用于雙饋源衛(wèi)星通信天線副反射面的新型FSS

1引言

由于卡塞格倫天線的設計靈活，并可把天線副反射面設計為頻率選擇表面(FSS)，來實現(xiàn)在一套反射面天線中使用不同頻段的兩個或多個饋源，從而能使不同頻段設備使用同一天線進行通信，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在微波通信中得到了廣泛的應用。而多饋源卡塞格倫天線設計中的一個關鍵問題就是用作天線副反射面的FSS的設計。

隨著衛(wèi)星通信的不斷發(fā)展，衛(wèi)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(xiàn)在很多衛(wèi)星都擁有這兩個波段的轉發(fā)器，這就為在衛(wèi)星通信中使用雙饋源卡塞格倫天線，實現(xiàn)C/KU波段通信的兩個地面站使用同一天線成為可能。

但現(xiàn)在使用中的多饋源卡塞格倫天線副反射面多為帶阻型FSS，而帶阻型FSS的阻帶一般較窄，不能滿足衛(wèi)星通信寬頻要求。這里必須使用雙通帶FSS，通常雙帶通型FSS的主要實現(xiàn)方法有分形法和多個不同F(xiàn)SS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。本文中提出的改進Y孔型結構雙通帶FSS，單元結構為在傳統(tǒng)Y孔臂內加上枝節(jié)（如圖1）形成類似Y環(huán)和Y孔兩個諧振腔，而實現(xiàn)雙通帶。這種FSS的設計簡單，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。很適合用來設計收/發(fā)寬頻帶、雙波段卡塞格倫衛(wèi)星天線的副反射面。

圖1改進Y孔型FSS示意圖

2設計原理

雙饋源卡塞格倫天線設計如圖2，主反射面為拋物面，副反射面為雙曲面，雙曲面的虛焦點與拋物面焦點重合。兩個饋源的相位中心分別位于拋物面的焦點和雙曲面的實焦點。副反射面為FSS，它可令I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?shù)礁狈瓷涿?，此頻率電磁波在該FSS處發(fā)生全反射，根據(jù)雙曲面的幾何特性，電磁波將被傳輸?shù)絀波段饋源；而當II波段頻率電磁場照射到主反射面后，發(fā)生反射，傳輸?shù)礁狈瓷涿?，此頻率電磁場在該FSS處發(fā)生透射，根據(jù)拋物面的幾何特性，電磁波將被傳輸?shù)絀I波段饋源。

圖2雙饋源卡塞格倫天線示意圖

我國現(xiàn)階段衛(wèi)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在C波段和KU波段同時工作，就要求其副反射面具有一個工作波段透射，另一個工作波段反射的特性。本文提出的可用于設計C/KU波段衛(wèi)星通信天線副反射面的FSS為改進Y孔型單元雙通帶頻率選擇表面,它分別在衛(wèi)星通信KU波段上行和下行頻率處形成兩個通帶，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。而由于天線副反射面較FSS單元尺寸極大，分析其傳輸反射特性時我們可近似認為所設計的FSS為無限大。

如圖3，所設計的FSS單元形狀為在傳統(tǒng)Y孔單元的每個臂上加入1個支節(jié)，形成類似Y環(huán)和Y孔兩個諧振腔,來實現(xiàn)對不同頻率電磁波的雙帶通。

圖3改進Y孔型FSS單元示意圖

這種FSS的第一個諧振點為Y孔型FSS加枝節(jié)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(jié)長度（L2）決定。而第二個諧振點為Y孔型FSS諧振腔產(chǎn)生，諧振頻率主要由Y孔的臂長決定。當枝節(jié)長度（L2）增長時，第一個諧振點明顯向低頻方向移動，而第二個諧振點變化很小。所以這里在設計該FSS時，最重要的就是確定其枝節(jié)的長度。首先可根據(jù)Y孔單元FSS諧振特性：諧振波長與4倍臂長（4×L1）成正比，諧振頻率與（εr+1）^1/2成正比，（εr為介質介電常數(shù)），確定Y孔型FSS的尺寸和介質材料；然后根據(jù)所需要的第一個通帶頻率確定枝節(jié)長度（L2）。適當調節(jié)枝節(jié)的寬度（W2）也會影響第一個諧振通帶的諧振點和通帶帶寬，這里可以適當減小貼片的寬度以獲得第一個較寬的通帶。

由于所有類似Y型單元的FSS極化特性都不是很好，但通過將單元旋轉，可增強頻率穩(wěn)定性，同樣我們在這里也把這種改進Y孔型單元旋轉15度，以使它在TE和TM模電磁波入射時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行分析計算。通過反復比較和參數(shù)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，介質介電常數(shù)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的傳輸系數(shù)，以及在C波段衛(wèi)星通信頻率下電磁波的反射系數(shù)曲線。

圖4KU波段衛(wèi)星頻率傳輸曲線

　圖5C波段衛(wèi)星頻率反射系數(shù)曲線圖

可見，在KU波段的常用上行頻率14000MHz~14500MHz處的傳輸損耗（即天線發(fā)射時電磁波通過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（即天線接收時電磁波通過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(wèi)星通信頻率的傳輸，還是在C波段衛(wèi)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，超過了-1dB但在這個頻段內傳輸系數(shù)變化很小，這完全可以稍稍加大該頻率信號的發(fā)射功率來解決。

4結束語

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