用于双馈源卫星通信天线副反射面的新型FSS

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                1  引言

                         由于卡塞格伦天线的设计灵活，并可把天线副反射面设计为频率选择表面(FSS)，来实现在一套反射面天线中使用不同频段的两个或多个馈源，从而能使不同频段设备使用同一天线进行通信，这大大降低了多波段通信站的建站成本，因此多馈源卡塞格伦天线在微波通信中得到了广泛的应用。而多馈源卡塞格伦天线设计中的一个关键问题就是用作天线副反射面的FSS的设计。
                          
                         随着卫星通信的不断发展，卫星通信的频段也在不断的增多，其中C波段和KU波段传输信号容量大，大气粒子衰减以及雨衰较小，应用最为广泛。而且，现在很多卫星都拥有这两个波段的转发器，这就为在卫星通信中使用双馈源卡塞格伦天线，实现C/KU波段通信的两个地面站使用同一天线成为可能。
                          
                         但现在使用中的多馈源卡塞格伦天线副反射面多为带阻型FSS，而带阻型FSS的阻带一般较窄，不能满足卫星通信宽频要求。这里必须使用双通带FSS，通常双带通型FSS的主要实现方法有分形法和多个不同FSS单元组合共用法，但他们普遍存在单元结构复杂制作工艺难度大、阻带控制困难等缺点。本文中提出的改进Y孔型结构双通带FSS，单元结构为在传统Y孔臂内加上枝节（如图1）形成类似Y环和Y孔两个谐振腔，而实现双通带。这种FSS的设计简单，易于加工，且具有良好的传输特性和极化特性，对频率低于通带频率的电磁波的反射特性也相当出色。很适合用来设计收/发宽频带、双波段卡塞格伦卫星天线的副反射面。
                          
       

               

       

                图1  改进Y孔型FSS示意图

                          
                        2  设计原理

                         双馈源卡塞格伦天线设计如图2，主反射面为抛物面，副反射面为双曲面，双曲面的虚焦点与抛物面焦点重合。两个馈源的相位中心分别位于抛物面的焦点和双曲面的实焦点。副反射面为FSS，它可令I波段频率电磁波反射，而传输II波段频率电磁波。当I波段频率电磁波照射到主反射面后，发生反射，传输到副反射面，此频率电磁波在该FSS处发生全反射，根据双曲面的几何特性，电磁波将被传输到I波段馈源；而当II波段频率电磁场照射到主反射面后，发生反射，传输到副反射面，此频率电磁场在该FSS处发生透射，根据抛物面的几何特性，电磁波将被传输到II波段馈源。
                          
       

               

       

                图2  双馈源卡塞格伦天线示意图

                          
                         我国现阶段卫星通信C波段的常用频率为：上行，5925MHz~6425MHz；下行3700MHz~4200MHz。KU波段的常用频率为上行：14000MHz~14500MHz；下行12200MHz~12750MHz。所以，要使双馈源卡塞格伦天线在C波段和KU波段同时工作，就要求其副反射面具有一个工作波段透射，另一个工作波段反射的特性。本文提出的可用于设计C/KU波段卫星通信天线副反射面的FSS为改进Y孔型单元双通带频率选择表面,它分别在卫星通信KU波段上行和下行频率处形成两个通带，而在C波段处形成阻带以反射此工作频率电磁波。
                 
                        3  FSS设计分析

                         因为FSS设计中可以用平面FSS来近似曲面FSS，所以这里我们只设计了平面FSS，且我们认为所设计的平面FSS的电磁波传输特性与曲面FSS相同。而由于天线副反射面较FSS单元尺寸极大，分析其传输反射特性时我们可近似认为所设计的FSS为无限大。
                          
                         如图3，所设计的FSS单元形状为在传统Y孔单元的每个臂上加入1个支节，形成类似Y环和Y孔两个谐振腔,来实现对不同频率电磁波的双带通。
                          
       

               

       

                图3  改进Y孔型FSS单元示意图

                          
                         这种FSS的第一个谐振点为Y孔型FSS加枝节后行成的近似Y环型的FSS谐振腔，其传输特性与Y环型的FSS传输特性相似，在Y孔尺寸确定后，谐振频率和通带带宽主要由枝节长度（L2）决定。而第二个谐振点为Y孔型FSS谐振腔产生，谐振频率主要由Y孔的臂长决定。当枝节长度（L2）增长时，第一个谐振点明显向低频方向移动，而第二个谐振点变化很小。所以这里在设计该FSS时，最重要的就是确定其枝节的长度。首先可根据Y孔单元FSS谐振特性：谐振波长与4倍臂长（4×L1）成正比，谐振频率与（εr+1）^1/2成正比，（εr为介质介电常数），确定Y孔型FSS的尺寸和介质材料；然后根据所需要的第一个通带频率确定枝节长度（L2）。适当调节枝节的宽度（W2）也会影响第一个谐振通带的谐振点和通带带宽，这里可以适当减小贴片的宽度以获得第一个较宽的通带。
                          
                         由于所有类似Y型单元的FSS极化特性都不是很好，但通过将单元旋转，可增强频率稳定性，同样我们在这里也把这种改进Y孔型单元旋转15度，以使它在TE和TM模电磁波入射时得到较为一致的传输和反射特性。
                          
                         采用基于矩量法（MOM）的仿真软件DESIGNER对所设计的频率选择表面进行分析计算。通过反复比较和参数优化，确定该FSS的单元尺寸为：L1=4.3mm，L2=3.8mm，W1=0.9mm，W2=0.3mm，介质介电常数εr=2.65层厚度D=1mm。单元为正方形排列，单元间隔为A=7.9mm。
                          
                         图4，图5给出了这种频率选择表面在KU波段TE和TM模电磁波垂直入射时的传输系数，以及在C波段卫星通信频率下电磁波的反射系数曲线。
                          
       

               

       

                 图4  KU波段卫星频率传输曲线

       

               

       

                　图5  C波段卫星频率反射系数曲线图

                          
                         可见，在KU波段的常用上行频率14000MHz~14500MHz处的传输损耗（即天线发射时电磁波通过副反射面的传输损耗）在于－1.04dB与－0.94dB之间，下行频率12200MHz~12750MHz处的传输损耗（即天线接收时电磁波通过副反射面的传输损耗）介于－0.86dB与－0.27dB之间，C波段的常用频率电磁场的反射衰减均小于-0.16dB。而且，从图中我们可以看到，该FSS不论是在KU波段卫星通信频率的传输，还是在C波段卫星通信频率的反射，对TE模和TM模电磁波的传输/反射衰减都基本相同，具有良好的极化特性。
                          
                         虽然在KU波段上行工作频率上传输衰减较大，超过了-1dB但在这个频段内传输系数变化很小，这完全可以稍稍加大该频率信号的发射功率来解决。
                          
                        4  结束语

                         以往人们在设计多馈源卡塞格伦天线副反射面FSS时，常用带阻型FSS。但由于卫星通信频带很宽，简单带阻型FSS很难满足要求，在这里提出了一种具有良好极化特性，单元结构简单的双通带型FSS很好的解决了这一问题。由于在FSS设计过程为了取得较好的极化特性，将其每个单元旋转了15度角，这对FSS的通带性能带来了一定的影响，主要是增大了第二个通带频率内的电磁波传输衰减。如果所设计的天线用在收发采用线极化隔离的情况下，可以不用旋转单元，依然采用正方形排列（如图6），则两个通带中一个会在TE极化下具有良好的传输系数，而另一个在TM极化下具有良好的传输系数。且两个通带衰减都比单元旋转后的FSS小。
       

                   

       

                (a)单元旋转FSS       (b)单元未旋转FSS

       

                图6  两种单元排列FSS示意图