本发明一般涉及甚小口径终端(VSATs)，且具体地说涉及用来发射 信号至一个序列卫星和接收该序列卫星的信号的一种VSAT，并且涉及 用于这类VSAT的天线。

VSAT是双向数据发射/接收终端，它以9.6千比特/秒至100千比 特/秒的速率接收寻址数据流，并以类似的数据速率发送突发数据。 VSAT的价格对于每秒4.8、9.6和56千比特的双向数据服务大于 10,000美元。VSAT用户每年付给服务提供者的年费为6,000美元。 VSAT可在国家特别部门看到，如在美国的标准石油气站，以收集帐单 数据。VSAT在全世界用于缺少电话和数据网络的地区。

目前，售出的VSAT在卫星频率的C波段和Ku波段。Ku波段使用 6英尺和3英尺天线，小天线具有较好的市场，因为小天线比6英尺 的天线更易于在办公地点安置。6英尺的天线通常需要室外的院子或 独立地块以安装天线，而3英尺天线可安装在墙上或屋顶。在Ku波段 的降雨损失增加卫星段的成本较之C波段大约为10倍，因降雨损失导 致数据速率降低或需更高的每比特能量。在Ku波段选择3英尺天线较 之6英尺天线增加空间段成本约为4倍。然而，对许多应用来说小尺 寸在用户眼中意味着增加其价值。相应的，大量3英尺Ku波段天线售 出。

C波段VSAT不能与3英尺天线一同售出，因为3英尺天线的波束 宽度太宽以至于不能将赤道同步轨道上的C波段卫星相互区分开。在C 波段，服务于美国的卫星在空间以2度相邻。通常，在C波段频率上 需要至少直径6英尺的天线将一个卫星同其它卫星区分开。

因此，本发明专注于开发一种天线的问题，该天线具有与3英尺天 线相同的面积，但可在现有C波段卫星2度空间距限制下工作。由此 可实现顾客方便的小尺寸天线和通过小的降雨损失敏感性获得与Ku 波段相比小于10倍的空间段成本。

同一发明者申请日为1994年6月19日美国专利申请No. 08/259,980，解决了关于从C波段卫星接收信号的问题。具有与3英 尺天线相同面积的3个反射器阵列用来综合成一个方向图，该方向图 在目标卫星方向具有增益而在与该目标卫星相隔±2度，±4度，±6度 等卫星方向的接收方向图为零。

本发明扩展上述概念以在向卫星发射信号中创造一种类似的方向 图。而同时保持接收天线的零方向图而不管频率的变化。这个问题的 复杂性在于接收信号位于第一频率，例如：4GHz，而发射信号位于 不同的频率，例如：6GHz。然而，相同的天线反射器必须用于相位和 幅值的不同分布以获得传送波束形状与维持接收波束形状相同。

本发明解决这个问题通过：(1)为VSAT提供一种天线，该天线将 天线面积分为3个小孔径并控制每一个区域的功率以在接收机天线方 向图中产生零值点来避免接收信号受到地球同步轨道上±2度空间卫 星所发射信号的干扰；并且(2)调整关于3个小孔径上的发射信号的相 位和幅度以补偿由于从接收至发射时的频率变化。

用于C波段的VSAT天线接收部分将使用在美国专利 No.08/259,980中发明的接收天线以形成一个3英尺等效天线用来接 收在空间以近达±2度放置的卫星的4GHz信号。此外，本发明的天线 包括在6GHz频率发射的能力，通过控制天线的3个部分的功率以利用 ±2度空间相隔的卫星。为达此目的，需要一个双频率天线馈源，该 馈源为已知的，因而不需进一步的描述。

本发明的另一个部件是能够选择送往三个反射器中每一个的功率 和相位以获得期望的天线方向图，以及在相同的天线上获得它，而该 接收天线设计为用于在不同频率(即4GHz)上接收获得期望的天线方 向图。这个概念包括通过在3个反射器之后分开4GHz和6GHz的连 接网络实现。

因此，本发明使C波段VSAT具有相当于3英尺反射器表面面积的 天线成为可能。具有3英尺反射器表面面积的小天线较之6英尺反射 器的美学理由是显著的。因为在C波段降雨吸收的减少，对空间段成 本来说小C波段VSAT较之3英尺Ku波段发射机具有10倍的成本优 势。如果Ku波段服务价格对于空间段为每年6000美元，则对于完全 相同的服务和大致相同的天线表面面积，C波段服务花费600美元/ 年。

图1：描述本发明的VSAT系统概貌。

图2：描述图1所述VSAT系统中使用的本发明之天线的一个实施 例。

图3：描述图1所述VSAT系统中使用的本发明之天线的第二个实 施例。

图4：描述按照本发明的功率与相位控制。

图5和6：描述在卫星上接收的信号的矢量表示。

如图2所示，本发明中的天线15包含3个同样的、边靠边相连的 抛物面反射器5。三个反射器5通过传输线连向中央反射器1之后的 合成盒25(图4)。在这个应用中，一个极化(例如：垂直极化)专用于 传输而另一个(例如：水平极化)专用于接收。卫星17在6GHz利用 一种极化接收上行信号而用相反极化在4GHz广播信号。在主反射器 之后是一个用于接收的低噪声放大器(LNA)22和一个用于传输的高功 率放大器(HPA)24。

接收信号将通过电缆从LNA22传向室内单元10(接收机)。传送信 号将由同一电缆从室内单元10(发射机)传向HPA24。LNA22、HPA24和 发射机/接收机不是本发明的一部分，而是已有设备。

在中央反射器1和二个边沿反射器2、3之间的功率分配对于在6 GHz上的发射功能与在4GHz处的接收功能是不同的。在6GHz发射 期间选择每个反射器的信号的相位和幅度的组合以避免空间相隔±2 度的相邻卫星的互扰。

图1描述本发明的双向VSAT系统，用户A发送用户数据至发射机 /接收机10A，这是公知设备。然后发射机/接收机10A发送RF信号 至功率和相位控制单元23A。功率和相位控制单元23A控制天线15A 的3个孔径5(见图2)中每一个的功率和相位以补偿天线15A，该天线 设计为在4GHz接收信号，并因此在相同频率发射信号。为补偿频率变 化，本发明在天线发射方向图中产生增益和零值点以匹配卫星的轨道 配置从而目标卫星可成功地接收信号而相邻卫星不能。

天线15A发射6GHz RF信号18A到卫星17，该卫星位于围绕地 球的地球同步轨道上。随后卫星17转换RF信号18A为4GHz的RF 信号19B，然后该信号由一个服务于网络中所有VSAT的大型中心主站 所接收。该中心主站使用大型天线，通常为30英尺直径。中心站直接 连向光纤网络或其他高容量网络。如果数据准备传向另一个小型VSAT 则信号转发回如专利系统的一个站或另一个标准站。

发射机和接收机

发射机/接收机10是已有设备，这种设备的一个实例是由休斯网 络系统设计并由许多供应商制造。因此，为理解本发明对其内部工作 的附加描述是不需要的。只要认为发射机/接收机10将接收信号转换 为用户数据和将用户数据转换为可以由本发明之天线15发射的信号 即可。

天线

如图2所示，天线15采用了3个抛物面反射器3，每一个具有一 个馈源管13和一个副反射器9。副反射器9具有一些凹槽7，每一个 凹槽有一个稍大于1/4接收信号波长的半径。换句话说，凹槽7可以 在深度上变化，从而每一个凹槽对应于接收信号带宽内不同的频率。 例如：如果希望有3个凹槽，则第一凹槽具有半径稍大于 1/4*(4GHz+δ/2)，第二个凹槽具有半径稍大于1/4*(4GHz+3δ/2)，和 第三个凹槽具有半径稍大于1/4*(4GHz+5δ/2)，其中：

此外，馈源管13在馈源管入口处具有至少两个凹槽17，其亦稍 大于接收信号波长的1/4。这些凹槽协助防止由于在馈源管13入口处 和副反射器9上的过度电流激励而造成的损失。

图3描述了天线15的另一个实施例，其中外面的两个反射器2和 3是以菲涅耳步(F1-F2)从全反射器1的偏置，并且天线15包括了 一个单馈源4和矩形反射器1、2和3。这个实施例亦可采用关于每一 个反射器的分离的馈源，如图2中的另一个实施例所示。在二个实施 例中，天线15优化为接收已存在的地球同步轨道C波段卫星17来的 4GHz RF信号。设计本发明用来传送信号的这种卫星的一个实例是 AT&T的Telsar卫星。然后通过将在下面描述的功率和相位控制单元 23来优化天线用于发射。

功率和相位控制

本发明需要利用功率和相位控制单元23来补偿天线的设计。为了 在6GHz发射信号，功率和相位控制单元23调整3个反射器1、2和 3所辐射的每一个信号的功率和相位以矫正辐射天线方向图用于发射 6GHz而不是4GHz信号。天线15的所有其他部件可以在发射和接收 期间保持相同，这大大简化了天线设计。

图4详细描述本发明之功率和相位控制单元23。在接收模式，从 3个反射器A、B和C来的信号相叠加和耦合至LNA22。在发射模式， 从高功率放大器(HPA)24来的信号以下面描述的不相等的结果分解后 送给3个反射器A、B和C。

在前一个发明的主要内容中，3个反射器天线接收来自卫星的 4GHz信号。每个天线部分具有相同幅值的增益，例如大约25dB和在 1/2功率点大约为8度的波束宽度。这种8度的波束宽度不足以抑制 卫星在±2度、±4度、±6度轨道位置的交扰。然而，跨过每个孔径 的能量分布和3个孔径彼此之间的空间分布导致一种天线方向图，该 图在朝向与中心卫星的轨道位置±2度位置的卫星方向具有零值点， 另一对零值点则朝向轨道±4度位置的卫星，并在其外具有低的增益。

优选地实现的空间位置，是从中间天线轴至右边部分轴和左边部 分轴分别为22”(从右天线轴至左天线轴为44”)。利用这3个天线在4 GHz接收到的相等功率，在接收模式获得了期望的天线方向图。

对6GHz C波段发射频率，由于这个频率波长的不同来自3个天 线的相等的功率将在错误的位置上产生零方向图。如果要使用相同的 天线反射器，则天线的综合设计必须改变。

期望的解决方案将分解发射机输出功率为3个部分。送给中间反 射器一个单位功率。2个边反射器将分别接收0.295单位功率。总的 合成功率为：

W(1+0.295+0.295)    (2)

其中W为一个依赖于VSAT站数据速率的量。

W瓦进入中间反射器并且0.295W进入两边反射器的每个。在6 GHz，这3个部分的每个具有29dB的增益。

在卫星端，从3个部分来的场将组合产生一个信号电平。如果接 收机在中心线上，所有信号在相位上组合产生一个增加的增益： $G_c=G\left[\frac{{(1+2\sqrt{0.295})}^2}{1+2\times 0.295}\right]=\frac{4.35}{1.59}=2.73------\left(3\right)$

以dB计算阵列增益比单个部分的增益大4.4dB。

Gc＝29+1.2＝30.2 dB    (4)

在轨道位置上卫星以2度相隔。从地球表面看去，这种相隔要稍 宽一些，即2.25度。

从波束中心离开2.25的地方从3个天线来的信号相位角将发生变 化。一边天线将具有相位超前：

其中D为从中心天线轴至边上天线轴的距离，α为角度，对第一个 卫星为2.25度，λ为波长(对于6GHzc/f＝1.97英寸，其中C是自由 空间光速，即3×108米/秒)。

在C波段从一边反射器来的信号将超前中心反射器信号158度。 从另一边反射器来的信号将滞后158度。

3个场将叠加在一起作为场矢量式。每个场的幅度正比于该场功 率的平方根。 $E_{\mathrm{certer}}=\sqrt{1}=1$ $E_{\mathrm{left}}=\sqrt{0.295}=0.543------\left(7\right)$ $E_{\mathrm{right}}=\sqrt{0.295}=0.543$

3个相位矢量如图5所示。如所示，垂直于反射轴的矢量分量抵 消为零。沿着反射轴的分量和为：

f2.25＝1+0.543cos(158°)+0.543cos(-158°)    (8)

f2.25＝1-0.5-0.5＝0

离中心轴2.25度处所有场相抵消，从而在期望的位置产生零 值。由于各方程是对称的因而在-2.25度同样产生抵消作用。离中间 卫星+5.25度处，方程得出：

φ＝315°                                    (9)

这些位置的矢量如图6所示。在±4.5度处矢量等于：

f4.50＝1-2×0.543cos315°＝1.76               (10)

在这个矢量上的功率正比于这个值的平方。增益，如前一样，正 比于上述功率与总参考功率之比： $\mathrm{\Delta G}=\frac{{\left(1.76\right)}^2}{1+2\times {\left(0.543\right)}^2}=\frac{3.09}{1.59}=1.94------\left(11\right)$

这比一个反射器单独的增益要高2.9dB。然而，在离开主轴±4.5 度距离处各独立反射器的增益至少降低15dB，一个22英寸反射器在6 GHz的3dB波束宽度仅6度。因此单个反射器方向图设计为在±4.5 度处产生零值而当3个反射器组合时在±2.25度处功率电平设计为零 值点。

一个用户功率分配器23用来按照1，0.295，0.295的功率比率将 发射功率分解为3部分。这可由微波带状线功率分配器完成，该分配 器通常用在多馈源天线结构中，如用于雷达天线和服务于国家系统的 形状波束同步卫星中。这类部件为已有设备。

此外，在接收和发射模式极化是不相同的。例如：垂直极化可用 于发射模式，而水平极化可用于接收模式。

因此，本发明揭示出一种具有甚小口径天线的双向数据终端。本 发明的VSAT系统可以高达100千比特/秒的数据速率在4-6GHz发送 数据至现存的C波段卫星序列。通过采用甚小口径天线，即该天线具 有3英尺半径反射器表面面积，本发明使C波段VSAT在价格上具有额 外的吸引力，因为不需要发射新的卫星并且与Ku波段比较，由于降雨 C波段具有低于10dB的功率要求。

虽然已经描述上述VSAT终端用于C波段应用，但其概念可以用于 任何频率(例如Ku波段)其中天线尺寸由于卫星空间距的缘故而不能 进一步减小时。换句话说，当天线尺寸可以减小而由之引起的问题是 天线可能覆盖该卫星序列中多于一个的卫星时，本发明可适用，尽管 频率可能不同。在这种情况下，计算须按照不同的频率以已知的方式 赋予不同的系数。

本申请是同一发明者在1995年10月10日申请的美国专利申请 No.——(代理文书No.1227/46005)的后续申请部分，该专利申请又 是申请日在1994年6月19日美国专利申请No.08/259,980的后续申 请部分，这后一专利申请在这里结合作为整个发明的背景参考。