提供使用欏勃無線電波透鏡的天線，其能將旁瓣保持在期望包跡線水平以下同時使初級輻射器的尺寸足夠小以應付以小伸張度分開的衛星。如果實現了該目的，則可以實現小型和高性能的多束天線。
此外，如果小型初級輻射器彼此相鄰設置，所謂的耦合現象發生且相鄰初級輻射器的單一特性(方向性)顯著變化，由此導致天線性能的降低。因此，重要的是儘量減小耦合效應的影響，且滿足此要求也是本發明的目的。
實現本目的的方法為了實現上述目的，本發明提供了一種無線電波透鏡天線，其通過將初級輻射器與半球形或球形欏勃無線電波透鏡組合而構造，其中將反射板安裝到球形的半切表面，初級輻射器由載介電波導天線(介電裝載反饋)形成，在載介電波導天線中介電體裝載于波導端部開口。雖然考慮到介電體的插入和製造中的衝切(die-cutting)，包括在初級輻射器中的波導可以被削尖以具有稍寬的周邊，但其基本上是直管且與用作喇叭天線的波導形狀不同。
用在此無線電波透鏡天線中的載介電波導天線優選為在端部開口裝載有介電體的矩形波導(載介電矩形波導天線)，而不是圓波導或具有橢圓截面的波導。此處用的術語矩形波導基本上指具有方形截面的管。然而，它可以具有矩形截面以調整E平面和H平面的天線圖案。而且優選的是載介電波導天線為在波導前表面周圍有環形凹槽的調節閥結構天線。
裝載于波導端部開口的介電體可以為柱形。介電體的期望的形狀如下-使介電體從波導端部突出並使該突出為具有變薄端部的錐形；-通過將介電體的端部的中心放置在偏離波導中心軸延長線的位置而使介電體的端部為非旋轉對稱形；-沿著與波導橫截面(垂直於軸的橫截面圖)交叉的方向的平面除去從波導向前突出的介電體突出的外部周邊的一部分；-在包括突出的橫截面的平面內，使從波導向前突出的介電體突出的尺寸在初級的設置方向上小於在垂直於初級輻射器設置方向的方向上。
-通過切除介電體的端部使從波導突出的介電體的端部是平的或倒圓的。
此外，介電體的形狀不需要與波導的相同。即，凸透鏡形介電體可以裝載于波導的端部開口。
本發明的效果在用在根據本發明的無線電波透鏡天線中的初級輻射器(載介電波導天線)中，提供到透鏡中心部分的功率的影響大，且在靠近透鏡表面時功率逐漸減小，而通過裝載在波導端部開口的介電體的作用從而功率提高。因此，可以使半高全寬變小而不依賴於天線開口。
此外，在矩形波導中，能穿過波導傳播的無線電波的最低頻率(截止頻率)與同樣尺寸的圓波導相比是低的。這樣，矩形波導能採用比圓波導更小的管來確保期望的頻帶。因此，由載介電矩形波導天線形成的初級輻射器能滿足與無線電波透鏡組合的初級輻射器所要求的更高程度的小型化。
如上所述，由於根據本發明的無線電波透鏡天線通過將包括載介電波導天線的初級輻射器與半球形欏勃無線電波透鏡組合而形成，可以實現初級輻射器的小型化同時減小透鏡天線的旁瓣。這樣，可以實現與多個以小伸張度分開的衛星通訊的有效的多束天線。
此外，通過使從波導突出的介電體成為具有變薄端部的錐形，將介電體的端部中心設置在非旋轉中心的對稱位置，沿波導的長度方向的平面除去從波導向前突出的介電體的突出的外周邊的一部分，並進一步使介電體的突出的尺寸在初級輻射器的設置方向小於在垂直於其的方向，相鄰設置的天線單元的介電體之間的距離變大，從而增強抑制耦合現象的效果。
此外，通過切除從波導突出的介電體的端部，減短了天線單元的長度，且因此將天線可以進一步減小尺寸。此外，通過使介電體的切除端為倒圓形可以實現優異的防水性。
優選實施例的詳細描述圖3到13表示本發明的優選實施例。根據本發明的無線電波透鏡天線的基本結構與圖1所示的相同(可以是一個採用沒有反射板的球形欏勃無線電波透鏡)，除了初級輻射器之外。這樣，在實施例中僅描述了初級輻射器的結構。
圖3中的初級輻射器3是通過將具有多邊柱形的介電體6裝載於矩形波導4的端部開口而構造的。
另一方面，圖4中的初級輻射器3是通過將圓柱的介電體6裝載於圓波導5(可以是橢圓波導)的端部開口而構造的。
矩形波導，特別是具有方截面的波導，提供了更好的空間效率和初級輻射器的最好小型化。然而，根據所裝載的介電體的性能，通過使用圓形或橢圓形波導，可以將初級輻射器3縮減到期望的尺寸。
波導4和5的材料可以是例如黃銅或鋁的金屬或具有高產率的模鑄件。對于波導4和5的尺寸，例如在12GHz頻帶的矩形波導的情形，每一側可以不大於18mm(圖3(a)中的a和b均不大於18mm)。因此，即使初級輻射器之間的間距為上述的19.2mm，初級輻射器也可以彼此無幹擾地設置在期望的位置。
此外，介電體6優選由相對低的介電常數和小的介電損失(tanδ)的材料組成，例如聚乙烯。
介電體6的長度(圖5中的L)基於初級輻射器3的半高全寬而決定。
圖6表示通過在波導4的前表面周圍形成環形凹槽7而具有調節閥結構的初級輻射器3。通過使用該調節閥，單獨初級輻射器的旁瓣也可以被有效地減小，且旁瓣水平也被降低。此調節閥結構在採用矩形波導以外的波導的初級輻射器中也是有用的。
裝載到波導的介電體6的形狀不限於柱形。圖7示出了裝載於矩形波導4(或圓波導5)端部開口的凸透鏡形介電體6。也可以採用這種形狀的介電體6。
圖8到13提供了當元件之間的間距小且存在潛在的耦合問題時有用的初級輻射器。
在圖8(a)、(b)中，分別示出了以相應於同步衛星之間的距離的間距P設置的採用圓波導5和採用矩形波導4的兩個初級輻射器3。矩形波導的優點在於當用於相同頻率的無線電波時它具有比圓波導更小的管尺寸。因此，在兩個初級輻射器3通過採用矩形波導4以間距P設置時，兩個初級輻射器的介電體6之間的間距P1大於通過採用圓波導5的情況，因此，耦合變弱。
每個初級輻射器朝無線電波透鏡的中心設置，因此當更靠近元件端部時相鄰初級輻射器之間的間距變窄。因此，優選從波導突出的介電體6為具有變薄端部的錐形。圖9示出了突出的示範性截面圖。在所有示範的突出中，寬度W(在橢圓橫截面中的短直徑)小於在垂直於寬度方向的尺寸d(橢圓橫截面的長直徑)。這樣，通過設置介電體6的方向使得寬度方向與初級輻射器的排列方向一致，可以使相鄰初級輻射器的介電體之間的間距更大。
圖10示出了其中從波導突出的介電體6的每個突出具有帶有變薄端部的錐形的範例。在圖10(a)中，從波導突出的介電體6是橢圓形多邊圓錐形，而錐的頂點位於錐底邊的中心軸。通過切除圖10(b)或10(c)所示的突出的端部，沿軸方向的初級輻射器的直徑被減小。這樣，由於從無線電波透鏡表面到焦點的距離變小，可以進一步減小天線的尺寸。
此外，考慮在被雨淋溼情況下的防水性，優選介電體6的切除端是圖10(c)所示的倒圓形而不是圖10(b)所示的平坦形。
當介電體6的突出是圓錐形時，頂點可以如圖10(d)所示偏離錐底邊的中心軸。具有其突出為所述的非旋轉對稱形的介電體6的初級輻射器3可以有利地用在兩個初級輻射器靠近設置的天線中。即，如果兩個初級輻射器靠近設置，則耦合現象發生，導致被相應初級輻射器俘獲的無線電波的失真。該失真可以通過將介電體6的突出的端部設置在偏離中心的位置使得它們如圖11所示彼此遠離而減小。
如圖12所示，介電體6的突出的外周邊的一部分被沿著與波導軸垂直的方向相交叉的方向的平面切除，且將該介電體6裝載到相鄰初級輻射器的波導使得外周邊的切除表面彼此面對。在這種結構中也可以減小耦合。雖然介電體6的外周邊切除表面被示出垂直於與軸正交的截面，但其不需要如此。
在圖13中，實線和虛線分別示出了具有弱耦合和強耦合的天線圖案。如果通過使用矩形波導和通過調節介電體的形狀而限制耦合，則可以減小無線電波的失真，且因此可以提高同步衛星的通訊靈敏度。
此外，通過將裝載有介電體的波導的底部與電路板組合併在電路板上安裝低噪音放大器(LNA)，頻率反轉單元(反相器)等，初級輻射器3可以有利地構建為用於衛星廣播天線的低噪音塊(LNB)。
所有上述初級輻射器滿足下面的用於圖1的無線電波透鏡天線的元件中所需的基本性質1)-4)。因此，可以滿足低旁瓣的要求，這使得與相鄰衛星獨立通訊成為可能，且其是與欏勃無線電波透鏡的共同特性1)尺寸等於或小於0.8λ(λ波長，例如在12.5GHz頻率的情況下約25mm)；2)例如，可以實現約50度的半高全寬；3)其為公共用於垂直(V)和水平(H)線偏振波的線偏振波天線(如果滿足此條件，其可以應用於圓偏振波天線)；和4)E平面和H平面的天線圖案(見圖3(b))可以儘可能相同。
圖15示出了當上述載介電波導天線(其採用矩形波導)用作圖1的無線電波透鏡天線的初級輻射器3時，在透鏡天線的天線圖案中降低旁瓣的影響。
如所示出的，如果採用本發明的載介電波導天線，旁瓣S變得小於期望的包跡線(圖中的虛線)，且因此可以以小的伸張度(例如4.4度的間距)分開的的衛星單獨通訊。
同時，實現了初級輻射器的尺寸降低並放鬆了初級輻射器的空間安裝限制；且因此可以與多個衛星通訊。
圖1提供了採用半球形欏勃無線電波透鏡的天線的示意圖；圖2(a)示出了在均勻振幅分布情況下的天線圖案，且圖2(b)是在錐形振幅分布情況下的天線圖案；圖3(a)提供了用於描述本發明的示範性初級輻射器的主要部分的透視圖，且圖3(b)示出了矩形波導的橫截面圖；圖4提出了用於描述本發明的示範性初級輻射器的主要部分的透視圖；圖5示出了用於描述根據本發明的初級輻射器的基本結構的主要部分的側面圖；圖6提供了還具有調節閥結構的初級輻射器的主要部分的側面圖；圖7描述了裝載有凸透鏡形介電體的初級輻射器的主要部分的橫截面圖；圖8(a)描繪了採用圓波導的兩個初級輻射器的設置，且圖8(b)是採用矩形波導的兩個初級輻射器的設置；圖9(a)到9(f)描述了介電體的突出的橫截面形狀的具體範例；圖10(a)到10(d)提供了介電體的突出的側面形狀的具體範例；圖11示出了通過採用裝載有具有非旋轉對稱端部形狀的介電體的初級輻射器而抑制耦合的範例；圖12示出了通過切除從波導突出的介電體的一部分而抑制耦合的範例；圖13表示弱耦合與強耦合比較的天線圖案；圖14示出了具有寬的半高全寬的天線的天線圖案；圖15描述了在採用在介電體波導天線作為初級輻射器的情況下的天線的天線圖案。
參考標號說明
1 欏勃無線電波透鏡2 反射板3 初級輻射器4 矩形波導5 圓波導6 介電體7 凹槽A 無線電波M 主瓣S 旁瓣
權利要求
1.一種無線電波透鏡天線，包括半球形無線電波透鏡，用於聚焦無線電波束；反射板，安裝到所述無線電波透鏡球面的半切表面，用於反射從天空入射或朝目標發射的無線電波；和初級輻射器，設置於無線電波透鏡的任意無線電波焦點處，用於傳送或接收無線電波，其中，每個初級輻射器包括在波導端部開口處裝載介電體的載介電波導天線，且所述初級輻射器相鄰安裝。
2.一種無線電波透鏡天線，包括球形無線電波透鏡，用於聚集無線電波束；和初級輻射器，位於所述無線電波透鏡的任意無線電波的焦點處，用於傳送或接收無線電波，其中，每個初級輻射器包括在波導端部開口處裝載介電體的載介電波導天線，且所述初級輻射器相鄰安裝。
3.如權利要求1或2所述的無線電波透鏡天線，其中，所述載介電波導天線是在矩形波導的端部開口處裝載介電體的載介電矩形波導。
4.如權利要求1到3的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，所述載介電波導天線的介電體從波導向前突出且介電體的突出部分是具有變薄端部的錐形。
5.如權利要求4所述的無線電波透鏡天線，其中，所述介電體的端部中心位於偏離波導中心軸延長線的位置，且介電體的端部是非旋轉對稱形的。
6.如權利要求1到3的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，所述介電體從波導突出，且介電體的突出部分的外周邊的一部分沿與波導橫截面交叉的方向上的平面被除去。
7.如權利要求4到6的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，在包括從波導向前突出的介電體的突出部分的橫截面的平面中，突出部分在初級輻射器的設置方向的尺寸小於在垂直於初級輻射器的設置方向的尺寸。
8.如權利要求4到7的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，從波導突出的介電體的端部被切除，使得介電體的端部是平坦的或倒圓形。
9.如權利要求1到8的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，所述載介電波導天線是在波導前表面周圍具有環形凹槽的調節閥結構天線。
10.如權利要求1到3的任何一個所述的無線電波透鏡天線，其中，所述載介電波導天線是具有在波導端部開口處裝載凸透鏡形介電體的結構的天線。
全文摘要
一種多束透鏡天線，用於以小的伸張度分開的通訊衛星單獨通訊。該多束天線包括每個都由在端部具有開口的波導和設置在端部的介電體(6)組成的初級輻射器(3)、半球形欏勃無線電波透鏡、和安裝到半球形無線電波透鏡的圓形開口並用於反射從天空入射或朝目標發射的無線電波的反射板。所述波導優選為矩形波導(4)而不是圓形波導(5)。介電體(6)優選為錐形。
文檔編號H01Q19/08GK1802774SQ20048001568
公開日2006年7月12日 申請日期2004年6月2日 優先權日2003年6月5日
發明者今井克之, 黑田昌利 申請人:住友電氣工業株式會社