專利名稱：天線饋送裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線饋送裝置，具體但不排它地用于衛(wèi)星通信的天線饋送裝置，具體 涉及由于饋送裝置中的溫度波動而引起的天線的波束指向誤差。
背景技術(shù)：
對于衛(wèi)星上的通信天線，長久以來難以避免由于衛(wèi)星的溫度波動而引起的天線的 波束指向誤差。這些溫度波動主要由于衛(wèi)星進(jìn)入或移出太陽輻射范圍引起。這種現(xiàn)象的具 體示例是地球同步衛(wèi)星的溫度波動。這些地球同步衛(wèi)星繞地球運行，在運行過程中進(jìn)入或 移出太陽的輻射范圍。這樣的溫度變化典型地在幾百攝氏度的量級上并且影響除了衛(wèi)星上 外部附件以外的整個衛(wèi)星。利用從饋送裝置中包含的饋送焦平面向反射器發(fā)送的電磁輻射來饋送通信衛(wèi)星 天線。饋送裝置典型地包括彼此相鄰布置的伸長饋送鏈陣列。每個伸長饋送鏈在天線的不 同部分定向例如電磁波之類的電磁輻射，從而天線將相應(yīng)的輻射波束定向在地球表面預(yù)定 位置，例如以便在具體國家給出電視或移動電話覆蓋。發(fā)送/接收雙極化信號的每個饋送 鏈通常在離伸入波極化器的反射器最近的一端包括圓錐饋送喇叭，在離反射器最遠(yuǎn)的一端 包括直接式收發(fā)轉(zhuǎn)換器(OMT)。典型地以緊密群集在一起的喇叭的陣列的形式布置饋送喇 叭。這種布置允許從衛(wèi)星上的天線向地球發(fā)送波束，以給出從衛(wèi)星上可見的地球表面部分 的實質(zhì)上不中斷的覆蓋。備選地，可以將地球表面上所選的離散區(qū)域作為覆蓋目標(biāo)，例如選 擇葡萄牙而不是西班牙作為電信覆蓋。對于與地球表面相距大約35000千米的地球同步衛(wèi)星，甚至饋送喇叭相對于天線 的相對位置的微小變化也會使得從該饋送喇叭沖擊地球表面的波束方向圖(pattern)顯 著移動。例如，由于饋送喇叭裝置的溫度變化而引起的饋送喇叭的橫向移動可以引起0. 01 度的波束偏移，這可以引起地球表面上6千米的波束位置移動。因此，將意識到，這樣的饋 送裝置可以對由于饋送鏈的安裝件的熱膨脹或收縮而引起的位置變化尤為敏感。為了減輕重量，通常將饋送鏈安裝在鋁合金結(jié)構(gòu)中。然而，這種材料具有相對高的 熱膨脹系數(shù)，當(dāng)裝置遇到大的溫度變化時饋送喇叭彼此之間的的相對移動可能由于波束覆 蓋的變化而變得不可接受。具體關(guān)于每波束單饋送(SFB)天線，地球表面上6千米的波束 移動可以對區(qū)域是否被信號完全覆蓋或區(qū)域是否接收足夠強的信號有很大影響。例如，這 可能使通過電信覆蓋來聯(lián)系的大城市的一部分移出波束覆蓋之外。當(dāng)對衛(wèi)星有低變形需求的情況下，饋送鏈的安裝件可以由例如碳纖維強化塑料 (CFRP)或殷鋼等低變形材料制成。然而這些材料使用起來昂貴，并且在使用殷鋼的情況下 很重，殷鋼具有8.0的比重。CFRP可以被制造為形成非常高強度/剛度質(zhì)量比的結(jié)構(gòu)，但是 CFRP具有很差的熱導(dǎo)率，這使得饋送裝置的冷卻更困難。此外，對于這種材料來說，以螺栓 的或其他機(jī)械接口來制造可能是成問題的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天線的饋送裝置，克服了與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的一些困難。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種天線饋送裝置，包括至少兩個饋送鏈，每個饋 送鏈具有縱向饋送軸，饋送鏈被布置為在橫向方向上彼此相鄰，每個饋送鏈適于經(jīng)由發(fā)送/ 接收元件沿著其縱向饋送軸在該饋送鏈與天線的反射器之間發(fā)送或接收電磁輻射，饋送鏈 被軸向隔開的第一安裝件和第二安裝件夾持為彼此具有固定關(guān)系，饋送鏈從第二安裝件開 始經(jīng)過第一安裝件向反射器軸向延伸，其中發(fā)送/接收元件被布置在第一安裝件與反射器 之間，第一安裝件在橫向方向上的熱膨脹系數(shù)比第二安裝件的低，從而減小由于裝置的溫 度變化而引起的每個發(fā)送/接收元件在橫向方向上的平移移動。將意識到，如果裝置遭遇溫度的升高或降低，則第一安裝件將在總體上與饋送鏈 的饋送軸垂直的方向上相應(yīng)地膨脹或收縮，膨脹或收縮的量與所述第一安裝件的熱膨脹系 數(shù)成比例。類似地，第二安裝件將膨脹或收縮更大的量，因為第二安裝件具有更大的熱膨脹 系數(shù)。因為每個饋送鏈?zhǔn)莿傂越Y(jié)構(gòu)，所以從第一安裝件向天線反射器進(jìn)行投射的饋送鏈的 任何元件都會由于布置的幾何結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致在前述總體上垂直的方向上移動比第一安裝件 和第二安裝件之間或第一安裝件和第二安裝件上的任何點處都小的量。這種幾何結(jié)構(gòu)如圖 1禾口 2所示。對于微波應(yīng)用來說，發(fā)送/接收元件典型地是通常為圓錐形狀的饋送喇叭。喇叭 可以是內(nèi)階梯式的或復(fù)合錐形形狀的，并且可以被內(nèi)部修整以使電性能最優(yōu)化。對于橫向 定位來說重要的元件部分通常是由饋送喇叭的輪緣限定的孔徑。備選地，饋送喇叭的相位 中心可以被看作是發(fā)送/接收元件的重要部分，所述相位中心通常被定位為從饋送喇叭輪 緣開始略微軸向向內(nèi)的位置。因此，短語“發(fā)送/接收元件”應(yīng)當(dāng)被解釋為發(fā)送/接收元件 的一部分，對于這部分來說認(rèn)為橫向定位很重要。饋送裝置的最期望的幾何結(jié)構(gòu)是發(fā)送/接收元件的重要部分完全不會隨著裝置 溫度的變化而橫向偏離。為此，第一安裝件的熱膨脹系數(shù)(a i)與第二安裝件的熱膨脹系數(shù)
α, a
(α 2)之間的關(guān)系由等式= ~^給出，其中，a是從發(fā)送/接收元件到第一安裝件的軸
CX 2 以十O
距離，b是第一安裝件與第二安裝件的軸間距。安裝件，具體地這兩個安裝件，均可以包括總體上垂直于每個饋送鏈的饋送軸布 置的面板，所述面板限定每個饋送鏈延伸通過的孔徑。將意識到，根據(jù)本發(fā)明，形成第一安裝件的面板在該面板平面內(nèi)的熱膨脹系數(shù)將 比包括第二安裝件的面板低。方便地，第一安裝件可以包括鈦，第二安裝件可以包括鋁。鈦 的熱膨脹系數(shù)是8.5 X 10_6，鋁的熱膨脹系數(shù)是23.0X 10_6。這兩個系數(shù)之比=0. 370。因 此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例將鈦面板用于第一安裝件并將鋁面板用于第二安裝件以便利用該 比值，這可以限定從發(fā)送/接收元件到第一安裝件的軸距離為一個單位以及第一安裝件與 第二安裝件之間的軸間距為兩個單位。每個饋送鏈將典型地包括在使用中在所述饋送鏈的被布置為最接近反射器的端 部處的饋送喇叭，以及在第二端部處的0ΜΤ，饋送喇叭和OMT被在這兩者之間延伸的波極化 元件分開。在第一安裝件包括所述面板的情況下，安裝件可以包括凸緣，所述凸緣可附著到饋送鏈(例如可附著到饋送鏈的喇叭)并且適于嚙合在面板中限定所述孔徑的壁。優(yōu)選地，凸緣限定了與孔徑的所述壁的緊密配合，從而精確地在面板中定位饋送 鏈。在第二安裝件包括所述面板的情況下，第二安裝件可以包括將饋送鏈連接至面板 的托架，其中托架允許在面板和饋送鏈的相對定位中的有限容限。每個托架可以包括兩個正交的鉆孔組件，每個鉆孔組件容納通過該鉆孔組件的一 個或多個夾持件，以將饋送鏈夾持到安裝件。裝置可以包括由具有彼此緊密相鄰布置的饋送喇叭的饋送鏈組成的陣列?？梢栽O(shè) 想任何合適數(shù)目的饋送鏈，這些饋送鏈可以以節(jié)省空間的方式組在一起。各個饋送鏈的饋送軸可以彼此平行地向天線延伸或者可以在天線反射器的區(qū)域 內(nèi)相交。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種通信天線裝置，例如微波通信天線裝置，包括 根據(jù)本發(fā)明第一方面的天線饋送裝置。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種通信天線裝置，包括用于與地球或其他衛(wèi)星 進(jìn)行衛(wèi)星通信的上行和/或下行(通常為電子的)信號處理設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種通信衛(wèi)星，包括根據(jù)本發(fā)明第三方面的通信 天線裝置。


現(xiàn)在將參考附圖以示例的方式來描述本發(fā)明，附圖中圖1是包括兩個饋送鏈以及第一和第二面板安裝件的饋送裝置的側(cè)面部分橫截 面視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的幾何布置；圖3圖示了從饋送鏈入射到天線反射器從而給出理想視軸的輻射方向圖；圖4示出了與圖3類似的布置，區(qū)別在于饋送鏈橫向移位并且引起天線視軸誤 差；圖5示出了與圖4類似的布置，其中饋送鏈的饋送軸傾斜出并且沒有橫向移位；圖6是安裝在第一和第二面板中的饋送鏈的側(cè)面部分橫截面視圖，示出了安裝件 的細(xì)節(jié)；圖7是饋送裝置的三維視圖，示出了安裝在第一面板中的饋送喇叭以及安裝在第 二面板中的0ΜΤ;圖8是安裝在第二面板上的OMT的三維視圖；圖9圖示了分別在第一面板和第二面板處的饋送鏈安裝的所需靈活性；圖10圖示了與圖9類似的布置，區(qū)別在于具有極大剛性的面板安裝件；圖11圖示了與圖10類似的布置，區(qū)別在于具有更靈活的面板安裝件；以及圖12是具有兩個天線裝置的通信衛(wèi)星的三維視圖。
具體實施例方式參考附圖，圖1所示的布置包括饋送裝置15。圖1示出了相鄰的饋送鏈1、2，每個
5饋送鏈限定了安裝在第一安裝面板5和第二安裝面板6中的縱向饋送軸3、4。饋送鏈各自 都具有饋送喇叭7、8和饋送鏈的最靠近天線反射器(未示出)的端部9、10。每個饋送喇叭 7,8限定了面對反射器的輪緣11、12。每個輪緣11、12限定了其中的饋送孔徑13(見圖7) 每個輪緣11、12還限定了相位中心14。根據(jù)天線某時是用于發(fā)送還是用于接收，饋送喇叭 7,8可以用作裝置15的發(fā)送或接收元件，可以認(rèn)為饋送孔徑13或相位中心14的橫向定位 對于裝置的設(shè)計很重要。從圖1可以看出，饋送孔徑13與第一安裝面板5的軸距離表示為 "a",而相位中心與第一安裝面板5的軸距離表示為“a’ ”。每個饋送喇叭7、8連接至極化元 件16、17，極化元件16、17連接至OMT 18、19。向第一面板5和第二面板6的安裝的細(xì)節(jié)在圖1中是示意性的并且在圖6、7和8 中被更詳細(xì)地示出。從圖6可以看出，第一安裝面板5限定了該第一安裝面板5中的肘形 孔徑20。固定到饋送喇叭7的凸緣21與肘形孔徑20緊密滑動配合，并且被螺栓22、23夾 持在適當(dāng)位置，螺栓22、23通過面板5來嚙合凸緣21。因此，通過這種布置沿軸3的縱向和 橫向精確地定位了饋送喇叭。具體參考圖6、7和8，示出了向第二安裝面板6的安裝。面板6類似地限定了肘 形孔徑24(參見圖6)。然而，為了允許饋送鏈1與面板6之間的相對移動，當(dāng)裝置15發(fā)生 顯著溫度變化時，向面板6的安裝被設(shè)計為比向面板5的安裝更靈活。托架25、26將饋送 鏈的OMT相對于面板6保持在適當(dāng)位置。這些安裝件旨在提供所需的有限靈活性。每個托 架25、26包括互相垂直的元件27、28，每個元件27、28限定螺栓孔29。螺栓30將托架25、 26分別夾持到面板6和饋送鏈的0ΜΤ。將意識到，可以通過形成比螺栓略大的螺栓孔來得 到靜態(tài)容限，可以利用為每個螺栓25、26設(shè)計的靈活性來得到由于溫度變化而引起的動態(tài) 容限。還將意識到，通過仔細(xì)選擇凸緣21的材料和厚度，向第一面板5的安裝可能靈活 性更有限。圖9、10和11圖示了饋送鏈的安裝布置的不同剛度。圖9示出了向面板5安裝時 的螺栓/凸緣剛度31，以及向面板6安裝時的螺栓/夾板剛度32。圖10示出了當(dāng)面板5相對于面板6向下橫向移動并且剛度31、32過大時饋送鏈1 發(fā)生的變化?？梢钥闯觯佀玩溩陨韽澢鴽]有發(fā)生安裝件的彎曲。圖11示出了采用具有 更合適剛度的安裝件的布置，這允許在面板5、6相對于彼此橫向移動時饋送鏈仍是直的。參考圖7和12，圖12示出了通信衛(wèi)星47，通信衛(wèi)星47具有每波束單饋送型的兩 個饋送裝置15，每個饋送裝置15向兩個天線反射器45之一定向輻射。天線反射器45的 安裝件未被示出但是是常規(guī)的，這些安裝件被設(shè)計為允許反射器在衛(wèi)星的裝載隔倉48中 的裝載位置(未示出)與圖12所示的使用位置之間移動。圖17更詳細(xì)地示出了單饋送裝 置，所述單饋送裝置具有由19個饋送鏈1組成的陣列以及饋送裝置的安裝箱33的輻射表 面46。由19個饋送鏈1組成的陣列被示為具有饋送喇叭7，饋送喇叭7被彼此接近地安 裝，饋送喇叭7的輪緣11幾乎互相觸到，以實現(xiàn)波束覆蓋的連續(xù)性以及對衛(wèi)星上的最小空 間的利用。通過嚴(yán)格檢查可以看出，饋送鏈的饋送軸并不彼此平行而是在天線反射器平面 處或在靠近天線反射器平面處重合(參見圖12)。將饋送鏈1的陣列安裝到包含在安裝箱 33中的第一面板5和第二面板6。將意識到，由于饋送鏈在向反射器發(fā)送輻射或從反射器發(fā)送輻射時會產(chǎn)生大量的
6熱，所以需要面板5和6起到散熱器的作用并且將熱傳導(dǎo)至遠(yuǎn)離饋送裝置15，以通過安裝箱 33的輻射表面46而輻射出去。圖3、4和5中示出了饋送喇叭7相對于天線34的不同類型的移動的效果。圖3 示出了理想的電場景。饋送喇叭7沿饋送軸D向天線34定向輻射，在天線34處沿天線視 軸35反射輻射。沒有發(fā)生饋送喇叭相對于期望饋送軸D的橫向移動。因此存在零變形并 且天線增益和天線指向都保持不變。理論上可以通過安裝由熱膨脹系數(shù)接近零的材料(例 如，殷鋼或碳纖維強化塑料)制成的多饋送裝置的面板來實現(xiàn)這一點。然而，這樣的材料可 能很貴并且在制造和熱設(shè)計方面成問題(這樣的材料具有低熱導(dǎo)率并且不總是如所需的 那樣高效地將熱傳導(dǎo)至遠(yuǎn)離饋送鏈)。在采用殷鋼的情況下，由于殷鋼的高比重使得還存在 顯著的質(zhì)量損失。圖4示出了與圖3的布置相類似的布置，區(qū)別在于在如傳統(tǒng)上用于饋送裝置的一 樣，在輕的鋁合金結(jié)構(gòu)的單個安裝件中安裝饋送裝置的饋送鏈。由于巨大的溫度效應(yīng)，將始 終存在饋送鏈相對于裝置中其他饋送鏈的一些橫向位移。圖4中示出了這種橫向位移，其 中δ是有限尺寸。這對天線的指向造成不利影響，例如可能出現(xiàn)0.01°的指向誤差。這可 能降低波束與波束之間的隔離和/或減小地球表面指定區(qū)域上的覆蓋。圖4還示出了有限 的天線視軸誤差θ。由于饋送喇叭視軸橫向平移，所示的布置在覆蓋的邊緣36處給出略低 的天線增益。圖5示出了不存在饋送喇叭7的橫向偏離而僅有饋送軸D的略微傾斜37的情況。 根據(jù)本發(fā)明，這種布置保持饋送喇叭7的孔徑13相對于饋送喇叭視軸D的橫向位置不變。 然而仍存在由于喇叭視軸的略微傾斜而引起的微小饋送喇叭指向誤差。這使得由于喇叭視 軸傾斜而在覆蓋的邊緣38處引起略低的天線增益。然而將注意，當(dāng)θ等于零度時天線視 軸保持不受影響。喇叭視軸指向誤差可以是引起上述略低增益的0. 1度的誤差，實際上是 非常小的效應(yīng)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的幾何結(jié)構(gòu)。這里饋送鏈1、2被示為安裝在鈦第一 安裝板5和鋁合金第二安裝板6中。饋送軸3、4與變形的饋送軸3’、4’一起被示出。示出 了饋送喇叭孔徑13的中心39、40。當(dāng)裝置發(fā)生巨大溫度變化引起安裝面板5和6在與饋送 軸3、4平行的方向上延伸時，這些經(jīng)歷零變形。鈦面板5被示為延伸程度為鋁合金面板6 的大約三分之一。在距離“a”為IOOmm而面板間距“b”為200mm的情況下，這在位置39、40 處引起零或接近零的橫向變形。將意識到，如果饋送鏈1、2延伸到超出位置39、40，則橫向 變形將再次從在39和40處的零或接近零的變形開始增大。因此，與面板5相距又一 IOOmm 距離的位置41、42將經(jīng)歷與饋送軸在面板5處的變形相同但方向相反的橫向變形。因此， 布置在位置41、42與43、44之間任何位置處(其中饋送軸經(jīng)過面板5)的饋送鏈的關(guān)鍵部 分(如，喇叭孔徑或喇叭相位中心)將經(jīng)歷較小的橫向變形，因為在該位置處的溫度變化小 于在面板5或面板6處的溫度變化。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的裝置提供了在饋送鏈 的發(fā)送/接收元件上關(guān)鍵點的減小的橫向變形，其中精細(xì)的設(shè)計使得橫向變形可以減小到 零?，F(xiàn)在將參考附圖中的圖1來概括圖2中總體上所示的數(shù)學(xué)關(guān)系?，F(xiàn)在考慮面板1遭受巨大溫度變化Δ T1 (CTE =Q1)
面板2遭受巨大溫度變化Δ T2 (CTE = α 2)令(面板1中)前面的固定位置從參考線開始的移動為0-0 = δ(面板1)中后面的固定位置從參考線開始的移動為0-0= δ 2因此
權(quán)利要求
一種天線饋送裝置，包括至少兩個饋送鏈，每個饋送鏈具有縱向饋送軸，饋送鏈被布置為在橫向方向上彼此相鄰，每個饋送鏈適于經(jīng)由發(fā)送/接收元件沿著該饋送鏈的縱向饋送軸在該饋送鏈與天線的反射器之間發(fā)送或接收電磁輻射，饋送鏈被軸向隔開的第一安裝件和第二安裝件夾持為彼此具有固定關(guān)系，饋送鏈從第二安裝件開始經(jīng)過第一安裝件向反射器軸向延伸，其中發(fā)送/接收元件被布置在第一安裝件與反射器之間，第一安裝件在橫向方向上的熱膨脹系數(shù)比第二安裝件的低，從而減小由于裝置的溫度變化而引起的每個發(fā)送/接收元件在橫向方向上的平移移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，第一安裝件的熱膨脹系數(shù)α工與第二安裝件的熱
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，安裝件包括總體上垂直于每個饋送鏈的饋送 軸布置的面板，所述面板限定每個饋送鏈延伸通過的孔徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的裝置，其中，第一安裝件包括鈦，第二安裝件包括鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，從發(fā)送/接收元件到第一安裝件的軸距離與第一 安裝件和第二安裝件的軸間距之比是1 2。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中，每個饋送鏈包括使用 中在所述饋送鏈的被布置為最接近反射器的端部處的饋送喇叭，在第二端部處的0ΜΤ，以及 在饋送喇叭與OMT之間延伸的波極化元件。
7.根據(jù)引用權(quán)利要求3的前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中，安裝件包括凸緣，所 述凸緣可附著到饋送鏈并且適于嚙合在面板中限定所述孔徑的壁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中，凸緣限定了與孔徑的所述壁的緊密配合，從而精 確地在面板中定位饋送鏈。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中，第二安裝件包括面板并 且包括將饋送鏈連接至面板的托架，其中托架允許在面板和饋送鏈的相對定位中的有限容 限。
10.根據(jù)引用權(quán)利要求6的前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，包括由具有彼此緊密相 鄰布置的饋送喇叭的饋送鏈組成的陣列。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中，饋送軸彼此相交。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，饋送軸在天線反射器的區(qū)域內(nèi)彼此相交。
13.—種通信天線裝置，包括根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的天線饋送裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的通信天線裝置，包括用于與地球進(jìn)行衛(wèi)星通信的上行/下 行電子設(shè)備。
15.一種通信衛(wèi)星，包括根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的通信天線裝置。
全文摘要
提供了一種天線饋送裝置(15)，包括至少兩個伸長的饋送鏈(1，2)，這兩個饋送鏈彼此相鄰。每個饋送鏈適于經(jīng)由發(fā)送/接收元件(7)沿著該饋送鏈的縱向饋送軸(3，4)在該饋送鏈與天線(34)之間發(fā)送或接收電磁輻射。饋送鏈(1，2)被饋送鏈的軸向隔開的第一安裝件和第二安裝件(5，6)夾持為彼此具有固定關(guān)系。發(fā)送/接收元件(7，8)從第一安裝件(5)向天線軸向延伸，第二安裝件(6)被布置在第一安裝件(5)遠(yuǎn)離天線的一側(cè)。第一安裝件(5)在橫向方向上的熱膨脹系數(shù)比第二安裝件(6)的低，從而減小由于裝置(15)的溫度變化而引起的每個發(fā)送/接收元件(7，8)在橫向方向上的平移移動。
文檔編號H01Q1/28GK101978554SQ200980109471
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者蒂莫西·約翰·艾克萊斯頓 申請人:阿斯特里姆有限公司