阅读说明：本技术 三频带馈送组件系统和方法 (Three-band feed assembly system and method ) 是由 C·D·让德龙 Y-C·常 P·芬恩 A·布赖洛夫斯基 于 2018-02-14 设计创作，主要内容包括：本文提供了一种在不同频带(例如,低、中和高频带)下工作的馈送组件。馈送组件包括低、中和高频带共用的馈电喇叭、用于发射在低带频带中的信号的同轴偏振器、用于发射在低带频带中的信号并支持中和高频带的同轴正交模态换能器(OMT)以及设置在馈送组件的中心导体中的多杆,该多杆对中频带和高频带共用。馈送组件包括具有不同的部分的三频带馈送组件,以支持低频带中的信号以及中频带和高频带中的信号。(A feed assembly is provided herein that operates at different frequency bands (e.g., low, mid, and high frequency bands). The feed assembly includes a feed horn common to the low, mid, and high frequency bands, a coaxial polarizer for transmitting signals in the low band, a coaxial orthomode transducer (OMT) for transmitting signals in the low band and supporting the mid and high frequency bands, and a plurality of rods disposed in a center conductor of the feed assembly, the plurality of rods being common to the mid and high frequency bands. The feed assembly includes a tri-band feed assembly having different portions to support signals in a low frequency band and signals in a mid-band and a high frequency band.)

三频带馈送组件系统和方法

背景技术

如本领域中已知的，常规的SATCOM终端在具有明显尺寸限制的应用中利用小型或低轮廓(low profile)的反射器天线。小型或低轮廓反射器天线通常包括馈送组件，该馈送组件在相应的天线系统中从发送器发送信号或将信号接收到接收器。但是，馈送组件的尺寸可能限制小型或低轮廓的反射器天线可以被用于其中的SATCOM应用的类型。此外，许多馈送组件仅配置为提供并支持单频带或双频带操作。

发明内容

本文公开的概念、系统和技术提供了一种紧凑的三频带馈送组件，其在第一、第二和第三频带(例如，低、中和高频带)下工作，并且可以被用在各种反射器天线应用中。三频带馈送组件包括各种部件，以提供与本领域已知的馈送组件相比具有更小尺寸的馈送组件。例如，在一些实施例中，馈送组件包括：支持低、中和高频带的紧凑的馈电喇叭和紧凑的匹配部分；支持低频带中的信号的同轴偏振器和正交模态换能器(orthomode transducer,OMT)；在使用圆波导的中心导体中的多杆和偏振器，以支持中和高频带的信号；以及双工器，以将一个或多个中频带端口与高频带端口分离。因此，馈送组件提供了具有不同部分的三频带馈送组件，以支持低频带中的信号以及中频带和高频带中的信号。

三频带馈送组件可以被设计用于相对小或低轮廓的反射器天线，以用于对于相应的反射器天线具有有限空间的应用，例如但不限于，机载、船载或地面移动平台。与本领域中已知的其它馈送组件的可比较部件相比，三频带馈送组件的部件可具有更小(例如，紧凑)的尺寸。例如，同轴偏振器的长度可以大约等于在低频带中的工作频率下的波长的一半。在一个实施例中，同轴偏振器包括具有凹口矩形形状的一个或多个部分。在一些实施例中，可以至少部分地基于具有凹口矩形形状的一个或多个部分的性质以及用于形成同轴偏振器的材料的性质来实现减小的尺寸。

OMT可以具有紧凑的尺寸，使得两个低频带端口被布置成非常接近但彼此正交。在同轴波导中，一对短接翼片(shorting fin)被用于在两个正交端口之间提供额外的隔离。可以基于相应反射器天线的回波损耗阈值(return loss threshold)和隔离阈值(isolation threshold)来调整两个端口之间的距离。

用于反射器天线的多频带馈送设计的两个关键挑战是对于所有频带具有相似的波束宽度以及具有共同的相位中心。采用不同的波束宽度，天线的照度或溢出效率(spillover efficiency)将受到影响。不具有公共的相位中心，天线的相位效率将受到影响。馈电喇叭的物理性质是，它通常在较低的频率下具有较宽的波束宽度，并且它随着频率的增加而变得更窄。大多数馈电喇叭的相位中心位置也会随频率而变化。在实施例中，在低、中和高频带中的每个频带下馈送组件的相应的波束宽度近似相等。例如，在一些实施例中，用于低、中和高频带中的每个频带的波束宽度(例如，10-db波束宽度)可以是大约74度。在实施例中，馈送组件对于低、中和高频带中的每个频带具有公共的相位中心，以在低、中和高频带中的每个频带下提供高的天线效率。

本文描述的系统可以独立地或者与另一特征结合地包括一个或者多个下列特征。

在第一方面，提供了一种用于反射器天线的馈送组件，该馈送组件具有：低、中和高频带共用的馈电喇叭；同轴的偏振器，以发射低带频带中的信号并支持中和高频频带；同轴正交模态换能器(OMT)，以发射低频带中的信号并支持中和高频带；以及在馈送组件的中心导体中设置的多杆，该多杆对于中和高频带共用并支持低频带。

同轴偏振器的长度可以对应于低频带中的工作频率下的波长的一半。在一些实施例中，同轴偏振器的长度对应于形成同轴偏振器的材料的性质和同轴偏振器的形状。同轴偏振器可包括具有凹口矩形形状的部分。

同轴OMT还可包括彼此隔开预定距离设置的至少两个端口。该预定距离可以对应于反射器天线的回波损耗阈值和隔离阈值。

馈送组件可以包括耦接到馈电喇叭的匹配部分，该馈电喇叭对于低、中和高频带是共用的。可以在馈送组件的中心导体中设置偏振器，该偏振器对中和高频带共用。馈送组件可以包括双工器，该双工器被配置为将用于中频带的第一端口和第二端口与用于高频带的第三端口分开。

在一个实施例中，用于低、中和高频带的各自的波束宽度(例如，10-dB的波束宽度)近似相等。例如，各自的10-dB的波束宽度可以是大约74度。馈送组件可以包括共位置相位中心，用于发射低、中和高频带中的信号。

在另一方面，提供了一种方法，该方法包括：使用用于反射器天线的馈送组件在低、中和高频带下接收和发送信号；提供低、中和高频带共用的馈电喇叭；使用同轴偏振器和同轴正交模态换能器(OMT)在低频带中发射信号；以及使用多杆和双工器在中和高频带中发射信号，其中多杆和双工器支持低频带。

该方法可以包括：提供同轴偏振器，其长度对应于低频带中的工作频率的波长的一半。在一些实施例中，同轴偏振器的长度对应于形成同轴偏振器的材料的性质和同轴偏振器的形状。

同轴偏振器的一部分可以形成为具有凹口矩形形状。第一端口和第二端口可以设置在与反射器天线的回波损耗阈值和隔离阈值相对应的预定距离处。

在一些实施例中，可以在馈送组件的中心导体中提供偏振器。偏振器可以对中和高频带共用。双工器可以被配置为将用于中频带的前两个端口与用于高频带的第三端口分开。

低、中和高频带的各自的10-dB波束宽度可以近似相等。在一些实施例中，各自的波束宽度为约74度。馈送组件可以配置为具有共位置相位中心，用于在低、中和高频带发射信号。

应当理解，本文描述的不同实施例的元件可以组合以形成以上未具体阐述的其它实施例。也可以单独地或以适当的组合来提供在单个实施例的上下文中描述的各元件。在此未具体描述的其它实施例也在所附权利要求书的范围内。

在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是三频带馈送组件的剖视图；

图1A-1B是图1的三频带馈送组件的两个等距视图；

图2是图1的三频带馈送组件的两个同轴偏振器和同轴正交模态换能器(OMT)的剖视图；

图2A-2B是图1的三频带馈送组件的同轴偏振器的剖视图；

图2C-2D是图1的三频带馈送组件的同轴OMT的等距视图；

图2E-2F是图1的三频带馈送组件的OMT的剖视图；

图2G是设置在图1的三频带馈送组件的同轴OMT内的中心导体的剖视图；

图3-3B是耦接到反射器天线的图1的三频带馈送组件的不同视图；和

图4是使用图1的三频带馈送组件来接收和/或发送信号的方法的流程图。

在各个附图中，相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

本文描述的是一种用于在多个不同的频带(例如，低、中和高频带)下工作的三频带馈送组件，其可以用于各种卫星通信(SATCOM)应用中，例如反射器天线应用中。在实施例中，三频带馈送组件包括与本领域中已知的其它馈送组件的类似部件相比具有更小(或紧凑)尺寸的多个部分。因此，该三频带馈送组件可以应用于小型或低轮廓的反射器天线应用，例如但不限于，具有有限不动产(real estate)的机载、船载或地面移动平台。三频带馈送组件的不同部件可以被配置为支持一个或多个不同的频带，使得不同频带的各自的波束宽度近似相等，并且对于每个不同频带维持公共的相位中心。

在实施例中，构成馈送的三频带的低、中和高频带分别包括K(20.2-21.2GHz)、Ka(30-31GHz)和Q(43.5-45.5GHz)频带。应当知道，尽管本文描述了三频带馈送，但是应当理解，附加频带可以使用本文描述的三频带馈送组件中的一个或多个部件。术语“公共(共用)”和“支持”可以指馈送组件的部件对相应频带中的信号进行操作、接收和/或发送的能力。在一些实施例中，操作可以包括将信号传送或转换到馈送组件中的其它部件。馈送组件的部件可以包括但不限于馈电喇叭、匹配部分、同轴偏振器、同轴OMT、偏振器、双工器和中心导体。

现在参考图1，三频带馈送组件100包括馈电喇叭102、匹配部分104、同轴偏振器106、同轴正交模态换能器(OMT)108、多杆110、偏振器112和双工器114。在示出的实施例中，构成馈送的三频带的低、中和高频带分别包括K(20.2-21.2GHz)、Ka(30-31GHz)和Q(43.5-45.5GHz)频带。

馈电喇叭102可以耦接到反射器天线(未示出，例如图3的反射器天线302)。在一个实施例中，馈电喇叭102可以从反射器天线接收信号，并且将信号传送到馈送组件100内的其它部件。馈电喇叭102可以包括三频带馈电喇叭，并且可以被配置为在低、中和高频带接收和发送信号。

匹配部分104可以设置在馈电喇叭102的内腔/通道中。在一个实施例中，匹配部分104可以包括夹在两个金属虹膜环之间的介电环，以在传输的信号被辐射进入或者接收的信号来自的位置的馈送和自由空间之间提供阻抗匹配。匹配部分104被配置为支持低、中和高频带中的每一频带。

同轴偏振器106设置在馈送组件100的内腔内，并且被配置为发射低频带中的信号。在一些实施例中，一个或多个同轴偏振器耦接到设置在馈送组件100的内腔中的中心导体116。同轴偏振器106的长度可以是低频带中的频率(例如，工作频率)的波长的一半。该长度可以对应于形成同轴偏振器的材料的性质和同轴偏振器的形状。将参照下面的图2-2A更详细地描述同轴偏振器106。

同轴OMT 108被耦接到馈电喇叭102，并且可以围绕中心导体116和同轴偏振器106设置。同轴OMT 108可以包括一个或多个端口(此处显示了一个端口124)，以发射低频带中的信号。在一些实施例中，端口可以包括左旋和/或右旋圆偏振端口。同轴OMT 108可以形成为具有紧凑的形状，从而端口可以彼此以减小距离设置。可以至少部分地基于反射器天线的回波损耗阈值和隔离阈值来选择减小的(或预定的)距离。同轴OMT 108可以包括一对短接翼片，用于在两个正交端口之间提供额外的隔离。在两个正交端口的每一个中，楔形部分用于提供从同轴波导到矩形波导的紧凑过渡，其还用作用于过渡的匹配部分。将参照下面的图2和2C-2D更详细地描述同轴OMT 108。

多杆110设置在中心导体116内。在图1所示的实施例中，多杆110设置在中心导体116的第一(端部)部分116a内，以使第一端部110a延伸到馈电喇叭102中，以发射来自中心导体116的信号，并且第二端部110b设置成邻近偏振器112。第二端部110b可以在锥形圆波导部分内开始，该锥形圆波导部分通过由多杆提供的介电负载来减小直径。在一个实施例中，可以利用该介电负载来支撑用于同轴波导的适当的内径。可以将多杆110配置为在中和高频带发射信号。

偏振器112设置在中心导体116的第二(中间)部分116b内。偏振器112可以配置为发射中频带和高频带中的信号。偏振器112可以被配置为将线性偏振波转换成圆形偏振波，或者将圆形偏振波转换成线性偏振波。偏振器112可以被配置为施加相位差或相位移(例如90°相位移)以用于转换。偏振器112可以被配置为发射中频带和高频带中的信号。

双工器114可以被设置为靠近偏振器112并可以被配置为发射中频带和高频带中的信号。在一个实施例中，中心导体116的第三(端部)部分116c可以设置在双工器114内并延伸通过双工器114。如本领域中已知的，波导双工器是用于组合/分离多频带和多端口信号以提供频带或极化识别的装置。双工器114可包括一个或多个端口以分离中频带端口和高频带端口，以发射在相应频带中的信号。例如，并且如图1所示，双工器114可以包括用于中频带中的信号的两个第一端口120(但为了清楚示出了一个端口)和用于在高频带中的信号的第三端口(例如，图1B的第二端口122)。应该知道，端口的数量和双工器的性质可至少部分地基于在馈送组件100的特定应用。例如，在一个实施例中，双工器可以包括四端口双工器，以将两个中频带端口和两个高频带端口分开。

简要地参考图1A-1B，提供了馈送组件100的替代视图，示出了耦接在一起的整个馈送组件(即，耦接在一起的馈送组件100的两部分)。如图1A-1B所示，示出了馈电喇叭102、具有端口126的同轴OMT 108以及具有第一端口120(例如，中频带端口)和第二端口122(例如，高频带端口)的双工器114。匹配部分104、同轴偏振器106、多杆110、偏振器112和中心导体116未在图1A-1B中示出，因为它们被设置在馈送组件100的内腔中。

现在参照图2-2C，第一同轴偏振器202a和第二同轴偏振器202b被耦接到具有第一OMT端口206和第二OMT端口208的同轴OMT204。同轴偏振器202a、202b和同轴OMT 204分别和图1的同轴偏振器106和同轴OMT 108相同或基本类似。

与本领域中已知的其它偏振器和OMT相比，可以提供具有紧凑尺寸的第一和第二同轴偏振器202a、202b和同轴OMT 204。在实施例中，第一和第二同轴偏振器202a、202b中的每者的长度可以是低频带中的频率(例如，工作频率)下的波长的大约一半。减小的长度可以至少部分地基于相应的同轴偏振器202a、202b的形状和/或形成相应的同轴偏振器202a、202b的材料的性质。例如，如本领域中已知的，叶片偏振器可以利用锥形形状来提供良好的阻抗匹配，同时放慢E场来提供90度相位移。然而，第一和第二同轴偏振器202a、202b(以及其它偏振器)包括凹口区域(以及本文中描述的其它偏振器具有凹口形状或凹口区域)。与不具有凹口形状的偏振器相比，该凹口形状可以在较短长度的偏振器内提供足够的相位移和/或良好匹配。应该理解，在相同的长度下，凹口区域可以比例如锥形部分具有更多的介电材料。因此，可以通过包括一个或多个凹口区域来减少第一和第二同轴偏振器202a、202b的总长度。此外，第一和第二同轴偏振器202a、202b可以包括具有高介电常数的高k介电材料(例如，Hi-K材料)，以从具有介电常数从2.1至2.54的材料(例如Rexolite或Teflon)的其它类型的叶片偏振器进一步缩短它们的相应长度。

例如，并且现在参考图2A-2B，与图2的第一和第二同轴偏振器202a、202b相同的同轴偏振器202被示出为具有矩形形状，并且包括第一部分210a、第二部分210b和第三部分210c。第一部分210a和第三部分210c(或端部部分)可以分别包括凹口区域(或凹口矩形区域)212a、212b。第二部分210b(或中间部分)可以形成为大体矩形形状，并且耦接第一和第三部分210a、210c。在一个实施例中，与没有凹口形状的偏振器相比，第一和第二同轴偏振器202a、202b的凹口区域的形状(即，凹口形状)可以更短的长度提供足够的相位移和良好的匹配。

同轴偏振器202可以包括具有高介电常数的一种或多种材料，例如但不限于，具有高介电常数的高k介电材料(例如，Hi-K材料)。

现在参考图2C-2D，提供了同轴OMT 204的不同视图，没有附接的端口(例如，图2的第一端口206和第二端口208)。如图2B所示，同轴OMT 204包括第一腔212、第二腔214和形成在同轴OMT 204内并延伸其长度的中空区216。第一腔212和第二腔214可以被配置为与端口耦接并接收端口，端口例如为图2的第一端口206和第二端口208。在一个实施例中，第一腔212和第二腔214可以与中空区216通信耦接，以发送和接收在低频带中的信号。

现在参考图2E-2F，示出了同轴OMT 204的第一半部204a和第二半部204b。第一和第二半部204a、204b中的每一个包括与第一端口(例如图2的第一端口206)耦接并接收第一端口的第一腔212的半部以及接收第二端口(例如图2的第二端口208)的第二腔214的半部。第一和第二半部204a、204b还包括中空区216的半部(这里具有大体圆柱形形状)，使得当第一和第二半部204a、204b被耦接在一起时，形成图2C-2D的中空区216。中空区216可以被构造成保持馈送组件的中心导体。例如，并且如图2G所示，中心导体220可以设置在同轴OMT204的中空区216内。第一和第二同轴偏振器202a、202b耦接到中心导体220的外表面。

现在返回参考图2，同轴OMT 204可以形成为使得第一端口206和第二端口208彼此隔开预定距离设置。预定距离可以至少部分基于同轴OMT 204被耦接到其上的反射器天线的回波损耗阈值和隔离阈值。在一个实施例中，同轴OMT 204的总长度在低频带下可以是大约1.75个波长，并且两个端口(即，第一和第二端口206、208)之间的间隔可以小于0.4个波长。然而，应当理解，同轴OMT 204的总长度和两个端口之间的间隔可以至少部分地基于特定应用的要求而变化。

现在参考图3-3B，示出了耦接到馈送组件306的反射器天线302的不同视图。馈送组件306包括馈电喇叭308、匹配部分310、同轴偏振器312、同轴OMT 314、多杆316、偏振器318、双工器320和中心导体322。馈送组件306可以与图1的馈送组件100相同或基本相似。

馈送组件306可以耦接到反射器天线302以提供三频带馈送，使得反射器天线302可以在多频带(例如低、中和高频带)中发送和/或接收信号。在一个实施例中，馈送组件306可以被配置为对于每个不同的频带具有共同的相位中心，并且对于所有三个频带都为反射器天线302实现高的相位效率。馈送组件302对于每个不同的频带可以具有相等或基本相等的波束宽度。在一些实施例中，不同频带的10-db波束宽度可以是大约10dB，可以是大约74度。

现在参考图4，使用图1的三频带馈送组件100接收和/或发送信号的方法400的流程图开始于方框402，其中通过使用用于反射器天线的馈送组件在低、中和高频带下接收和发送信号。馈送组件可以耦接到反射器天线，并配置为支持低、中和高频带(例如，低-K(20.2-21.2GHz)，中-Ka(30-31GHz)和高Q(43.5-45.5GHz)频带)每者中的信号。

在方框404处，可以提供对于低、中和高频带共用的馈电喇叭。馈送组件可以包括与反射器天线耦接的馈电喇叭。馈电喇叭可被配置为在低、中和高频带的每一个频带下发射信号，从而将由反射器天线接收的信号传送(或传输)到馈送组件内的其它部件。

匹配部分耦接到馈电喇叭。匹配部分可以被配置为处理低、中和高频带中的每个频带中的信号，并将它们传送到馈送组件的同轴偏振器和同轴OMT。

在方框406处，可以使用同轴偏振器和同轴OMT来发射低频带中的信号。同轴偏振器可以将相位差施加到接收的信号以进行偏振转换。

在一些实施例中，一个或多个同轴偏振器可被设置在中心导体的外表面上。同轴偏振器和中心导体可以设置在同轴OMT的内腔内。同轴OMT可以包括多个端口，以发射在低频带中的信号。例如，在一些实施例中，同轴OMT可以包括用于具有左旋圆极化性质的信号的第一端口和用于具有右旋圆极化性质的信号的第二端口。

在方框408处，可以使用多杆和双工器来发射中频带和高频带中的信号。在多杆处接收具有对应于中频带或高频带的频率的信号。可以将多杆设置在馈送组件的中心导体中，以使第一端部延伸到馈电喇叭以接收信号，而第二端部设置在中心导体的大致中部，以将信号传输到馈送组件中的其它部件(例如，偏振器，双工器)。多杆的第一端部和第二端部中的每个可包括锥形部分。多杆的锥形部分可以提供逐渐的阻抗变化，以使中频带和高频带两者的失配最小化。因此，多杆可以被配置为支持中频带和高频带中的信号并将它们传送到偏振器。

偏振器可以配置为支持中频带和高频带中的信号，并将其传送到双工器。双工器可以包括多个端口，以将中频带中的信号与高频带中的信号分开。在一些实施例中，双工器可包括至少一个中频带输出端口和至少一个高频带输出端口。中频带输出端口可以发射在中频带中的信号，而高频带输出端口可以发射在高频带中的信号。

馈送组件通过包括用于低频带信号的一部分和用于中频带和高频带信号的一部分来支持并发射低、中和高频带中的每个频带中的信号。例如，并且如本文所述，同轴偏振器和同轴OMT可以被配置为发射在低频带中的信号，而多杆、偏振器和双工器可以被配置为发射在中频带和高频带中的信号。因此，馈送组件是三频带馈送组件。

已经描述了用于说明本发明主题的各种概念、结构和技术的优选实施例，现在将变得显而易见的是，可以使用结合了这些概念、结构和技术的其它实施例。因此，提出专利的范围不应限于所描述的实施例，而应仅由所附权利要求书的精神和范围来限定。

因此，其它实施例在所附权利要求书的范围内。