用于雙饋源衛星通信天線(xiàn)副反射面的新型FSS

1引言

由于卡塞格倫天線(xiàn)的設計靈活，并可把天線(xiàn)副反射面設計為頻率選擇表面(FSS)，來(lái)實(shí)現在一套反射面天線(xiàn)中使用不同頻段的兩個(gè)或多個(gè)饋源，從而能使不同頻段設備使用同一天線(xiàn)進(jìn)行通信，這大大降低了多波段通信站的建站成本，因此多饋源卡塞格倫天線(xiàn)在微波通信中得到了廣泛的應用。而多饋源卡塞格倫天線(xiàn)設計中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是用作天線(xiàn)副反射面的FSS的設計。

隨著(zhù)衛星通信的不斷發(fā)展，衛星通信的頻段也在不斷的增多，其中C波段和KU波段傳輸信號容量大，大氣粒子衰減以及雨衰較小，應用最為廣泛。而且，現在很多衛星都擁有這兩個(gè)波段的轉發(fā)器，這就為在衛星通信中使用雙饋源卡塞格倫天線(xiàn)，實(shí)現C/KU波段通信的兩個(gè)地面站使用同一天線(xiàn)成為可能。

但現在使用中的多饋源卡塞格倫天線(xiàn)副反射面多為帶阻型FSS，而帶阻型FSS的阻帶一般較窄，不能滿(mǎn)足衛星通信寬頻要求。這里必須使用雙通帶FSS，通常雙帶通型FSS的主要實(shí)現方法有分形法和多個(gè)不同FSS單元組合共用法，但他們普遍存在單元結構復雜制作工藝難度大、阻帶控制困難等缺點(diǎn)。本文中提出的改進(jìn)Y孔型結構雙通帶FSS，單元結構為在傳統Y孔臂內加上枝節（如圖1）形成類(lèi)似Y環(huán)和Y孔兩個(gè)諧振腔，而實(shí)現雙通帶。這種FSS的設計簡(jiǎn)單，易于加工，且具有良好的傳輸特性和極化特性，對頻率低于通帶頻率的電磁波的反射特性也相當出色。很適合用來(lái)設計收/發(fā)寬頻帶、雙波段卡塞格倫衛星天線(xiàn)的副反射面。

圖1改進(jìn)Y孔型FSS示意圖

2設計原理

雙饋源卡塞格倫天線(xiàn)設計如圖2，主反射面為拋物面，副反射面為雙曲面，雙曲面的虛焦點(diǎn)與拋物面焦點(diǎn)重合。兩個(gè)饋源的相位中心分別位于拋物面的焦點(diǎn)和雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)。副反射面為FSS，它可令I(lǐng)波段頻率電磁波反射，而傳輸II波段頻率電磁波。當I波段頻率電磁波照射到主反射面后，發(fā)生反射，傳輸到副反射面，此頻率電磁波在該FSS處發(fā)生全反射，根據雙曲面的幾何特性，電磁波將被傳輸到I波段饋源；而當II波段頻率電磁場(chǎng)照射到主反射面后，發(fā)生反射，傳輸到副反射面，此頻率電磁場(chǎng)在該FSS處發(fā)生透射，根據拋物面的幾何特性，電磁波將被傳輸到II波段饋源。

圖2雙饋源卡塞格倫天線(xiàn)示意圖

我國現階段衛星通信C波段的常用頻率為：上行，5925MHz~6425MHz；下行3700MHz~4200MHz。KU波段的常用頻率為上行：14000MHz~14500MHz；下行12200MHz~12750MHz。所以，要使雙饋源卡塞格倫天線(xiàn)在C波段和KU波段同時(shí)工作，就要求其副反射面具有一個(gè)工作波段透射，另一個(gè)工作波段反射的特性。本文提出的可用于設計C/KU波段衛星通信天線(xiàn)副反射面的FSS為改進(jìn)Y孔型單元雙通帶頻率選擇表面,它分別在衛星通信KU波段上行和下行頻率處形成兩個(gè)通帶，而在C波段處形成阻帶以反射此工作頻率電磁波。

3FSS設計分析

因為FSS設計中可以用平面FSS來(lái)近似曲面FSS，所以這里我們只設計了平面FSS，且我們認為所設計的平面FSS的電磁波傳輸特性與曲面FSS相同。而由于天線(xiàn)副反射面較FSS單元尺寸極大，分析其傳輸反射特性時(shí)我們可近似認為所設計的FSS為無(wú)限大。

如圖3，所設計的FSS單元形狀為在傳統Y孔單元的每個(gè)臂上加入1個(gè)支節，形成類(lèi)似Y環(huán)和Y孔兩個(gè)諧振腔,來(lái)實(shí)現對不同頻率電磁波的雙帶通。

圖3改進(jìn)Y孔型FSS單元示意圖

這種FSS的第一個(gè)諧振點(diǎn)為Y孔型FSS加枝節后行成的近似Y環(huán)型的FSS諧振腔，其傳輸特性與Y環(huán)型的FSS傳輸特性相似，在Y孔尺寸確定后，諧振頻率和通帶帶寬主要由枝節長(cháng)度（L2）決定。而第二個(gè)諧振點(diǎn)為Y孔型FSS諧振腔產(chǎn)生，諧振頻率主要由Y孔的臂長(cháng)決定。當枝節長(cháng)度（L2）增長(cháng)時(shí)，第一個(gè)諧振點(diǎn)明顯向低頻方向移動(dòng)，而第二個(gè)諧振點(diǎn)變化很小。所以這里在設計該FSS時(shí)，最重要的就是確定其枝節的長(cháng)度。首先可根據Y孔單元FSS諧振特性：諧振波長(cháng)與4倍臂長(cháng)（4×L1）成正比，諧振頻率與（εr+1）^1/2成正比，（εr為介質(zhì)介電常數），確定Y孔型FSS的尺寸和介質(zhì)材料；然后根據所需要的第一個(gè)通帶頻率確定枝節長(cháng)度（L2）。適當調節枝節的寬度（W2）也會(huì )影響第一個(gè)諧振通帶的諧振點(diǎn)和通帶帶寬，這里可以適當減小貼片的寬度以獲得第一個(gè)較寬的通帶。

由于所有類(lèi)似Y型單元的FSS極化特性都不是很好，但通過(guò)將單元旋轉，可增強頻率穩定性，同樣我們在這里也把這種改進(jìn)Y孔型單元旋轉15度，以使它在TE和TM模電磁波入射時(shí)得到較為一致的傳輸和反射特性。

采用基于矩量法（MOM）的仿真軟件DESIGNER對所設計的頻率選擇表面進(jìn)行分析計算。通過(guò)反復比較和參數優(yōu)化，確定該FSS的單元尺寸為：L1=4.3mm，L2=3.8mm，W1=0.9mm，W2=0.3mm，介質(zhì)介電常數εr=2.65層厚度D=1mm。單元為正方形排列，單元間隔為A=7.9mm。

圖4，圖5給出了這種頻率選擇表面在KU波段TE和TM模電磁波垂直入射時(shí)的傳輸系數，以及在C波段衛星通信頻率下電磁波的反射系數曲線(xiàn)。

圖4KU波段衛星頻率傳輸曲線(xiàn)

　圖5C波段衛星頻率反射系數曲線(xiàn)圖

可見(jiàn)，在KU波段的常用上行頻率14000MHz~14500MHz處的傳輸損耗（即天線(xiàn)發(fā)射時(shí)電磁波通過(guò)副反射面的傳輸損耗）在于－1.04dB與－0.94dB之間，下行頻率12200MHz~12750MHz處的傳輸損耗（即天線(xiàn)接收時(shí)電磁波通過(guò)副反射面的傳輸損耗）介于－0.86dB與－0.27dB之間，C波段的常用頻率電磁場(chǎng)的反射衰減均小于-0.16dB。而且，從圖中我們可以看到，該FSS不論是在KU波段衛星通信頻率的傳輸，還是在C波段衛星通信頻率的反射，對TE模和TM模電磁波的傳輸/反射衰減都基本相同，具有良好的極化特性。

雖然在KU波段上行工作頻率上傳輸衰減較大，超過(guò)了-1dB但在這個(gè)頻段內傳輸系數變化很小，這完全可以稍稍加大該頻率信號的發(fā)射功率來(lái)解決。

4結束語(yǔ)

以往人們在設計多饋源卡塞格倫天線(xiàn)副反射面FSS時(shí)，常用帶阻型FSS。但由于衛星通信頻帶很寬，簡(jiǎn)單帶阻型FSS很難滿(mǎn)足要求，在這里提出了一種具有良好極化特性，單元結構簡(jiǎn)單的雙通帶型FSS很好的解決了這一問(wèn)題。由于在FSS設計過(guò)程為了取得較好的極化特性，將其每個(gè)單元旋轉了15度角，這對FSS的通帶性能帶來(lái)了一定的影響，主要是增大了第二個(gè)通帶頻率內的電磁波傳輸衰減。如果所設計的天線(xiàn)用在收發(fā)采用線(xiàn)極化隔離的情況下，可以不用旋轉單元，依然采用正方形排列（如圖6），則兩個(gè)通帶中一個(gè)會(huì )在TE極化下具有良好的傳輸系數，而另一個(gè)在TM極化下具有良好的傳輸系數。且兩個(gè)通帶衰減都比單元旋轉后的FSS小。

(a)單元旋轉FSS(b)單元未旋轉FSS

圖6兩種單元排列FSS示意圖