[发明专利]具有与频率无关的辐射特性的改进的宽带多偶极子天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带多偶极子天线，并且特别地涉及一种天线，所述天线具有在倍频程带宽或更大带宽上或在一起覆盖倍频程带宽或更大带宽的多个频带上的低的输入反射系数、低的交叉极化(cross polarization)、旋转对称的波束和恒定束宽、和恒定相位中心位置。

背景技术

通常，反射体天线有很多应用，诸如应用在如无线电连结点对点系统和点对多点系统、雷达和射电望远镜中。现代反射体天线通常由不同类型的波纹喇叭形天线馈给(feed)。它们的优势在于与其他馈给天线相比，它们可以提供在大的频带上具有低交叉极化的旋转对称辐射模式。在恰当选择尺寸的情况下，还可获得不随频率变化的波束宽度。尽管如此，带宽通常被限制到约一个倍频程。波纹喇叭形天线制造也是昂贵的，特别是在低频处它们的物理尺寸和重量变大。

反射体天线大规模生产用于一些市场，特别是当它们很小并且达到约一米直径时，诸如例如应用于卫星电视接收，或在移动通信网络中基站之间的无线电通讯联系。甚至在射电天文学内，也具有用于射电望远镜的建议，射电望远镜由几个成本效益的大规模生产天线组成，诸如艾伦望远镜阵列(ATA)和平方公里阵列(SKA)。ATA已经在大规模生产大型反射体天线方面实现，并且存在用于SKA的类似的建议。ATA和SKA两者对带宽的需求是惊人的，覆盖几个倍频程。在一些建议的未来移动通信和无线通信系统中，也存在用于具有大带宽的天线的需求。这种系统通常被称为超宽带(UWB)系统，并且宽带天线技术称为UWB天线。由于上述原因，需要新类型的宽带天线，特别是可以以有效途径用于馈给反射器的天线。

在宽带和多波段天线技术中也有其他商业利益，例如用于卫星通信(satcom)。卫星通信系统的接地终端往往是反射体天线，并且期望将几个卫星通信频带，例如两个或两个以上所谓的L-、S-、C-、X、Ku-和Ka波段，结合在一个天线中。为了做到这一点，宽带或多频带馈给是重要的。

对于卫星通信应用程序，还有关的是使用天线，以天线可以移动以准确地指向卫星的这种方式，该天线可以提供关于卫星相对于天线的指示方向的位置的信息。这被称为跟踪，并且这种天线具有跟踪能力。获得这种指向信息的一种方式是通过使用利用几个端口的馈给，除了通信信号在其上被传输的共用(并且在这个连接中所谓“总和”)模式之外，几个端口可以被结合以在水平平面和垂直平面两者中提供所谓的跟踪(或差分)模式。相对于通过总和模式接收的信号的幅度和相位，通过两个跟踪模式接收到的信号的水平和相位给出关于卫星相对于天线的指向方向的位置的信息。因此，也需要用于跟踪目的的多端口反射器馈给。

今后建议的在具有衰减的环境中使用的通信系统中还需要多端口天线，具有衰减的环境即由于从发射到接收侧的许多反射的和散射的传播路径之间的干扰，具有在发射天线端口和接收天线端口之间的信号的大水平变化。最小干扰中的信号水平将是如此之低，从而导致接收问题。通过使用具有许多端口的天线，即多端口天线，这些问题可以通过在发射和接收侧之间设立更多通道而缓解。设计用于在不同通道之间的信息的最佳空间分布的这种通信系统通常被称为MIMO系统(多输入多输出)。用于这种系统的多端口天线应该具有非耦合端口(以给出不相关通道)和高辐射效率，藉此理想地在丰富和各向同性的多路径环境中，不需要天线增益和方向性。但是，可以期望具有额外的定向波束，因为在现实中，环境中往往可能存在视线部件。因此，需要具有有效率的非耦合端口的适应性的或可重构的多端口天线，并且额外可以提供另外的定向波束。这种天线的优势为宽带能够覆盖更多通信系统，并且紧凑以使它们在市场上便宜。因此，设计为具有用于卫星通信的跟踪能力的多端口馈给的天线也可以被用作具有另外的定向波束的用于MIMO系统的多端口天线。

最近已经开发的用于反射器的宽带馈给比波纹喇叭形天线有更大的宽带、更轻、更便宜地制造。已经通过以金字塔几何形状定位四个对数周期天线获得它们，参见2002年的IEEE天线与传播学会国际研讨会学报，第140-143页的Engargiola(英格雷格)的“Non-planar log-periodicantenna feed for integration with a cryogenic microwave amplifier”。波束宽度是恒定的，并且在输入端口的反射系数在几个倍频程带宽上低。然而，对于这种对数周期天线，相位中心随频率移动。由于在多数频率处散焦，这导致具有减少的方向性的问题。此外，这些天线具有相当复杂的机械解决方案。