[发明专利]用于卫星通信的宽带天线系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于移动载体和卫星之间通信(特别是用于航空应用)的宽带天线系统。

背景技术

对用于以极高数据率进行数据发射的无线宽带信道的需求日益增大，特别是在移动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少合适的天线，所述合适的天线具体而言是能够满足用于移动使用时要求的条件，诸如尺寸小和重量轻。此外，通过卫星进行定向无线数据通信(例如在Ku或Ka频带上)要满足有关天线系统发射特性的极端要求，因为必须可靠排除相邻卫星的干扰。

在航空应用中，天线系统的重量和尺寸非常重要，因为它们降低了航行器的有效载荷，产生额外的操作费用。

因此，问题在于提供这样一种天线系统，其尽可能小且轻，却仍然能够符合在移动载体上使用时有关发射和接收操作的规定要求。

有关发射操作的规定要求例如来自标准CFR25.209、CFR25.222、ITU-R M.1643或ETSI EN 302 186。这些规定要求均旨在确保在移动卫星天线的定向发射操作期间不会与相邻卫星发生干扰。为此目的，典型的最大光谱功率密度的包络(包络曲线)被定义成关于目标卫星的分离角的函数。在天线系统的发射操作期间，针对特定分离角规定的数值不能被超出。这就对与该角度有关的天线特性产生严格的要求。例如，图5a示出了CFR22.209对Ku频带上沿方位角方向(与克拉克轨道相切)的与该角度有关的天线增益的要求。当关于目标卫星的分离角增大时，天线增益必须急剧降低。从物理学角度上看，这只能借助非常均匀的天线的幅度和相位构成来实现。因此通常使用具有这些特性的抛物线天线。然而，诸如此类的天线并不适于移动使用(特别是在航行器上)。为减少拖曳(drag)，采用高与宽的纵横比不超过1∶4的矩形天线开口或类似矩形的天线开口。由于抛物面镜在这种纵横比下只具有非常低的效率，因此优选将天线阵列用于例如航行器或机动车上的应用。

然而，天线阵列具有众所周知的问题，即所谓栅瓣。栅瓣是明显的寄生旁瓣，其形成原因是形成天线阵列的天线元件的波束中心由于这种设计必须彼此间隔一定距离。在特定的波束角上，这引起天线元件之间的正干涉，从而引起在不期望的立体角范围内不期望地发射电磁功率。根据二维天线阵列理论(例如，J.D.Kraus和R.J.Marhefka，“Antennas：for allapllications”，第三版，McGraw-Hill series in electrical engineering，2002)可以认识到，只有在在使用的最小波长上，天线阵列的波束中心彼此间隔小于一个波长的情况下才不会出现明显的寄生栅瓣。

由于天线阵列必须具有馈送网络，这就引起这样一个实际问题，即，找到一方面满足上述有关波束中心之间的最大距离的条件，另一方面占据尽可能少的物理空间的网络和天线阵列的布局。此外，馈送网络必须只能有最少的损耗，以使天线效率高，且因此尺寸最小。

此外，通常使用两个独立的信号偏振来提高定向卫星通信的数据率。天线系统因此必须能够同时处理两个独立的偏振。在发射操作期间和接收操作期间均需要高水平的偏振隔离以避免发生混合，从而避免损失效率。此外，就发射操作而言，对偏振隔离存在严格的规定要求以避免与具有正交偏振的相邻的应答器发生干涉(例如参见CFR25.209和25.222)。就天线阵列而言，因此一方面需要确保主天线元件具有足够好的偏振隔离且足够好地维持偏振，另一方面需要确保在馈送网络中不发生不期望的正交偏振的混合。

特别是对于航空应用而言，关于线偏振信号所要求的偏振去耦对天线系统提供非常严厉的要求。由于这类系统通常装配在航行器机身上且具有双轴位置调节器，因此天线开口的方位角轴始终处于航行器平面上。航行器平面通常是与地球表面相切的平面。如果航行器位置和卫星位置现在不处于相同的地理经度上，则天线开口在指向卫星时始终要关于克拉克轨道平面转过特定角度，其中所述角度取决于地理经度。这种所谓的地理偏斜在移动应用中不能通过天线围绕与开口平面垂直的轴线旋转而得到补偿，而这对于地面固定天线而言是可行的。虽然具有原则上较差的纵横比，但航空天线系统因此必须能够符合规定要求，甚至是在存在地理偏斜(其可达通常约为±35°的特定旋转角)的情况下。

对于移动用、特别是航空用的卫星天线而言，这会造成以下必须同时得到解决的问题：

1、最小可能尺寸，以符合规定要求；

2、在最小重量下具有最大的天线效率；

3、宽的带宽，以覆盖接收频带和发射频带(例如，Ku频带的操作：10、7-12、75GHz和13、75-14、5GHz)；