Отражательная антенна, включающая в себя держатель двухполосного вспомогательного отражателя
Изобретение относится к антенной технике. Антенна содержит: двухполосный волноводный облучатель (210; 810; 910), выполненный с возможностью приема входного сигнала на первой моде передачи и имеющий средство для преобразования моды передачи верхней полосы частот из первой моды передачи в смешанную моду передачи, включающую в себя первую моду передачи и вторую моду передачи; отражатель; вспомогательный отражатель (230; 830), выполненный с возможностью направления луча, излучаемого из апертуры (210а) волноводного облучателя, к отражателю; и держатель (240; 840; 940) вспомогательного отражателя, содержащий первую сцепляющую часть (240а; 840а; 940а) для сцепления с волноводным облучателем, вторую сцепляющую часть (240с; 840с, 840с) для сцепления со вспомогательным отражателем и держащую часть (240b; 840b; 940b), соединяющую первую сцепляющую часть со второй сцепляющей частью и выполненную с возможностью задания пространства между апертурой волноводного облучателя и вспомогательным отражателем. Причем держащая часть имеет толщину, меньшую или равную, по существу, λ/2, где λ является характерной длиной волны луча в держащей части. Технический результат заключается в обеспечении сохранения структурной жесткости держателя вспомогательного отражателя при относительно малых обратных потерях во всей полосе частот. 13 з.п. ф-лы, 16 ил.
Настоящее изобретение относится к отражательной антенне, включающей в себя держатель двухполосного вспомогательного отражателя. В частности, настоящее изобретение относится к отражательной антенне, включающей в себя двухполосный волноводный облучатель и держатель вспомогательного отражателя, выполненный с возможностью задания пространства между апертурой волноводного облучателя и вспомогательным отражателем отражательной антенны.
Отражательные антенны широко используются, например, на наземном, воздушном и морском оконечном оборудовании и в спутниках связи для формирования и направления луча электромагнитного излучения в конкретное местоположение. Традиционная отражательная антенна 100 изображена на Фиг. 1A и 1B и содержит рупор 110 волноводного облучателя, основной отражатель 120, вспомогательный отражатель 130 и диэлектрический держатель 140, соединяющий вспомогательный отражатель 130 с волноводным облучателем 110. Рупор 110 облучателя принимает входной сигнал i0 и направляет сигнал в апертуру рупора 110 облучателя. Сигнал излучается из апертуры в качестве луча электромагнитного излучения и отражается вспомогательным отражателем 130 на основной отражатель 120, который в свою очередь формирует и направляет луч к требуемому местоположению, например, конкретному спутнику или географической области на Земле. Рупор 110 облучателя, вспомогательный отражатель 130 и основной отражатель 120 могут быть выполнены с возможностью формирования луча, необходимого для конкретного применения.
Как показано на Фиг. 1B, диэлектрический держатель 140 содержит удлиненную часть 140a для вставки в горловину рупора 110 облучателя и коническую часть 140b, продолжающуюся от удлиненной части 140a к вспомогательному отражателю 130. Диэлектрический держатель 140 может сам иметь определенную форму внутри и снаружи для обеспечения необходимой диаграммы направленности излучения и минимизации обратных потерь. Например, коническая часть 140b может включать в себя различные ступени и канавки, а часть внутри волноводного облучателя 140a может быть ступенчатой или профильной. Однако диэлектрический держатель 140 может быть специально предназначен и оптимизирован только для некоторой конкретной полосы частот или узкой полосы частот. Поэтому традиционная отражательная антенна 100 со вспомогательным отражателем не подходит для использования с широкой полосой (например, ширина полосы с>20%) и/или в двухполосных применениях, в которых луч, который следует сформировать и направить, включает в себя широкий диапазон частот.
Согласно настоящему изобретению предложена отражательная антенна, содержащая двухполосный волноводный облучатель, выполненный с возможностью приема входного сигнала на первой моде передачи, причем входной сигнал включает в себя множество частот, размещенных в верхней и нижней полосах частот, и волноводный облучатель включает в себя средство для преобразования моды передачи верхней полосы частот из первой моды передачи в смешанную моду передачи, включающую в себя первую моду передачи и вторую моду передачи; отражатель; вспомогательный отражатель, выполненный с возможностью направления луча, излучаемого из апертуры волноводного облучателя, к отражателю; и держатель вспомогательного отражателя, содержащий первую сцепляющую часть для сцепления с волноводным облучателем, вторую сцепляющую частью для сцепления со вспомогательным отражателем, и держащую часть, соединяющую первую сцепляющую часть со второй сцепляющей частью и выполненную с возможностью задания пространства между апертурой волноводного облучателя и вспомогательным отражателем.
Держащая часть может быть выполнена пространственно разнесенной с апертурой волноводного облучателя в направлении удаления от вспомогательного отражателя, когда первая сцепляющая часть сцеплена с волноводным облучателем.
Держащая часть может иметь толщину, меньшую или равную по существу λ/2, где λ является характерной длиной волны луча в держащей части.
Характерная длина волны может быть длиной волны, соответствующей центральной частоте полосы передачи луча, излучаемого из апертуры волноводного облучателя, или средней длиной волны луча, или значением между средней длиной волны и длиной волны, соответствующей центральной частоте.
Держащая часть может иметь форму, соответствующую фронту волны луча, излучаемого из волноводного облучателя, после того, как он отражен от вспомогательного отражателя.
Держащая часть может быть изогнутой или эллиптической в поперечном сечении.
Держащая часть может быть по существу непрерывной стенкой.
Первая сцепляющая часть может быть выполнена с возможностью сцепления с наружной поверхностью волноводного облучателя.
Держатель вспомогательного отражателя может быть выполнен из политетрафторэтилена PTFE.
Средство для преобразования моды передачи может быть пространственно разнесено с апертурой на предварительно определенное расстояние, так чтобы для верхней полосы как первая, так и вторая моды передачи являлись по существу синфазными в апертуре.
Средство для преобразования моды передачи верхней полосы частот может содержать сужение, одну или более ступеней, или профильное изменение во внутреннем диаметре волноводного облучателя, и может соединять секцию первого диаметра D1 с секцией второго диаметра D2, причем второй диаметр больше первого диаметра.
Первая мода передачи может быть модой TE11, а вторая мода передачи может быть модой TM11.
Волноводный облучатель может быть круглым в поперечном сечении, и диаметр апертуры может составлять по существу одну длину волны частоты в нижней полосе частот.
Волноводный облучатель может быть выполнен для использования в частотах Ka-полосы.
Согласно настоящему изобретению также предложен спутник, включающий в себя отражательную антенну.
Варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны, только лишь в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На Фиг. 1A и 1B изображена традиционная отражательная антенна;
На Фиг. 2 изображено поперечное сечение держателя вспомогательного отражателя для использования в отражательной антенне согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На Фиг. 3A-3C изображен держатель вспомогательного отражателя с Фиг. 2 в перспективном виде;
На Фиг. 4 изображен волноводный облучатель с Фиг. 2 в поперечном сечении;
На Фиг. 5A и 5B изображены диаграммы направленности излучения с основной поляризацией и с перекрестной поляризацией нижних и верхних полос частот для волноводного облучателя с Фиг. 4;
На Фиг. 6A и 6B изображены диаграммы направленности излучения с основной поляризацией и с перекрестной поляризацией нижних и верхних полос частот для узла вспомогательного отражателя с Фиг. 2;
Фиг. 7 является графиком обратных потерь в зависимости от частоты, покрывающей нижнюю и верхнюю полосы частот для узла вспомогательного отражателя с Фиг. 2;
На Фиг. 8A-8C изображен держатель вспомогательного отражателя для использования в отражательной антенне согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения; и
На Фиг. 9 изображен держатель вспомогательного отражателя, содержащий множество держащих опор согласно еще одному дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2 узел вспомогательного отражателя в отражательной антенне изображен в поперечном сечении согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В данном документе термин «узел вспомогательного отражателя» относится к волноводному облучателю 210, вспомогательному отражателю 230 и держателю 240 вспомогательного отражателя. Фигура 2 и другие сопроводительные чертежи изображаются не в масштабе и предоставляются исключительно в иллюстративных целях. Отражательная антенна содержит волноводный облучатель 210, вспомогательный отражатель 230, держатель 240 вспомогательного отражателя и основной отражатель. Основной отражатель не показан на Фиг. 2. Вспомогательный отражатель 230 выполнен с возможностью направления луча, излучаемого из апертуры 210a волноводного облучателя 210, к основному отражателю. В частности, луч, излучаемый из апертуры 210a, отражается вспомогательным отражателем 230 к основному отражателю, который в свою очередь отражает луч к месту назначения. Основному отражателю может быть придана форма для достижения заданного коэффициента усиления и заданных характеристик перекрестной поляризации и боковых лепестков.
Волноводный облучатель 210 выполнен с возможностью приема двухполосного входного сигнала, т.е. сигнала, который включает в себя множество частот, причем частоты разделены по двум различающимся полосам передачи. Волноводный облучатель 210 и вспомогательный отражатель 230 оба выполнены из материала или материалов, которые являются электрически проводящими на частотах, для которых разработана отражательная антенна. Например, волноводный облучатель 210 и вспомогательный отражатель 230 могут быть выполнены из алюминия, когда отражательная антенна разработана для использования на микроволновых частотах. В представленном варианте осуществления волноводный облучатель выполнен с возможностью приема входного сигнала, включающего в себя частоты в Ka-полосы. В частности, входной сигнал включает в себя частоты в нижней полосе от 19,7 до 21,2 гигагерц (ГГц) и частоты в верхней полосе от 29,5 до 31,0 ГГц. Однако эти частотные диапазоны являются всего лишь примерными, и настоящее изобретение не ограничивается использованием в Ka-полосе. Другие варианты осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены для использования в других частотах.
Вспомогательный отражатель 230 может быть выполнен с возможностью придания размера, положения и формы лучу, излучаемому из апертуры 210a, для того чтобы создавать требуемую диаграмму направленности для облучения отражателя и обеспечивать хорошее согласование (VSWR) в обеих полосах. Например, диаграммы направленности вспомогательного отражателя могут представлять собой по своему характеру кольцевой фокус со смещением пика луча от оси облучателя вспомогательного отражателя, которая изображена пунктирной линией на Фиг. 2. Данное выполнение может предоставить возможность минимизации боковых лепестков в отраженном луче. Кроме того, волноводный облучатель 210 может быть выполнен с возможностью создания схожих диаграмм направленности облучателя в апертуре как в нижней полосе, так и в верхней полосе, как изображено на Фиг. 5A. Это может гарантировать, что диаграммы направленности вспомогательного отражателя, т.е. диаграмма направленности луча после того, как он отражен от вспомогательного отражателя 230, схожи как для нижней, так и для верхней полос, минимизируя компромисс между полосами с точки зрения придания формы отражателю и характеристик антенны.
В представленном варианте осуществления вспомогательный отражатель 230 удерживается держателем 240 вспомогательного отражателя, который содержит первую сцепляющую часть 240a, вторую сцепляющую часть 240c и держащую часть 240b, соединяющую первую и вторую сцепляющие части 240a, 240c так, чтобы вспомогательный отражатель 230 мог удерживаться в предварительно определенном положении относительно волноводного облучателя 210. В представленном варианте осуществления держащая часть 240b выполнена в виде непрерывной стенки и в дальнейшем будет упоминаться в качестве «держащей стенки». Первая сцепляющая часть 240a выполнена с возможностью сцепления с наружной поверхностью волноводного облучателя 210, а вторая сцепляющая часть 240c выполнена с возможностью сцепления с внешним краем вспомогательного отражателя 230. В представленном варианте осуществления держатель 240 выполнен из политетрафторэтилена (PTFE), имеющего диэлектрическую постоянную приблизительно в 2,1.
Однако настоящее изобретение не ограничено данным материалом и, в целом, любой материал с низкой диэлектрической постоянной может использоваться для держателя 240. Поскольку диэлектрическая постоянная увеличивается, то толщина стенок должна уменьшаться соответственно, и чувствительность конструкции будет увеличиваться. В представленном варианте осуществления, в котором узел вспомогательного отражателя выполнен для использования в частотах Ka-полосы, относительная диэлектрическая проницаемость εr диэлектрического держателя 240 вспомогательного отражателя, должна быть меньше 4, при этом предпочтительно меньше 3. Настоящее изобретение не ограничено данным диапазоном εr для держателя вспомогательного отражателя, и в других вариантах осуществления, выполненных для использования в других частотах, подходящими могут быть другие значения εr. В некоторых вариантах осуществления многоуровневая структура различных материалов может использоваться для выполнения держащей стенки 240b схожим образом со структурой обтекателя (радом, радиопрозрачный обтекатель).
Как показано на Фиг. 2, держатель 240 вспомогательного отражателя является полым. То есть, держащая стенка 240b сама является сплошной (без полостей), но сформирована так, чтобы держатель 240 и вспомогательный отражатель 230 задавали пространство, или полость, между апертурой 210a волноводного облучателя и вспомогательным отражателем 230. В представленном варианте осуществления, поскольку держащая часть 240b является непрерывной стенкой, то держатель 240 вспомогательного отражателя охватывает упомянутое пространство.
Волноводный облучатель 210 продолжается сквозь отверстие в держащей стенке 240b и при этом в упомянутое пространство. Поскольку держатель 240 выполнен с возможностью сцепления с наружной поверхностью волноводного облучателя 210, полая внутренняя часть волноводного облучателя 210 может оставаться свободной от диэлектрика. Это максимизирует ширину полосы, в которой волноводный облучатель 210 может быть настроен для функционирования на двух отдельных полосах частот одновременно, а также предоставляет возможность упрощения процесса проектирования, позволяя оптимизировать элементы, такие как волноводный облучатель, независимо от узла вспомогательного отражателя в целом. Кроме того, полый держатель вспомогательного отражателя оказывает минимальное влияние на диаграммы направленности излучения в отличие от традиционных цельных держателей, и таким образом можно изначально разрабатывать вспомогательный отражатель как таковой без необходимости рассмотрения действия держателя вспомогательного отражателя. Напротив, традиционный держатель вспомогательного отражателя ограничивается использованием в одной полосе частот из-за значительного влияния диэлектрического держателя, в частности внутри апертуры облучателя. Кроме того, традиционный узел вспомогательного отражателя должен проектироваться в качестве целого узла, требуя более сложного и затратного по времени процесса разработки.
Кроме того, в представленном варианте осуществления держатель 240 выполнен так, что когда первая сцепляющая часть 240a сцеплена с наружной поверхностью волноводного облучателя 210, то держатель 240 является пространственно разнесенным с апертурой 210a. В частности, первая сцепляющая часть 240a и держащая стенка 240b являются пространственно разнесенными с апертурой 210a на расстояние X, в направлении удаления от вспомогательного отражателя 230. Помещение держателя 240 внешним образом к волноводному облучателю 210 и отделение держателя 240 от апертуры 210a по такому принципу препятствует созданию помех диэлектрическим телом держателя 240 электромагнитным полям вблизи апертуры 210a. Схожим образом пространственное разнесение держателя 240 с центральной областью вспомогательного отражателя 230 препятствует созданию помех диэлектриком полям вокруг электрически чувствительной центральной области вспомогательного отражателя 230. Поэтому держатель 240, изображенный на Фиг. 2, может минимизировать потери и искажения в диаграммах направленности вспомогательного отражателя.
Несмотря на то, что предпочтительно держатель 240 вспомогательного отражателя выполнен с возможностью пространственного разнесения с апертурой 210a волновода, как в представленном варианте осуществления, в других вариантах осуществления может не быть никакого отделения между держателем и апертурой после того, как держатель вспомогательного отражателя сцеплен с волноводным облучателем.
В представленном варианте осуществления держащая стенка 240b выполнена по существу однородной по толщине. Предпочтительно держащая стенка 240b имеет толщину, меньшую или равную приблизительно λ/2, где λ является характерной длиной волны луча внутри диэлектрического материала держащей стенки 240b. В частности предпочтительный диапазон толщин может составлять 0,4-0,6 λ, хотя в некоторых вариантах осуществления в случае необходимости может использоваться другая толщина. Так как двухполосный сигнал является входным для волноводного облучателя 210, то в луче будет присутствовать некоторый диапазон длин волн. Характерная длина волны может, например, быть длиной волны, соответствующей центральной частоте полосы передачи луча, излучаемого из апертуры волноводного облучателя, или может быть средней длиной волны луча, такой как серединная длина волны множества длин волн, содержащихся в луче. В представленном варианте осуществления характерная длина волны берется в качестве длины волны по существу посередине между верхней и нижней полосами, т.е. длины волны, соответствующей частоте между 25-26 ГГц. Увеличение толщины держащей стенки 240b настроит держатель 240 вспомогательного отражателя на нижнюю полосу частот за счет верхней полосы частот.
Держатель 240 вспомогательного отражателя изображен более подробно на Фиг. 3A, 3B и 3C, которые являются перспективными видами спереди и сзади держателя 240 вспомогательного отражателя. Как показано на Фиг. 3A, вторая сцепляющая часть 240c выполнена с возможностью приема и сцепления со вспомогательным отражателем, который для ясности опущен на Фиг. 3A. Кроме того, как показано на Фиг. 3B, в представленном варианте осуществления первая сцепляющая часть 240a выполнена в виде кольца, которое выполнено с возможностью закрепления вокруг волноводного облучателя 210. На Фиг. 3C изображены установленные держатель 240 вспомогательного отражателя со вспомогательным отражателем 230. Для закрепления первой сцепляющей части 240a с волноводным облучателем 210 и для закрепления второй сцепляющей части 240c со вспомогательным отражателем 230 могут использоваться различные способы. Например, первая и вторая сцепляющие части 240a, 240c могут быть закреплены с использованием посадки с натягиванием, посадки с защелкиванием, винтовой посадки, клея или механических креплений, таких как резьбовые крепления. Первая сцепляющая часть 210a может быть выполнена регулируемой, так чтобы отделяющее расстояние X между держателем 240 и апертурой 210a (см. Фиг. 2) можно было изменять после того, как произведена совместная сборка держателя, волноводного облучателя и вспомогательного отражателя.
Первая и вторая сцепляющие части 240a, 240c не ограничиваются формами, изображенными на Фиг. 2, 3A, 3B и 3C, и в других вариантах осуществления первая и вторая сцепляющие части могут быть выполнены по-другому. Несмотря на то, что в представленном варианте осуществления первая и вторая сцепляющие части 240a, 240c и стенка 240b держателя полностью выполнены в виде одного тела, в других вариантах осуществления они могут быть выполнены по отдельности и затем впоследствии соединены для образования держателя 240.
Предпочтительно, держащей стенке придается форма, чтобы приблизительно соответствовать фазовому фронту излучаемого поля из вспомогательного отражателя. Это позволяет минимизировать влияние диэлектрического держателя на диаграммы направленности и, следовательно, предоставляет возможность функционирования отражательной антенне в более широких полосах передачи. В частности, положение и толщина держащей стенки могут быть определены на основе обратных потерь и характеристик при перекрестной поляризации в обеих полосах, и для удовлетворения данным требованиям держащая стенка может быть изогнутой или профильной. Несмотря на то, что в существующем варианте осуществления держащая стенка 240b выполнена по существу полусферической и основана на эллиптическом профиле, настоящее изобретение не ограничивается данной конкретной конструкцией. Например, в другом варианте осуществления держащая стенка может быть плоской или геодезической. Держащая стенка может быть выполнена с возможностью минимизации отражения и помех с траекторией луча сквозь держащую стенку.
Теперь обратимся к Фиг. 4, на которой изображен двухполосный волноводный облучатель с Фиг. 2 в поперечном сечении. Как описано выше со ссылкой на Фиг. 2, двухполосный волноводный облучатель 210 выполнен с возможностью приема двухполосного входного сигнала, т.е. сигнала, включающего в себя множество частот, распределенных среди первой полосы передачи и второй полосы передачи. В частности, двухполосный волноводный облучатель 210 выполнен с возможностью приема входного сигнала на первой моде передачи, которая в представленном варианте осуществления является модой TE11. Как показано на Фиг. 4, двухполосный волноводный облучатель 210 включает в себя средство 210b для преобразования моды передачи верхней полосы частот из первой моды передачи в смешанную моду передачи, причем смешанная мода передачи включает в себя первую моду передачи и вторую моду передачи. В представленном варианте осуществления вторая мода передачи является модой TM11. Средство для преобразования первой моды передачи в смешанную моду передачи может упоминаться в качестве «возбудителя моды» или «преобразователя моды». Возбудитель 210b моды выполнен так, что он не влияет значительно на частоты нижней полосы передачи. Поэтому в апертуре 210a, частоты в верхней полосе частот распространяются на смешанной моде передачи, т.е. на TE11+TM11, а частоты в нижней полосе частот распространяются только на первой моде передачи, т.е. на TE11.
Более подробно, в представленном варианте осуществления возбудитель 210b моды содержит сужающуюся область внутри волноводного облучателя 210, в которой внутренний диаметр волноводного облучателя 210 увеличивается от первого диаметра D1 до второго диаметра D2. Второй диаметр D2, который больше первого диаметра, является диаметром апертуры 210a волновода. В представленном варианте осуществления диаметр D2 апертуры 210a волновода приблизительно равен длине волны в свободном пространстве сигналов в нижней полосе частот. Это гарантирует то, что в апертуре 210a диаграммы направленности в плоскости E и H моды TE11 в нижней полосе подобны и результирующая перекрестная поляризация является маленькой.
Теперь будет описываться функционирование возбудителя 210b моды на частотах в верхней полосе частот. Относительно резкое изменение диаметра волноводного облучателя 210 в возбудителе 210b моды приводит к генерированию моды TM11, которая распространяется только в верхней полосе. В частности, относительные диаметры D1 и D2 выбираются такими, чтобы гарантировать, чтобы частота среза для моды TM11 оказалась между верхней и нижней полосами частот. Размер возбудителя 210b моды и расстояние Y от апертуры 210a можно изменять для управления электрическими полями в апертуре 210a волновода и можно выбирать такими, чтобы обеспечивать оптимальное поведение облучателя на смешанной моде TE11+TM11 с однородными полями в апертуре и низкую кривизну поля по краям, подобно рупору традиционного облучателя с двумя модами или рупору Поттера. Более подробно, как показано на Фиг. 4, возбудитель 210b моды пространственно разнесен с апертурой 210a волновода на предварительно определенное расстояние Y, которое гарантирует, что обе моды TE11 и TM11 в верхней полосе являются по существу синфазными в апертуре 210a. В частности, разность фаз между модой TE11 и модой TM11 будет изменяться согласно расстоянию от возбудителя 210b моды. Поэтому расстояние Y может быть выбрано таким, чтобы разность фаз в апертуре 210a была близка к нулю, т.е. так, чтобы моды TE11 и TM11 в верхней полосе являлись по существу синфазными в апертуре 210a.
Поэтому посредством управления размером и положением возбудителя 210b моды, т.е. внутренними диаметрами D1 и D2 и отделением Y от апертуры 210a волновода, могут быть достигнуты диаграммы направленности с однородным полем в обеих плоскостях и составляющая перекрестной поляризации может быть уменьшена. Диаграммы направленности нижней полосы могут оставаться незатронутыми возбудителем 210b моды, несмотря на то, что обратные потери нужно по-прежнему рассматривать для обеих полос при проектировании возбудитель 210b моды. Несмотря на то, что в представленном варианте осуществления возбудитель 210b моды выполнен в виде сужающейся секции волноводного облучателя 210, настоящее изобретение не ограничивается данной геометрией. Например, в других вариантах осуществления возбудитель 210b моды может быть выполнен в виде одной или более ступеней во внутреннем диаметре либо с использованием некоторой другой профильной геометрии, такой как гребенчатая геометрия.
Признаки, описанные выше, могут гарантировать, что волноводный облучатель 210 имеет оптимальные и схожие характеристики диаграмм направленности как в нижней, так и в верхней полосах.
Несмотря на то, что в представленном варианте осуществления используются моды TM11 и TE11, настоящее изобретение не ограничивается данным случаем. Другие варианты осуществления могут быть выполнены для использования с другими модами, например, размер апертуры может быть увеличен приблизительно на 40% для использования моды TE12. В некоторых вариантах осуществления может использоваться облучатель из гофрированного волновода.
На Фиг. 5A изображены диаграммы направленности излучения с основной поляризацией для нижней и верхней полос в волноводном облучателе с Фиг. 4, а на Фиг. 5B изображены диаграммы направленности излучения с перекрестной поляризацией для нижней и верхней полос в волноводном облучателе с Фиг. 4. Схожим образом на Фиг. 6A изображены диаграммы направленности излучения с основной поляризацией для нижней и верхней полос в узле вспомогательного отражателя с Фиг. 2, а на Фиг. 6B изображены диаграммы направленности излучения с перекрестной поляризацией для нижней и верхней полос в узле вспомогательного отражателя с Фиг. 2. На Фиг. 5A, 5B, 6A и 6B угол в 0 градусов соответствует основному направлению, то есть направлению, в котором луч излучается из апертуры и в котором направляется передаваемый луч. Как показано на Фиг. 5A, 5B, 6A и 6B, как верхняя, так и нижняя полосы демонстрируют схожие составляющие основной и перекрестной поляризации в прямом направлении. Диаграммы направленности волноводного облучателя с Фиг. 5A и 5B имеют ширину основного лепестка приблизительно около 60°, соответствуя углу, образовываемому вспомогательным отражателем, и имеют пики луча на основном направлении в 0°. Диаграммы направленности узла вспомогательного отражателя с Фиг. 6A и 6B имеют ширину основного лепестка приблизительно за 80° и имеют пики основной поляризации, которые номинально находятся вне оси в направлении между 30° и 60°.
Теперь обратимся к Фиг. 7, на которой изображен график обратных потерь в зависимости от частоты для узла двухполосного вспомогательного отражателя с Фиг. 2. Как правило, максимально допустимые обратные потери на частотах, для которых будет использоваться антенна, составляют приблизительно 20 децибел (дБ), несмотря на то, что допустимый предел можно изменять согласно применению. Например, в некоторых случаях обратные потери в 15 дБ могут быть допустимыми. На Фиг. 7, частоты конструкции в нижней и верхней полосах для ясности заштрихованы. Как показано на Фиг. 7, как в нижней, так и в верхней полосах обратные потери ниже допустимого предела в 20 дБ. Кроме того, допустимые области, имеющие обратные потери ниже 20 дБ, хорошо продолжаются за необходимыми полосами частот, следовательно узел вспомогательного отражателя представленного варианта осуществления также будет подходящим для использования с более широкими полосами частот. Между верхней и нижней полосами присутствуют пики обратных потерь вблизи 26 и 27 ГГц. Эти пики возникают из-за возбудителя моды и могут быть перемещены на более высокую или более низкую частоту посредством изменения размерности возбудителя моды и волноводного облучателя. Поэтому в одном варианте осуществления настоящего изобретения, которое предназначено для использования на частотах вблизи 26 ГГц, возбудитель моды может быть соответственно отрегулирован, чтобы гарантировать, что пик обратных потерь не окажется в пределах требуемой полосы передачи, посредством изменения размерностей D1 и D2 c Фиг. 4, соответственно.
Альтернативный вариант осуществления держателя вспомогательного отражателя изображен на Фиг. 8A-8C. В данном варианте осуществления узел вспомогательного отражателя для отражательной антенны включает в себя волноводный облучатель 810 и вспомогательный отражатель 830, схожие с волноводным облучателем и вспомогательным отражателем с Фиг. 2. Кроме того, держатель 840 вспомогательного отражателя представленного варианта осуществления схож с держателем вспомогательного отражателя с Фиг. 2 в том, что он содержит первую сцепляющую часть 840a для сцепления с наружной поверхностью волноводного облучателя 810, вторую сцепляющую часть 840c для сцепления со вспомогательным отражателем 830 и держащую стенку 840b, продолжающуюся между данными двумя сцепляющими частями 840a, 840c. Однако, в отличие от варианта осуществления с Фиг. 2, в представленном варианте осуществления держащая стенка 840b является линейной при рассмотрении в поперечном сечении, а не изогнутой. Соответственно, держатель 840 вспомогательного отражателя представленного варианта осуществления является коническим при рассмотрении в трех измерениях. В данном варианте осуществления и других вариантах осуществления, толщину стенок можно изменять вдоль профиля держащей стенки 840b для оптимизации характеристик.
Несмотря на то, что были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, которые содержат непрерывную стенку, которая соединяет сцепляющие части и охватывает полость, то есть пространство, которое свободно от диэлектрического материала, в других вариантах осуществления могут использоваться другие типы держащей части. Например, вместо стенки, первая и вторая сцепляющие части могут быть соединены посредством держащей части, такой как одна или более диэлектрических опор с открытым пространством между опорами. То есть, в некоторых вариантах осуществления держащая часть может не быть выполненной в виде стенки и может не быть непрерывной. На Фиг. 9 изображен держатель 940 вспомогательного отражателя согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором держащая часть 940b содержит множество опор, соединяющих первую и вторую сцепляющие части 940a, 940c. Так же как и держащая стенка в вариантах осуществления с Фиг. 2, 3A-3C и 8A-8C опоры 940b представленного варианта осуществления выполнены для задания пространства между апертурой и вспомогательным отражателем.
Были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, которое может сделать возможным двухполосное функционирование с помощью отражательных антенн со вспомогательным отражателем, поскольку держатель вспомогательного отражателя выполнен с возможностью задания пространства между апертурой волноводного облучателя и вспомогательным отражателем. Так как данное пространство, заданное держателем, включает в себя траекторию, которую проходит луч электромагнитного излучения от апертуры до вспомогательного отражателя, то траектория луча не заграждается держателем. Поэтому присутствие держателя не влияет на частоты как в верхней, так и в нижней полосах. Напротив, двухполосное функционирование не было возможным при помощи традиционных держателей вспомогательного отражателя и волноводных облучателей. Варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться как в применениях с круговой поляризацией, так и с линейной поляризацией.
Кроме того, несмотря на то, что были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых волноводный облучатель является круглым в поперечном сечении, изобретение не ограничивается данным выполнением. Могут использоваться и другие поперечные сечения с некоторой радиальной симметрией, например, в некоторых вариантах осуществления рупор волноводного облучателя может иметь квадратное поперечное сечение, а держатель вспомогательного отражателя может схожим образом иметь квадратное поперечное сечение.
В дополнение, были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых волноводный облучатель включает в себя возбудитель моды, который имеет больший внутренний диаметр возле апертуры, чем на входе в волноводный облучатель. Это гарантирует, что диаметр в апертуре электрически больше, то есть соответствует большему количеству длин волн, чем на входе. Однако в некоторых вариантах осуществления внутренний диаметр может не быть физически большим возле апертуры. Например, волноводный облучатель может быть выполнен электрически большим в апертуре посредством вставки диэлектрического разъема или кольца, не увеличивая физически внутренний диаметр, так как длина волны будет уменьшена в диэлектрике. Следовательно, не обязательно воплощать возбудитель моды в качестве изменения физических размерностей. Данный подход будет иметь неблагоприятное воздействие на характеристики, однако может, тем не менее, найти использование в некоторых применениях, например, где ограничения размера препятствуют использованию в апертуре большего физического диаметра.
Кроме того, несмотря на то, что были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых держатель вспомогательного отражателя сцепляется с внешней поверхностью волноводного облучателя, изобретение не ограничивается данным выполнением. В некоторых вариантах осуществления первая сцепляющая часть может быть выполнена иным образом, например, в качестве тонкого кольца, которое следует вставлять в апертуру волновода. Такое выполнение ухудшит характеристики в некоторой степени, однако может быть необходимым в вариантах осуществления, в которых пространственные ограничения препятствуют сцеплению держателя с наружной поверхностью волноводного облучателя.
Тогда как выше были описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, специалисту в данной области техники будет понятным, что возможно множество изменений и модификаций без отступления от объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.
1. Отражательная антенна, содержащая:
двухполосный волноводный облучатель (210; 810; 910), выполненный с возможностью приема входного сигнала на первой моде передачи, причем входной сигнал включает в себя множество частот, размещенных в верхней и нижней полосах частот, и волноводный облучатель включает в себя средство для преобразования моды передачи верхней полосы частот из первой моды передачи в смешанную моду передачи, включающую в себя первую моду передачи и вторую моду передачи;
отражатель;
вспомогательный отражатель (230; 830), выполненный с возможностью направления луча, излучаемого из апертуры (210а) волноводного облучателя, к отражателю; и
держатель (240; 840; 940) вспомогательного отражателя, содержащий первую сцепляющую часть (240а; 840а; 940а) для сцепления с волноводным облучателем, вторую сцепляющую часть (240с; 840с, 840с) для сцепления со вспомогательным отражателем и держащую часть (240b; 840b; 940b), соединяющую первую сцепляющую часть со второй сцепляющей частью и выполненную с возможностью задания пространства между апертурой волноводного облучателя и вспомогательным отражателем,
при этом держащая часть имеет толщину, меньшую или равную, по существу, λ/2, где λ является характерной длиной волны луча в держащей части.
2. Отражательная антенна по п. 1, в которой держащая часть выполнена пространственно разнесенной с апертурой волноводного облучателя в направлении удаления от вспомогательного отражателя, когда первая сцепляющая часть сцеплена с волноводным облучателем.
3. Отражательная антенна по п. 1, в которой характерная длина волны является длиной волны, соответствующей центральной частоте полосы передачи луча, излучаемого из апертуры волноводного облучателя, или является средней длиной волны луча, или является значением между средней длиной волны и длиной волны, соответствующей центральной частоте.
4. Отражательная антенна по п. 1, в которой держащая часть имеет форму, соответствующую фронту волны луча, излучаемого из волноводного облучателя, после того, как он отражен от вспомогательного отражателя.
5. Отражательная антенна по п. 1, в которой держащая часть является изогнутой или эллиптической в поперечном сечении.
6. Отражательная антенна по п. 1, в которой держащая часть является, по существу, непрерывной стенкой.
7. Отражательная антенна по п. 1, в которой первая сцепляющая часть выполнена с возможностью сцепления с наружной поверхностью волноводного облучателя.
8. Отражательная антенна по п. 1, в которой держатель вспомогательного отражателя выполнен из политетрафторэтилена PTFE.
9. Отражательная антенна по п. 1, в которой средство для преобразования моды передачи пространственно разнесено с апертурой на предварительно определенное расстояние, так чтобы для верхней полосы как первая, так и вторая моды передачи являлись, по существу, синфазными в апертуре.
10. Отражательная антенна по п. 1, в которой средство для преобразования моды передачи верхней полосы частот содержит сужение, одну или более ступеней или профильное изменение во внутреннем диаметре волноводного облучателя и соединяет секцию первого диаметра D1 с секцией второго диаметра D2, при этом второй диаметр больше первого диаметра.
11. Отражательная антенна по п. 1, в которой первая мода передачи является модой ТЕ11, а вторая мода передачи является модой TM11.
12. Отражательная антенна по п. 1, в которой волноводный облучатель является круглым в поперечном сечении и в которой диаметр апертуры составляет, по существу, одну длину волны частоты в нижней полосе частот.
13. Отражательная антенна по п. 1, в которой волноводный облучатель выполнен для использования на частотах Ka-полосы.
14. Отражательная антенна по любому из предыдущих пунктов, причем отражательная антенна содержится в спутнике.
