本發(fā)明涉及一種用于天線的蓋，其特別用于移動(dòng)衛(wèi)星通信的天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在惡劣的環(huán)境條件下所使用的天線，如在移動(dòng)衛(wèi)星通信中的天線系統(tǒng)的情況下所使用的天線，無(wú)論它們是便攜式的還是安裝在飛機(jī)或其它車輛上，都應(yīng)該被覆蓋，以防止污染或損壞。

專利文獻(xiàn)de102010019081a1示出了這種類型的天線，其被設(shè)計(jì)為喇叭天線陣列。

依據(jù)使用天線的方式，關(guān)于需要哪種保護(hù)的條件范圍可以包括濕度、雨、沙、灰塵、化學(xué)品、閃電、與鳥(niǎo)類的碰撞(在飛機(jī)的情況下)等等。天線的天線罩(蓋)的電氣性能或高頻性能能力與關(guān)于前述環(huán)境因素的保護(hù)功能同樣重要。這由電損耗和交叉極化(cross-polarization)的抑制來(lái)指示。

電損失本質(zhì)上是反射損失和耗散損失。而耗散損失是使用的材料的介電性能所引起的，反射是高頻設(shè)計(jì)的質(zhì)量所限定的。對(duì)材料的幾何形狀和結(jié)構(gòu)的巧妙選擇能夠使得對(duì)于期望的使用區(qū)域和頻率范圍的反射損失最小化。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，選擇不同復(fù)合材料和類似材料的多層夾層結(jié)構(gòu)用于天線的蓋(天線罩)。例如，在專利文獻(xiàn)de19902511a1中說(shuō)明了用于天線的蓋的基本設(shè)計(jì)和功能。

傳統(tǒng)的夾層式天線罩具有三個(gè)互連的層：內(nèi)襯、天線罩芯(厚度等于波長(zhǎng)的1/4，可容許的最小的介電常數(shù))以及外襯。在兩個(gè)反射層互相之間以波長(zhǎng)的1/4的距離隔開(kāi)的情況下，所得到的兩個(gè)子反射彼此抵消，因?yàn)閮蓚€(gè)子波的相位差等于2×波長(zhǎng)的1/4，即180°。這將蓋處的波的反射保持到低水平。制造這些天線罩需要粘合、層壓和復(fù)合技術(shù)的相應(yīng)知識(shí)，以及不同材料的均衡選擇。

在一些應(yīng)用中，諸如在飛機(jī)中，天線罩被彎曲以提高安裝在機(jī)身上的天線的空氣動(dòng)力學(xué)性能。例如，在專利文獻(xiàn)wo2014/005691a1中已知，天線罩，即天線的蓋，能夠顯示由于曲率引起的極化各向同性，這能夠?qū)е峦ㄟ^(guò)天線罩的圓極化信號(hào)的軸比的顯著變化。在專利文獻(xiàn)de102010019081a1中，已經(jīng)在空氣動(dòng)力學(xué)上優(yōu)化了天線罩。

從專利文獻(xiàn)us20100309089a1中已知了帶有一些偶極子元件(dipoleelements)的天線。偶極子元件設(shè)置有具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的蓋，從而在偶極子元件和用于每個(gè)偶極子元件的單獨(dú)的天線罩之間形成間隔。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是簡(jiǎn)化關(guān)于夾層式設(shè)計(jì)的蓋的結(jié)構(gòu)。利用具有權(quán)利要求1的特征的蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。

為此目的，用于特定波長(zhǎng)的電磁輻射的天線的蓋包括具有均勻布置的多個(gè)單元凸起的層。當(dāng)從層的上側(cè)或下側(cè)觀看時(shí)，凸起內(nèi)部的層以與波長(zhǎng)的大約1/4相對(duì)應(yīng)的距離從凸起外部的層隔開(kāi)。蓋以及層的下側(cè)隨后在天線的輻射方向上以與天線間隔開(kāi)的關(guān)系被安裝，由此形成天線的天線罩。

在天線的輻射方向上，即，正交于天線的孔徑的方向上，層具有不同輪廓的單元凸起。依據(jù)凸起的形狀，通常從層的兩側(cè)呈現(xiàn)出凸起的不同的視圖。然而，還可以想到的是，如果凸起是精確的正方形且被對(duì)角線布置或者如果它們是錐形的，則產(chǎn)生蓋的相同視圖。

通過(guò)凸起而獲得偽三層結(jié)構(gòu)的類型，即使其實(shí)際上僅包括一層材料。由于凸起，兩個(gè)虛擬的內(nèi)層和外層各自具有比固體材料低的有效介電常數(shù)，這對(duì)于抑制反射的程度和可實(shí)現(xiàn)的帶寬具有有利的影響。凸起的深度或偽內(nèi)/外層的間距(如在傳統(tǒng)的夾心天線罩中)設(shè)置為波長(zhǎng)的大約1/4，以便使反射最小化。蓋能夠被雙向操作；即蓋的下側(cè)或上側(cè)能夠面向天線孔徑，或能夠?qū)崿F(xiàn)類似微弱反射用以發(fā)射和接收操作。

蓋稍微從天線的表面隔開(kāi)；即，蓋的下側(cè)不在天線上，而是以如下方式隔開(kāi)：天線的發(fā)射的波在蓋的區(qū)域中基本上是平面。通常，這是當(dāng)隔開(kāi)空間是波長(zhǎng)的1/4時(shí)的情況。

如果要在天線與蓋之間放置極化濾波器(極化層)，則天線與蓋之間的中空空間將必須更大。例如，那么該距離將有利地為波長(zhǎng)的至少1/2。

為了避免在天線的邊緣處的失真，蓋應(yīng)該在x和y方向上超過(guò)天線地突出。在與大約一個(gè)波長(zhǎng)同樣小的突出的情況下，該失真變得能夠忽略不計(jì)。

上側(cè)有利地以小于波長(zhǎng)的1/4從下側(cè)隔開(kāi)。因此，層是非常薄的；具體地，層的厚度在0.5mm與3mm之間。此處，在機(jī)械穩(wěn)定性(盡可能厚的層)和在層的下側(cè)和上側(cè)上的低耗散損耗或疊加反射(層盡可能薄)之間選擇最佳值。

根據(jù)本發(fā)明的另一有利實(shí)施例，凸起在上側(cè)和下側(cè)的x和y方向上是對(duì)稱地成形的，并且/或者它們互相被布置成在上層和/或下側(cè)的x和y方向上產(chǎn)生凸起的對(duì)稱分布。從而，蓋還適合于圓極化的電磁輻射。在圓極化中，必須相同地處理兩個(gè)正交場(chǎng)分量，否則會(huì)發(fā)生不期望的交叉極化效應(yīng)。對(duì)于純線性極化，不對(duì)稱的，例如矩形的凸起或凸起組可能是有益的。

如果層的上側(cè)和下側(cè)的面積總和近似相等，則存在本發(fā)明的額外的進(jìn)一步發(fā)展。因此，在凸起內(nèi)部和外部反射的信號(hào)強(qiáng)度近似相等，這優(yōu)化了抵消效果。

為了在維持大的穩(wěn)定性程度的同時(shí)保持層盡可能薄，有利的是在凸起周圍，除了側(cè)壁之外，在上側(cè)與下側(cè)之間，還設(shè)置至少一個(gè)強(qiáng)化部。該強(qiáng)化部在凸起之間連接上側(cè)和下側(cè)。另一生產(chǎn)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于，強(qiáng)化部在凸起處的寬度比其在遠(yuǎn)離凸起處的寬度寬。這使得易于通過(guò)彎曲而銑削蓋，并且改善了凸起之間的力的耗散。用于蓋的可選的制造工藝包括深拉、注射成型或3d打印，其中，為此目的，在上側(cè)與下側(cè)之間的側(cè)壁有利地被略微錐形化。

由于凸起的均勻布置，蓋特別良好地適用于由喇叭天線陣列制成的天線。因此，凸起和喇叭天線能夠相互定向。為了朝著喇叭天線的中心定向喇叭天線的輻射圖，有利的是將強(qiáng)化部或側(cè)壁布置在喇叭天線的中心。強(qiáng)化部或側(cè)壁含有較大體積的層材料。作為替代，在x和y方向上相鄰的凸起之間的層的點(diǎn)(中點(diǎn))被定向至喇叭天線的中心。

能夠相對(duì)自由地選擇凸起在x和y方向上的尺寸，并且其代表電氣性能與機(jī)械穩(wěn)定性之間的折衷。凸起越大，偽芯(凸起內(nèi)的中空空間)的有效介電常數(shù)越低，反射越低，重量越低，但是在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)越脆弱。

通過(guò)如本發(fā)明中所示的適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)化部，能夠達(dá)成機(jī)械穩(wěn)定性與高的電氣性能之間的良好的折衷。本文引入的天線罩使用了與蜂窩或蛋箱相似的形狀，以在輕重量下實(shí)現(xiàn)最大可能的機(jī)械穩(wěn)定性。

為了最小化在整個(gè)喇叭天線陣列上的蓋上的反射并且使它們均勻地分布，有利的是，喇叭天線在x和y方向上的尺寸等于一個(gè)單元凸起的尺寸，或者是等于一個(gè)單元凸起的尺寸多倍甚至是其分?jǐn)?shù)。

有利的是，凸起基本上是方形的，但是它們也可以在側(cè)壁與上側(cè)和/或下側(cè)之間或者在側(cè)壁之間的過(guò)渡區(qū)域中具有與生產(chǎn)相關(guān)的彎曲部，以使其更易于利用銑削而制造。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)層能夠由諸如聚丙烯，聚乙烯或聚酰胺這樣的合成材料而構(gòu)成，并且特別地，從這組材料中選擇具有低介電常數(shù)的材料。

對(duì)于測(cè)試的應(yīng)用，這里強(qiáng)調(diào)的天線被安裝在用于x波段(7.25ghz-8.40ghz)的便攜式衛(wèi)星終端上，已經(jīng)證明有利的是，每平方米布置多于1000個(gè)凸起；例如，對(duì)于x頻帶，這意味著在1000與1200之間。對(duì)于被優(yōu)化到x頻帶的中心頻率的蓋，凸起寬度為大約3cm。在用于衛(wèi)星通信的該類型的應(yīng)用中，蓋被安裝在天線的輻射元件陣列上，特別地在喇叭天線陣列上，從而形成密封。然而，蓋還能夠被用于其它類型的天線。此處引入的天線罩被優(yōu)化用于x頻帶中的便攜的、移動(dòng)的應(yīng)用；然而，其能夠被重新調(diào)節(jié)用以其它頻率范圍。

天線與蓋之間的中空空間通常被空氣填充。為了獲得大程度的機(jī)械穩(wěn)定性，該中空空間還能夠是泡沫。

對(duì)于便攜衛(wèi)星接收器/發(fā)射器，蓋的側(cè)壁垂直于天線，因?yàn)闆](méi)有特別的空氣動(dòng)力學(xué)需求。在蓋被定位在氣流中的飛行器上的應(yīng)用中，可能有利的是，上側(cè)的凸起填充有導(dǎo)致光滑表面的材料，并且同時(shí)具有接近于空氣的介電常數(shù)。

到目前為止，蓋的形狀已經(jīng)被描述為基本上為平面并且平行于天線。對(duì)于前述的在飛行器上的應(yīng)用，有利的是，將蓋彎曲成在空氣動(dòng)力學(xué)上更有利的形狀，例如拋物面。

通過(guò)在層的上側(cè)上涂覆具有無(wú)金屬顆粒的抗uv保護(hù)漆層而提供蓋層的附加保護(hù)。清漆的介電常數(shù)應(yīng)該特別低，優(yōu)選地甚至小于該層的介電常數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的帶有蓋的天線。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的帶有蓋的天線的細(xì)節(jié)。

圖3示出蓋的結(jié)構(gòu)輪廓以及喇叭天線陣列的結(jié)構(gòu)輪廓的主視圖。

圖4-6示出蓋的單元凸起的不同視圖。

圖7-8示出帶有多個(gè)凸起的蓋的細(xì)節(jié)。

圖9示出在x頻帶中的蓋的反射行為。

附圖標(biāo)記

蓋1

層2

支撐部2a

凸起3

上側(cè)4

下側(cè)5

側(cè)壁7

彎曲部6

強(qiáng)化部8

喇叭天線的中心9

天線10

喇叭天線11

輻射元件陣列12

極化器13

單輻射元件邊緣14

收縮部15

波紋16

衛(wèi)星接收器20

距離(隔開(kāi))d

頻率f

反射系數(shù)r

波長(zhǎng)λ

具體實(shí)施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的帶有蓋1的天線10的立體圖。圖示出了天線10的特別帶有多個(gè)喇叭天線11的輻射元件的陣列12。同樣屬于天線10的饋送網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)喇叭天線11連接到發(fā)射和接收單元(未示出)。

將蓋1以如下方式安裝到天線10，即維持了大于或等于天線的波長(zhǎng)的1/2的空間并且形成密封，從而環(huán)境影響不會(huì)影響天線10的操作。蓋1基本上是平面的并且由下面進(jìn)一步說(shuō)明的聚四氟乙稀層(teflonlayer)2和相同材料的支撐部2a組成。支撐部將層2從天線10分開(kāi)，使層2與輻射元件陣列12平行對(duì)準(zhǔn)并產(chǎn)生密封。層2在其上側(cè)4上具有清漆的保護(hù)涂層。

曲折型極化層(未示出)能夠被引入到輻射元件陣列12與蓋1之間示出的中空空間中。曲折型極化層將線性極化波轉(zhuǎn)換為圓形極化波。

層2和輻射元件陣列12基本上是平面的，但是兩者都具有垂直于該平面的結(jié)構(gòu)。通過(guò)銑削形成這些結(jié)構(gòu)。

它們?cè)趫D2中示出。輻射元件陣列12的喇叭天線11被實(shí)施為具有附加波紋16的脊?fàn)罾忍炀€。然而，還可以使用其它形式的喇叭天線。

脊?fàn)罾忍炀€在孔徑端處(朝向喇叭天線11的開(kāi)口)由單輻射元件邊緣14圍繞，該單輻射元件邊緣14通過(guò)波紋16從脊?fàn)罾忍炀€分離。這里，單輻射元件邊緣14以與孔徑表面間隔開(kāi)的關(guān)系連接到單輻射元件。

脊?fàn)罾忍炀€的脊部(收縮部)15降低截止頻率，使得能夠減小用于此處感興趣的頻率范圍的安裝尺寸。波紋16提高了匹配度并且降低了不期望的交叉極化。該布置的結(jié)果是來(lái)自脊?fàn)罾忍炀€的波與來(lái)自波紋16的波疊加；此處，以如下方式確定波紋16的尺寸：使得進(jìn)入波紋16并且在波紋的端部處被反射的波在結(jié)構(gòu)上被來(lái)自脊?fàn)罾忍炀€的波疊加。

單輻射元件邊緣14具有矩形形狀(具有制造相關(guān)的圓角)，該矩形形狀的中心處布置了脊?fàn)罾忍炀€。從而，能夠容易地組合若干這種類型的單輻射元件，以在不損失空間的情況下形成喇叭天線陣列12。單輻射元件邊緣14的正方形輪廓在兩個(gè)方向上簡(jiǎn)化了這種組合。利用脊?fàn)罾忍炀€的中心化布置，將輻射圖定向到單輻射元件的中心?？紤]到在電場(chǎng)耦合的情況下可以補(bǔ)償該輻射圖到電場(chǎng)耦合側(cè)的輕微傾斜，脊?fàn)罾忍炀€的布置也可以稍微偏離中心。

波紋16具有相對(duì)于孔徑區(qū)域大致垂直的壁；即，波紋16直接向孔徑區(qū)域開(kāi)口并且避免了傾斜，否則將導(dǎo)致平行于孔徑區(qū)域的空間需求增加。

需要的脊部的數(shù)量取決于所支持的極化的數(shù)量。根據(jù)圖2的脊?fàn)罾忍炀€具有四個(gè)交叉布置的脊部，其中每個(gè)脊部都面向脊?fàn)罾忍炀€的中心。該布置大致是對(duì)稱的，使得兩個(gè)脊部之間的角距離是180°或90°。在專利文獻(xiàn)de102014112825a1中能夠得到脊?fàn)罾忍炀€上的其它細(xì)節(jié)。

在圖3中示出了輻射元件陣列12上的蓋1的可能的排列。下面參考喇叭天線11的中心9來(lái)說(shuō)明蓋1的凸起3的輪廓。根據(jù)圖3，不是凸起3被定向到喇叭天線11的中心9，而是在凸起3之間的圓形交叉形式的補(bǔ)充部被定向到喇叭天線11的中心9。以該方式，下面說(shuō)明的強(qiáng)化部8位于單輻射元件邊緣14上。該布置有助于相鄰的喇叭天線11的輻射圖的解耦，并且還在中心9處提供了高材料密度的層2。

可選擇地，凸起3之間的強(qiáng)化部8能夠被定向到喇叭天線的中心9。此處，蓋的增強(qiáng)的材料密度能夠使得喇叭天線的輻射圖被定向到中心9。

在圖4至6中圖示出層2的前述單元凸起3。與層2的距離d相比，層2相對(duì)薄，在此情況下是1.2mm，所述距離d是通過(guò)層2的上側(cè)4與下側(cè)5之間的凸起3產(chǎn)生的。

從上側(cè)4觀看(圖4)，能夠看到強(qiáng)化部8在凸起3的側(cè)壁7之間，朝向相鄰的凸起(未示出)。側(cè)壁7與層2的上側(cè)4和下側(cè)5垂直。在從強(qiáng)化部8到凸起3的側(cè)壁7的過(guò)渡區(qū)域中，強(qiáng)化部8較寬。彎曲部6不僅設(shè)置在從強(qiáng)化部8到側(cè)壁7的過(guò)渡部處，而且設(shè)置在凸起3中的側(cè)壁7之間(見(jiàn)圖5)。

在圖5中描繪的凸起3中，能夠較清晰地看見(jiàn)凸起3的方形的基本形狀。層2的上側(cè)4(圖4)和下側(cè)5(圖5)都是平面，但是該上側(cè)4和下側(cè)5因凸起3的深度(距離d，圖6)和層2的厚度而分開(kāi)。

圖6示出了層2的厚度明顯小于從凸起3內(nèi)側(cè)的層2的下側(cè)5到凸起3內(nèi)側(cè)的距離d，在當(dāng)前情況下層2的厚度例如為1.2mm。距離d通過(guò)天線的電磁輻射的波長(zhǎng)而確定。對(duì)于頻率帶，例如，x頻帶中的7.25ghz-8.4ghz，選擇中心頻率，此處為f＝7.825ghz，來(lái)確定距離d。距離d由波長(zhǎng)λ的1/4產(chǎn)生，因此在這種情況下d＝c/4×f，近似1cm，其中c是光速。

圖7和圖8示出了從上側(cè)4(圖7)和下側(cè)5(圖8)觀察的具有多個(gè)凸起3的層2的遠(yuǎn)視圖。不僅凸起3自身在平面層2的x和y的兩個(gè)延伸方向上是對(duì)稱的；凸起3的布置，即，單元凸起之間的距離在x和y兩個(gè)方向上在整個(gè)表面上也保持恒定。每平方米的凸起3的數(shù)量在1000至1200之間，如果在本情況下，每個(gè)喇叭天線11選擇一個(gè)凸起3。作為替代，一個(gè)凸起3也可以覆蓋4、9、16個(gè)等的喇叭天線11，或者反過(guò)來(lái)，也可以為每個(gè)喇叭天線11設(shè)置4、9、16個(gè)等的凸起。

因此，盡管僅具有一個(gè)層2，但是為天線10提供由間隔了1/4波長(zhǎng)λ的兩個(gè)部分組成的虛擬多層結(jié)構(gòu)。并且，由于凸起3內(nèi)部的高空氣含量，使得得到了顯著低于層2的材料的有效介電常數(shù)，這表示在x頻帶的帶寬上的低反射(圖9)。

在確定凸起3的尺寸時(shí)，注意上側(cè)4的層2的面積(意味著凸起3內(nèi)的上側(cè))的總和等于下側(cè)5的層2的面積(凸起3的外側(cè))的總和。從而，兩個(gè)反射區(qū)域具有在層2處反射的光束的大致相同的比例，并且可以彼此抵消。

圖9示出所示的蓋的反射系數(shù)r。在7.25ghz-8.4ghz的范圍內(nèi)的反射量<-30db，這意味著小于0.1％的天線功率被反射。在該情況下反射損失基本上是零；只剩下取決于材料的內(nèi)部耗散損耗。

這里示出了用于x頻帶的天線的非常有效的蓋(天線罩)，其能夠用于移動(dòng)衛(wèi)星通信中的便攜式天線。然而，根據(jù)指定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該蓋還能夠被重調(diào)尺寸用于其它頻帶。