[发明专利]包括具有几何收缩的喇叭天线的、用于GHz频率范围的宽带卫星通信的天线系统

说明书

本发明涉及一种用于地面无线电台与卫星之间的宽带通信、特别是用于移动和航空应用的天线系统。

对用于以非常高的数据率发射数据的无线宽带信道的需求不断增长，特别是在移动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天线，具体来说，诸如尺寸小和重量轻的天线。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)，由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线系统的发射特性有极高要求。

在航空应用中，天线系统的重量和尺寸非常重要，因为它们降低了飞行器的有效载荷并且产生了额外的操作费用。

因此，问题在于提供尽可能小且重量轻、并且即使如此也能够符合在移动载体上进行操作期间的对于发射和接收操作的规定要求的天线系统。

例如，对发射操作的规定要求来自标准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。所有的这些管理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射操作期间在相邻的卫星之间不产生干扰。为此目的，通常基于相对于目标卫星的分离角来定义最大光谱功率密度的包络(遮罩，mask)。在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定分离角规定的数值。这导致了对于根据该角度的天线特性的严格的要求。随着与目标卫星的分离角增大，天线增益必须急剧减小。这仅能够通过天线的非常均匀的幅度和相位配置而物理实现。因此，通常使用具有这些特性的抛物线天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物线镜因其尺寸和圆形孔而仅具有很差的适用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且因此由于额外的空气阻力而必须仅具有最小的可能高度。

虽然设计成抛物线(“香蕉状的镜子”)截面的天线是可能的，但是由于其几何收缩，所以它们仅具有很低的效率。

相反，能够使用任意几何形状和任意纵横比设计由单辐射元件构成并且具有合适的馈送网络的天线阵列，而不会对天线效率产生不利影响。特别地，能够实现很低高度的天线阵列。

然而，特别是当接收频带与发射频带分开很远时(诸如在接收频率大约是18GHz-21GHz并且发射频率大约是28GHz-31GHz的Ka频带中)，在天线阵列中产生的问题是：阵列的单辐射元件必须支持很大的带宽。

已知喇叭天线是迄今阵列中的最有效率的单辐射元件。另外，喇叭天线可以是宽带设计的。

然而，在由喇叭天线构成并且通过纯波导网络馈送的天线阵列的情况下，在天线图形中产生明显的寄生旁瓣(称为“栅瓣”)的已知问题。由于根据该设计的波导网络的尺寸，所以这些栅瓣由形成天线阵列的天线元件的波束中心(相位中心)彼此间隔太大而引起。特别是在大约20GHz以上的频率，这能够在特定波束角处导致天线辐射元件之间的正干扰，并且因此导致在不期望的立体角范围内不期望地发射电磁功率。

如果接收频率和发射频率也处于分开很远的频率上，并且如果为了管理原因而需要根据发射频带的最小有用波长来设计波束中心之间的间隔，则喇叭天线通常变得如此小，以至于喇叭天线不再能够支持接收频带。

例如，在Ka频带中，最小有用波长是仅大约1cm。使得天线阵列的辐射元件密集，也就是说不产生寄生旁瓣(栅瓣)，矩形喇叭天线的孔面面积可以是仅大约1cm×1cm。然而，由于有限的开口角度意味着需要将其接近截止频率而操作，所以传统的这种尺寸的喇叭仅在接收频带中具有大约18GHz-21GHz的很低的性能。Ka接收频带不再能够支持这样的喇叭，或者喇叭的效率在该频带中急剧降低。

另外，由于变得需要在喇叭输出端处的被称为变换器的正交模式信号转换器，所以喇叭天线通常具有进一步限制几何机动空间的两个正交偏振。因为在相对高的GHz频率不存在可用的充足安装空间，所以使用波导技术的正交模式信号转换器的设计通常失败。

如果密集地封装阵列中的喇叭天线，则还存在位于喇叭阵列后面的可用安装空间不能进一步容纳有效的馈送网络的问题。

已知使用波导技术设计的喇叭天线的阵列的馈送网络仅产生很低的消耗性损失。在最佳情况下，由波导部件馈送阵列的单个喇叭天线，并且整个馈送网络同样包括波导部件。然而如果接收频带和发射频带包含分开很远的频率，则产生传统的波导不再能够支持然后要求的频率带宽的问题。

举例来说，在Ka频带中要求的带宽超过13GHz(18GHz-31GHz)。传统的矩形波导不能有效地支持这样大的带宽。