CN116349090A - 喇叭天线元件 - Google Patents

Abstract

申请涉及一种喇叭天线元件(100)，该喇叭天线元件(100)包括：隔板偏振器(110)，该隔板偏振器(110)被配置为将线偏振输入信号(102)变换成公共端口(112)处的圆偏振输出信号(104)；以及喇叭辐射器(120)，该喇叭辐射器(120)包括：被形成为四脊波导(121)用以接收公共端口(112)处的圆偏振输出信号(104)的输入几何结构；以及用以辐射基于网格的圆偏振输出信号(106)的孔径网格(124)，其中，隔板偏振器(110)在公共端口(112)处嵌入在四脊波导(121)中。

Description

喇叭天线元件

技术领域

本申请涉及一种喇叭天线元件和一种包括这样的喇叭天线元件的机载卫星通信系统。喇叭天线元件被设计成用于同时地支持双频带操作和双圆偏振。具体地，本申请涉及一种包括此类喇叭天线元件的双频带双圆偏振喇叭天线。

背景技术

在卫星通信特别是动中通(on-the-move)卫星通信系统中，从卫星网络向诸如飞机、直升机、舰艇或汽车等的移动交通工具传输多媒体数据。天线必须安装在移动交通工具上。为了跟踪所期望的卫星，这些天线应当是定向的。在当今的应用中，K频段(17.7GHz-20.2GHz)或Ka频段(27.5GHz-30.0GHz)可以用于数据传输。

为了进行高数据速率的高效通信，需要双频带操作(即，K频段和Ka频段两者中的双频带操作)和双圆偏振。

当前可用的解决方案是在与混合耦合器或曲折偏振器组合以实现圆偏振的阵列中使用小于1个最高频率下的波长的四脊微喇叭。微喇叭技术的缺点是它并入了基于带状线的馈电电路，其与波导相比显示出更高的欧姆损耗，从而降低了阵列效率和关键性能指标，例如G/T(增益对噪声温度)。这些微喇叭阵列是固有线偏振的，并且需要额外的在线偏振与圆偏振之间进行转换的外部组件，诸如混合耦合器或曲折偏振器。

其他可用的解决方案是使用由单个喇叭馈电的反射器或透镜天线。由于振幅渐变、漏失和馈电阻塞效应，这些系统与喇叭阵列相比通常显示出更低的效率。

以标准的矩形/正方形波导几何结构实现的可用的隔板偏振器仅在窄得多的频率范围内工作。

根据US 2017/222310 A，一种用于特定波长的电磁辐射的天线的盖包括具有均匀布置的蜂窝状凸起的层。当从层的上侧或下侧观察时，凸起内的层与凸起外的层间隔开与天线信号的波长的大约1/4相对应的距离。盖以及因此层的底面稍后沿天线的辐射方向安装并与天线成隔开关系，从而形成天线的天线罩。

US 2016/072190 A1涉及一种包括天线的辐射元件，该辐射元件通过皱折与天线边缘分开，并且用于对于移动和航空应用支持在Ka、Ku或X频段中运行的双向卫星通信的天线系统。

发明内容

本申请的目的是提供用于可靠且高效的卫星通信的技术，特别是用于从卫星网络向诸如飞机、直升机、舰艇或汽车等的移动交通工具传输多媒体数据的动中通卫星通信系统的技术。

特别地，本申请的目的是为了为此类卫星通信提供一种高效且可靠的天线元件。该天线元件应当提供高数据速率且可靠的通信和双频带操作，特别是K频段和Ka频段两者中的双频带操作。该天线元件也应当支持双圆偏振。

此目的是通过本申请的独立权利要求的特征来实现的。另外的实现方式形式从从属权利要求、说明书和图中清楚得到。

本申请的基本思想是应用一种喇叭辐射器元件的新设计，其同时地支持双频带操作(例如K/Ka频段Rx 17.7GHz-20.2GHz和Tx 27.5GHz-30.0GHz)和双圆偏振(左旋圆偏振—LHCP和右旋圆偏振—RHCP)。该喇叭辐射器元件将是具有近似圆形轮廓的任意大小的高效喇叭阵列孔径天线的单位单元。为了实现高的天线效率和低的欧姆损耗，使用波导技术的解决方案为优选。天线可以被用作基于多轴定位器例如方位角、仰角、偏斜从而将天线永久性地对准到给定目标卫星的动中通卫星通信系统的一部分。

用于根据本申请解决上述技术问题的构思是通过如在下文中描述的那样将多种射频(RF)设计技术组合到新的非常紧凑的喇叭辐射器/OMT设计中来以高度高效的方式组合双频带操作和双圆偏振。

喇叭元件它本身使用以下两者被设计为过大的辐射器，即大于最高工作频率下的一个波长，通常为两个波长或更大：用以使得能实现甚宽频带(双频带)操作的四脊波导输入几何结构，以及用以将单个辐射器划分成虚拟2×2元件阵列的特别设计的孔径网格。此网格显著地减少天线图案中由于单位单元大小超过最高工作频率下的一个波长而固有地出现的栅瓣。

对于正交模变换器(OMT)，使用了在公共端口处嵌入在四脊波导中的隔板偏振器。利用此方法，OMT用于以下两个任务：将两个正交偏振组合为公共波导，以及同时将线偏振TE1,0模式转换成所对应的圆偏振LHCP/RHCP模式。

为了详细地描述本发明，将使用以下术语、缩写语和表示法：

OMT 正交模变换器

LHCP 左旋圆偏振

RHCP 右旋圆偏振

RF 射频

K频段 17.7GHz与20.2GHz之间的频段

Ka频段 27.5GHz与30.0GHz之间的频段

TE1,0模式电场与传播方向垂直的波导模式

TE0,1模式电场与传播方向垂直的另一波导模式

如本申请中描述的隔板偏振器是线偏振到圆偏振转换器。隔板偏振器由与公共宽壁(隔板)夹在一起的两个矩形波导(端口1和端口2，参见图5中的附图标记501和502)形成，所述公共宽壁逐步减小至零高度，从而产生方形波导公共端口。假定RF功率被施加到端口2(图5中的附图标记502)，信号行进通过波导，并且水平E场分量开始沿着偏振器的阶梯拆分成2个正交场分量。在方形输出端的末端，一个场分量相较于另一个分量将延迟90°，两个分量将具有相同的振幅。对于理想的隔板偏振器水平场，E场的水平分量等于E场的垂直分量并且具有90度的相位延迟。因此，形成右旋圆偏振(RHCP)(顺时针旋转)。相同推理适用于端口1处的左旋圆偏振(LHCP)。

如本申请中描述的正交模变换器(OMT)是波导组件，通常被称为偏振双工器。正交模变换器用来组合或分离两个正交偏振的微波信号路径。路径中的一条形成上行链路路径或下行链路路径，所述上行链路路径通过与接收的信号路径相同的波导传输。这样的装置可以是卫星天线馈电或地面微波无线电馈电的一部分。OMT常常与馈电喇叭一起使用，以便隔离信号的正交偏振并将发射信号和接收信号转移到不同端口。

如本申请中描述的波导是这样的结构，该结构通过限制往一个方向的能量的传输来以最小能量损失引导诸如电磁波的波。

四脊波导是传导脊从每一个侧壁突出到波导的中心中的波导。顶壁和底壁的脊与波导的侧壁平行。左侧壁和右侧壁的脊与波导的顶壁和底壁平行。当与规则矩形波导相比时，脊波导往往在其基本模式下具有更低的阻抗和更宽的带宽。它们也具有较低的截止频率并且具有较低的功率处理能力。脊波导可以用于阻抗匹配，因为它们会减小波导的特性阻抗。与传统波导相比，脊波导提供更高的带宽。

根据本申请的电磁波的圆偏振是这样的偏振状态，即在每个点处，波的电磁场具有恒定幅值，但是其方向在与波的方向垂直的平面内以恒定速率旋转。圆偏振波能够在如下两种可能的意义之一上旋转：电场矢量相对于传播方向在右旋意义上旋转的右旋圆偏振(RHCP)和矢量在左旋意义上旋转的左旋圆偏振(LHCP)。

根据本申请的电磁波的线偏振是沿着传播方向将电矢量或磁矢量限制到给定平面。

根据本申请的第一实施例，一种喇叭天线元件包括：隔板偏振器，该隔板偏振器被配置为将线偏振输入信号转换成公共端口处的圆偏振输出信号；以及喇叭辐射器，该喇叭辐射器包括：输入几何结构，该输入几何结构被形成为四脊波导用以接收公共端口处的圆偏振输出信号；以及孔径网格，该孔径网格用以辐射基于网格的圆偏振输出信号，其中，隔板偏振器在公共端口处嵌入在四脊波导中。

由于作为OMT的一部分嵌入的偏振器，这样的喇叭天线元件提供相较于现有的微喇叭技术的更高效率以及鲁棒的设计的优点。此外，由于缺少带状线电路和加工起来更容易且更快的显著更大的波导结构，因此相较于现有的微喇叭技术存在成本优势。

相较于现有的基于反射器的解决方案的优势是高效率和可配置性。使用阵列使得通过用特定振幅/相位信号组合单独地激励每个阵列元件来优化孔径照度。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，输入几何结构的四脊波导包括相等大小的四个对称形成的脊。

这提供了如下优势：高频率范围能够用于发射和接收，诸如K频段频率范围和Ka频段频率范围。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，孔径网格被形成为四脊波导的阵列，例如被形成为四脊波导的2×2阵列。

这提供了如下优势：四脊波导与规则矩形波导相比具有更低的阻抗和更宽的带宽。它们可以用于阻抗匹配，因为它们会减小波导的特性阻抗。四脊波导与非脊波导相比提供更高的带宽。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，孔径网格的四脊波导被对称地形成，每一个四脊波导具有相同的横截面。

这提供了如下优势：可以在使用对称形成的孔径网格时高效地实现具有相同信号特性的圆偏振输出信号的阵列。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，孔径网格的每一个四脊波导包括四个脊。

这提供了如下优势：可以提供具有低轴比的高质量的圆偏振信号，从而形成几乎完美的偏振圆。

脊的大小可以是相等的或不同的。脊可以被对称地或非对称地形成。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，输入几何结构的四脊波导的脊和孔径网格的四脊波导的阵列的脊是以非交叠方式形成的。

这提供了如下优势：可以将在公共端口处生成的圆偏振信号最佳地映射为要由喇叭辐射器辐射的基于网格的圆偏振信号。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，隔板偏振器被配置为将线偏振输入信号的输入TE1,0模式拆分成其间具有+/-90度相位差的TE1,0和TE0,1的模式组合，从而产生要由喇叭辐射器辐射的左旋圆偏振LHCP信号或右旋圆偏振RHCP信号。

这提供了如下优势：可以提供数据速率高的高效通信、K频段和Ka频段两者中的双频带操作以及双圆偏振。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，喇叭天线元件包括两个单线偏振端口，这两个单线偏振端口被配置为接收和/或发射线偏振输入信号的相应线偏振分量。

这提供了如下优势：两个单线偏振端口使得例如在下行链路方向和上行链路方向上馈送两个不同的信号，以便使得能实现K频段和Ka频段两者中的双频带操作。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，两个单线偏振端口被配置为在K频段频率范围和Ka频段频率范围内同时地进行接收和发射。

这提供了可以实现可靠且高效的卫星通信的优势。该天线元件提供高数据速率、可靠的通信以及K频段和Ka频段两者中的双频带操作并且支持双圆偏振。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，两个单线偏振端口的反射系数低于预定阈值，尤其是低于-15dB，并且在K频段和Ka频段两者中没有谐振。

这提供了可以实现高数据速率通信的优势。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，基于网格的圆偏振输出信号的轴比在K频段和Ka频段两者中低于1dB。

这提供了可以使偏振之间的串扰最小化的优势。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，隔板偏振器包括从两个单线偏振端口到喇叭辐射器的四脊波导的连续脊波导几何结构；并且隔板偏振器是阶梯形的，以将线偏振输入信号转换成圆偏振输出信号。

这提供了喇叭天线元件易于制造的优势。尤其是，可以通过常见机器以低成本制造阶梯结构。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，喇叭辐射器的四脊波导的横截面对应于喇叭辐射器的孔径网格的横截面。

这提供了如下优势：可以将在公共端口处接收到的圆偏振信号高效地映射为要由喇叭辐射器的孔径网格辐射的基于网格的圆偏振信号。

在喇叭天线元件的示例性实现方式中，喇叭辐射器的几何结构相对于指定最大工作频率下的波长过大，尤其是大于一个或多个指定最大工作频率下的波长。

这提供了如下优势：可以提供最大工作频率下的圆偏振信号的阵列以供发射和/或接收。

根据本申请的另一实施例，一种机载卫星通信系统包括：根据第一方面的喇叭天线元件；以及多轴定位器，该多轴定位器被配置为将喇叭天线元件永久地对准到给定目标卫星。

这提供了如下优势：喇叭天线元件可以被高效地应用于机载卫星通信。

根据第三方面，本申请涉及一种通过喇叭天线元件将线偏振信号转换为圆偏振信号的方法，该喇叭天线元件包括：隔板偏振器，该隔板偏振器被配置为将线偏振输入信号转换成公共端口处的圆偏振输出信号；以及喇叭辐射器，该喇叭辐射器包括：输入几何结构，该输入几何结构被形成为四脊波导用以接收公共端口处的圆偏振输出信号；以及孔径网格，该孔径网格用以辐射基于网格的圆偏振输出信号，其中，隔板偏振器在公共端口处嵌入在四脊波导中。该方法包括：由隔板偏振器接收线偏振信号；由隔板偏振器将线偏振输入信号转换成隔板偏振器的公共端口处的圆偏振输出信号；由喇叭辐射器接收公共端口处的圆偏振输出信号；以及由喇叭辐射器将圆偏振输出信号通过网格作为基于网格的圆偏振输出信号来辐射。

这样的方法相较于现有的基于反射器的解决方案提供了高效率和可配置性的优势。使用阵列使得通过用特定振幅/相位信号组合单独地激励每个阵列元件来优化孔径照度。

根据第四方面，本申请涉及一种卫星通信方法，包括：通过根据第二方面的机载卫星通信系统的多轴定位器，将根据第一方面的喇叭天线元件对准到给定目标卫星。可以永久地执行对准。机载卫星通信系统可以包括处理器，该处理器被配置为控制喇叭天线元件的对准。

根据第五方面，本申请涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可执行指令，该计算机可执行代码或计算机可执行指令当被执行时，使至少一个计算机执行根据第四方面的方法。这样的计算机程序产品可以包括在其上存储程序代码以供处理器使用的非暂时性可读存储介质，该程序代码包括用于执行如上所述的方法的指令。

附图说明

将关于以下图描述另外的示例，在图中：

图1示出了图示根据本申请的喇叭天线元件100的示意图100；

图2示出了图示根据本申请的机载卫星通信系统200的示意图；

图3示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的正视图300；

图4示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的立体图400；

图5示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的3维表示500；

图6示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的背面视图600；

图7示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面视图700；

图8示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面侧视图800；

图9示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面立体图900；

图10示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面正视图1000；

图11示出了图示根据本申请的示例性喇叭天线元件100的S参数1100的性能图；以及

图12示出了图示根据本申请的示例性喇叭天线元件100的轴比1200的性能图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考构成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以在其中实践本申请的特定方面。应理解，在不背离目前本申请的范围的情况下，可以利用其他方面并且可以做出结构或逻辑改变。因此，不以限制性意义进行以下详细描述，并且目前本申请的范围由所附权利要求书限定。

应理解，连同描述的方法一起做出的评论也可以适用于被配置为执行方法的对应装置或系统，并且反之亦然。此外，应理解，除非另外具体地指出，否则本文描述的各种示例性方面的特征可以彼此组合。

图1示出了图示根据本申请的喇叭天线元件100的示意图100。

喇叭天线元件100包括隔板偏振器110和喇叭辐射器120。隔板偏振器110被配置为将线偏振输入信号102变换成公共端口112处的圆偏振输出信号104。喇叭辐射器120包括被形成为四脊波导121以接收公共端口112处的圆偏振输出信号104的输入几何结构。喇叭辐射器120还包括用以辐射基于网格的圆偏振输出信号106的孔径网格124。基于网格的圆偏振输出信号106对应于通过孔径网格124之后的圆偏振输出信号104。隔板偏振器110在公共端口112处嵌入在四脊波导121中。

隔板偏振器110和喇叭辐射器120两者都可以嵌入在壳体中。将隔板偏振器110嵌入在四脊波导121中可以提供这两个部件在喇叭天线元件100中的固定布置，使得隔板偏振器110相对于喇叭辐射器120的旋转或移动是不可能的。喇叭天线元件100可以由单一材料形成。也可以分开地生产隔板偏振器110和喇叭辐射器120，并且例如通过熔断、焊接、接合、粘连等来连接这两个部件。

线偏振输入信号102可以通过馈电网络(在图1中未示出)被馈送到喇叭天线元件的输入端口111。

输入几何结构的四脊波导121可以包括相等大小的四个对称形成的脊311a、311b、311c、311d，例如如图3所示。

孔径网格124可以被形成为四脊波导124a、124b、124c、124d的阵列，例如如图3所示，例如被形成为如图3所示的四脊波导124a、124b、124c、124d的2×2阵列。

孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d可以被对称地形成，使得四脊波导124a、124b、124c、124d中的每一者具有相同的横截面，例如如图3所示。

孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d中的每一者可以包括四个脊301a、301b、301c、301d，例如如图3所示。

输入几何结构的四脊波导121的脊311a、311b、311c、311d以及孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d的阵列的脊301a、301b、301c、301d可以是以非交叠方式形成的，例如如图3所示。

隔板偏振器110可以被配置为将线偏振输入信号102的输入TE1,0模式拆分成其间具有+/-90度相位差的TE1,0(702)和TE0,1(701)的模式组合，从而产生要由喇叭辐射器120辐射的左旋圆偏振LHCP信号703或右旋圆偏振RHCP信号704，例如如图7所示。

喇叭天线元件100可以包括如图5所示的两个单线偏振端口501、502，其被配置为接收和/或发射线偏振输入信号102的相应线偏振分量。可以在喇叭天线元件100的输入端口111处接收和/或发射两个单线偏振端口501、502。

应理解，喇叭天线元件100被配置为同时地发射和接收信号。例如，可以在每个端口上接收K频段信号，同时发射Ka频段信号。

两个单线偏振端口501、502可以被配置为在K频段频率范围1110和Ka频段频率范围1120内同时地接收和发射，例如如图11和图12所示。

在喇叭天线元件的一个示例性配置中，两个单线偏振端口501、502的反射系数1101可以低于预定阈值，例如低于-15dB，并且可以在K频段1110和Ka频段1120两者中没有谐振，例如如图11所示。

在喇叭天线元件的一个示例性配置中，基于网格的圆偏振输出信号106的轴比1201可以在K频段1110和Ka频段1120两者中都低于1dB，例如如图12所示。

隔板偏振器110可以包括从两个单线偏振端口501、502到喇叭辐射器120的四脊波导121的连续脊波导几何结构511、512、513、514、611、612，例如如图5和图6所示。

隔板偏振器110可以是阶梯形的801、802、803、804，例如如图8所示，以将线偏振输入信号102转换成圆偏振输出信号104。

喇叭辐射器120的四脊波导121的横截面可以对应于喇叭辐射器120的孔径网格124的横截面，例如如图3所示。

喇叭辐射器120的几何结构相对于指定最大工作频率下的波长可能过大，例如大于一个或多个指定最大工作频率下的波长。这种指定最大工作频率可以是例如Ka频段的末端或更高。

图2是示出了根据本申请的机载卫星通信系统200的示意图。

机载卫星通信系统200包括如图1或图3至图10所示的喇叭天线元件100。机载卫星通信系统200还包括多轴定位器203，该多轴定位器203被配置为将喇叭天线元件100永久对准204到给定目标卫星201。处理器或控制器可以用于将喇叭天线对准到卫星201。可以通过从卫星接收信号来检测卫星的位置。处理器可以基于所确定的卫星位置来对准多轴定位器203。

多轴定位器203和喇叭天线元件100可以安装在飞机202上，例如安装在飞机202的后机翼处。

图3示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的正视图300。

四脊波导124a、124b、124c、124d处于真空。网格124(在图1中示出)上的视图示出了将单个喇叭划分成虚拟2×2阵列。喇叭内部的体积首先被拆分成4个相等的部分，预成型了虚拟2×2阵列，并且最后它被完成2×2阵列的网格覆盖。所有部分都涉及四脊波导几何特征301a、301b、301c、301d、311a、311b、311c、311d。

输入几何结构的四脊波导121通过结构310图示出，所述结构310包括相等大小的四个对称形成的脊311a、311b、311c、311d。上脊311a和下脊311c与波导的左侧和右侧平行。左侧脊311d和右侧脊311b与波导的上侧和下侧平行。

孔径网格124被形成为四脊波导124a、124b、124c、124d的阵列。在此示例中，示出了四脊波导124a、124b、124c、124d的2×2阵列。然而，在另一示例中，阵列可以是3×3阵列或4×4阵列或更高维阵列。在另一示例中，甚至可以实现非平方大小的阵列，诸如2×3阵列、2×4阵列、3×4阵列等。

孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d被对称地形成，使得四脊波导124a、124b、124c、124d中的每一者具有相同的横截面。例如，孔径网格124可以具有大小为A的方形横截面(例如具有圆边)。然后，在此实现方式中四脊波导124a、124b、124c、124d的横截面可以各自是大小A/4的方形(也具有圆边)。

然而，在另一示例中，甚至也可以实现四脊波导124a、124b、124c、124d的不同横截面。

孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d中的每一者包括四个脊301a、301b、301c、301d。

输入几何结构的四脊波导121的脊311a、311b、311c、311d以及孔径网格124的四脊波导124a、124b、124c、124d的阵列的脊301a、301b、301c、301d是以非交叠方式形成的。即，如可以从图3看到的那样，两组脊不交叠。

然而，在另一示例中，可以实现交叠设计。然后，脊311a可以与脊301b交叠并与四脊波导124b的对应脊交叠。类似地，脊311b可以与四脊波导124b和124c的对应脊交叠；脊311c可以与四脊波导124c和124d的对应脊交叠；并且脊311d可以与四脊波导124d和124a的对应脊交叠。

图4示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的立体图400。喇叭前面的网格124(如图1所示)是可见的以将喇叭孔径划分成虚拟2×2阵列。网格示出了类似四脊波导的几何结构以使得能实现双频带(甚宽频带)操作。

图5示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的3维表示500。示出的是喇叭天线元件100的真空部分，即在喇叭辐射器120和嵌入在四脊波导121中的隔板偏振器110两者内部为真空。从单线偏振端口501、502到喇叭孔径124实现了连续脊波导几何结构511、512、513、514。

图6示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的背面视图600。示出的是喇叭天线元件100的真空部分，即在喇叭辐射器120和嵌入在四脊波导121中的隔板偏振器110两者内部为真空。背面视图是看向隔板偏振器110的两个正交偏振端口501、502。脊波导几何结构611、612被实现在输入端口501、502处。在图6中朝向隔板偏振器110的变换步阶是可见的。脊几何结构611、612被选取为减小波导的横截面的大小(但是使截止频率保持尽可能低)，以能够在它周围构建馈电网络。

图7示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面视图700。

具有特征阶梯形状的隔板偏振器110为可见，将在输入端口501、502处接收到的线偏振输入信号102变换成公共端口112处的圆偏振输出信号104。

输入TE1,0模式被拆分成其间具有+/-90°相位差的TE1,0(702)和TE0,1(701)的模式组合，从而产生要辐射的LHCP信号(704)或RHCP信号(703)。

图8示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面侧视图800。偏振器“阶梯”801、802、803、804是可见的。“阶梯式”几何结构可以使得部件的制造更容易。

图9示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面立体图900。偏振器“阶梯”801、802、803、804是可见的。

图10示出了根据本申请的示例性喇叭天线元件100的剖面正视图1000。偏振器110完全嵌入到四脊波导几何结构中。

图11是示出了图示根据本申请的示例性喇叭天线元件100的S参数1100的性能图。上述曲线图示出了示例性S参数性能数据。

S11是线偏振端口501、502的反射系数1101，其低于15dB并且在K频段/Ka频段两者中没有任何谐振。K频段被表示为1110，Ka频段被表示为1120。

S21是两个线偏振端口501、502之间的隔离度1102，其示出了特征双频带行为。隔离度1102对于K频段Rx频率范围(17.7GHz-20.2GHz)和Ka频段Tx频率范围(27.5GHz-30GHz)而言足够高。

图12示出了图示根据本申请的示例性喇叭天线元件100的轴比1200的性能图。

曲线图示出了在Rx频率范围和Tx频率范围即K频段Rx频率范围(17.7GHz-20.2GHz)和Ka频段Tx频率范围(27.5GHz-30GHz)两者内值<1dB的预期非常好的轴比1201性能。

如本申请中呈现的喇叭天线元件100可以被用作但不局限于作为机载卫星通信系统的一部分的Ka频段天线。喇叭天线元件100可以与用于Ku频段的另一天线设计一起实现，使得用户具有使用同一个平台在Ku频段产品或Ka频段产品之间进行选择的优势。例如，天线可以被用作尾部安装天线，或者用作另一类型的天线。喇叭天线元件100也可以被用作本申请中未描述的其他频率范围内的天线。

虽然可能已经针对若干实现方式中的仅一个实现方式公开了本申请的特定特征或方面，但是这种特征或方面可以与其他实现方式的一个或更多个其他特征或方面组合，如对任何给定或特定应用来说可能期望且有利的。此外，就在详细描述或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或它们的其他变体而言，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式为包括性的。同样，术语“示例性”、“例如”和“比如”仅仅意在作为示例，而不是最好的或最优的。可能已经使用了术语“耦合”和“连接”以及衍生词。应当理解，这些术语可能已经用于表明两个元件彼此合作或相互作用，而不管它们是否直接物理或电气接触，或者它们彼此不直接接触。

尽管已经在本文中说明和描述了特定方面，但是本领域的普通技术人员应理解，在不背离目前本申请的范围的情况下，各种替代和/或等效实现方式可以取代所示出和描述的特定方面。本申请旨在涵盖本文讨论的特定方面的任何适配或变化。

尽管所附权利要求中的要素是按对应标记以特定顺序叙述的，但是除非权利要求叙述另外暗示用于实现那些要素中的一些或全部的特定顺序，否则那些要素不一定旨在限于以该特定顺序实现。

鉴于上述教导，许多替代方案、修改和变化对本领域的技术人员而言将是清楚的。当然，本领域的技术人员容易地认识到，本发明存在超出本文描述的那些应用的许多应用。虽然已经参考一个或更多个特定实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员认识到，在不背离本发明的范围的情况下，可以对其做出许多改变。因此应当理解，在所附权利要求书及其等同形式的范围内，可以以除本文具体地描述的方式以外的方式实践本发明。

在本申请中使用了以下附图标记：

100 喇叭天线元件

102 线(或正交)偏振输入信号

104 圆偏振输出信号

106 基于网格的圆偏振输出信号，即通过网格之后的圆偏振输出信号

110 隔板偏振器

111 输入端口

112 (隔板偏振器的)公共端口

120 喇叭辐射器

121 四脊波导

124 孔径网格

124a、124b、124c、124d 孔径网格的四脊波导阵列

200 机载卫星通信系统

201 卫星

202 飞机

203 多轴定位器

204 喇叭天线元件的对准方向

301a、301b、

301c、301d 孔径网格的四脊波导的阵列的脊311a、311b、311c、311d喇叭辐射器输入几何结构的四脊波导的脊501、502隔板偏振器和喇叭天线元件的线偏振输入端口

511、512、513、514 连续脊波导几何结构

611、612 连续脊波导几何结构

701 TE1,0模式

702 TE0,1模式

703 RHCP信号

704 LHCP信号

801、802、803、804 隔板偏振器的阶梯形轮廓

1110 K频段

1120 Ka频段

1101 S11参数，线偏振端口的反射系数

1102 S21参数，两个线偏振端口之间的隔离度

1201 基于网格的圆偏振输出信号的轴比

Claims (15)

1.一种喇叭天线元件(100)，所述喇叭天线元件(100)包括：

隔板偏振器(110)，所述隔板偏振器(110)被配置为将线偏振输入信号(102)变换成公共端口(112)处的圆偏振输出信号(104)；以及

喇叭辐射器(120)，所述喇叭辐射器(120)包括：

输入几何结构，所述输入几何结构被形成为四脊波导(121)用以接收所述公共端口(112)处的所述圆偏振输出信号(104)；以及

孔径网格(124)，所述孔径网格(124)用以辐射基于网格的圆偏振输出信号(106)，

其中，所述隔板偏振器(110)在所述公共端口(112)处嵌入在所述四脊波导(121)中。

2.根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述输入几何结构的所述四脊波导(121)包括相等大小的四个对称形成的脊(311a、311b、311c、311d)。

3.根据权利要求1或2所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述孔径网格(124)被形成为四脊波导(124a、124b、124c、124d)的阵列，尤其是四脊波导(124a、124b、124c、124d)的2×2阵列。

4.根据权利要求4所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述孔径网格(124)的所述四脊波导(124a、124b、124c、124d)被对称地形成，所述四脊波导(124a、124b、124c、124d)中的每一者具有相同的横截面。

5.根据权利要求3或4所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述孔径网格(124)的所述四脊波导(124a、124b、124c、124d)中的每一者包括四个脊(301a、301b、301c、301d)。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述输入几何结构的所述四脊波导(121)的脊(311a、311b、311c、311d)以及所述孔径网格(124)的四脊波导(124a、124b、124c、124d)的阵列的脊(301a、301b、301c、301d)是以非交叠方式形成的。

7.根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述隔板偏振器(110)被配置为：将所述线偏振输入信号(102)的输入TE1,0模式拆分成其间具有+/-90度相位差的TE1,0(702)和TE0,1(701)的模式组合，从而产生要由所述喇叭辐射器(120)辐射的左旋圆偏振LHCP信号(703)或右旋圆偏振RHCP信号(704)。

8.根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)，所述喇叭天线元件(100)包括：

两个单线偏振端口(501、502)，所述两个单线偏振端口(501、502)被配置为：接收和/或发射所述线偏振输入信号(102)的相应线偏振分量。

9.根据权利要求8所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述两个单线偏振端口(501、502)被配置为：在K频段频率范围(1110)和Ka频段频率范围(1120)内同时地进行接收和发射。

10.根据权利要求8或9所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述两个单线偏振端口(501、502)的反射系数(1101)低于预定阈值，尤其是低于-15dB，并且在K频段(1110)和Ka频段(1120)两者中没有谐振。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述基于网格的圆偏振输出信号(106)的轴比(1201)在K频段(1110)和Ka频段(1120)两者内低于1dB。

12.根据权利要求8至11中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述隔板偏振器(110)包括从所述两个单线偏振端口(501、502)到所述喇叭辐射器(120)的所述四脊波导(121)的连续脊波导几何结构(511、512、513、514、611、612)；并且

其中，所述隔板偏振器(110)是阶梯形的(801、802、803、804)，以将所述线偏振输入信号(102)变换成所述圆偏振输出信号(104)。

13.根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述喇叭辐射器(120)的所述四脊波导(121)的横截面对应于所述喇叭辐射器(120)的所述孔径网格(124)的横截面。

14.根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)，

其中，所述喇叭辐射器(120)的几何结构相对于指定最大工作频率下的波长过大，尤其是大于一个或多个所述指定最大工作频率下的波长。

15.一种机载卫星通信系统(200)，所述机载卫星通信系统(200)包括：

根据前述权利要求中的一项所述的喇叭天线元件(100)；以及

多轴定位器(203)，所述多轴定位器(203)被配置为：将所述喇叭天线元件(100)永久地对准(204)到给定目标卫星(201)。

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