張志華,宮玉松

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在蓬勃發(fā)展的衛(wèi)星通信應(yīng)用中，地面站天線的應(yīng)用非常廣泛，尤其是具備高增益、低旁瓣等優(yōu)異性能的地面站天線成為業(yè)界產(chǎn)品的研制目標(biāo)[1]。隨著衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展、通信頻段的不斷擴(kuò)展,對于多頻段共用的衛(wèi)星地面站天線的需求越來越迫切。在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，雙頻共用和多頻共用技術(shù)是目前衛(wèi)星通信地球站天線的一個重要發(fā)展方向,其可以擴(kuò)大通信容量,實(shí)現(xiàn)一站多用,即可以使一副天饋系統(tǒng)同時工作于兩個或多個衛(wèi)星通信波段，既可以提高用戶使用的選擇性和靈活性，又可以大大降低成本[2]。所謂多頻共用就是指同一時間內(nèi)使用多個頻段進(jìn)行通信[3]。目前同步衛(wèi)星軌道上有很多多頻段共用衛(wèi)星。例如：常用的C/Ku頻段衛(wèi)星，還有Ku/Ka頻段衛(wèi)星、S/Ka頻段衛(wèi)星等等。因此，衛(wèi)星通信天線的雙頻或者多頻共用天線設(shè)計(jì)技術(shù)已成為現(xiàn)代衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

天線實(shí)現(xiàn)多頻共用工作的主要途徑有兩種。一種是采用多頻共用饋源技術(shù)，多頻段共用天線的關(guān)鍵之一是多頻段共用饋源的研究，饋源是整個反射面天線系統(tǒng)的核心。尤其是反射面天線要達(dá)到高增益、低旁瓣的優(yōu)良性能，饋源性能的好壞是關(guān)鍵因素[4]。另一種實(shí)現(xiàn)多頻共用的方法是采用多個饋源共用一個天線來實(shí)現(xiàn)多頻共用。饋源由于客觀原因很難無限制地增加工作頻段，目前雙頻共用饋源技術(shù)已較為成熟，如C/Ku、L/C、S/C、Ku/Ka等[5]。但三頻或四頻以上的共用饋源實(shí)現(xiàn)較為困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)。若要求更多頻段共用則需要另尋他法。頻率選擇面(FSS)作為一種有頻率選擇性的空間濾波器針對此要求提供了解決方案。當(dāng)對某頻段呈現(xiàn)反射特性的時候可以作為后饋雙反射面工作，當(dāng)對某頻段呈現(xiàn)透射特性的時候雙反射面可作為前饋但反射面工作。本文采用第二種設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)了一種L/S/Ku三頻段共用2.4 m天線。

1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的2.4 m天線能完成對L/S頻段信號的接收，同時可以完成對Ku頻段信號的接收和發(fā)射。L/S頻段饋源作為天線前饋饋源，可同時接收L頻段和S頻段信號，Ku頻段饋源作為后饋饋源，可以實(shí)現(xiàn)對Ku頻段信號的發(fā)射和接收[6]。為了實(shí)現(xiàn)L/S/Ku三頻段共用一個天線，天線的副反射面采用了頻率選擇副面。如圖1所示，天線接收到的 L/S頻段信號通過主反射面反射，透過副反射面到達(dá)L/S頻段饋源，完成L/S頻段信號的接收；天線接收到的 Ku頻段信號通過主反射面反射，到達(dá)副反射面，被副反射面反射進(jìn)入到Ku頻段饋源，完成對Ku頻段信號的接收。Ku頻段饋源發(fā)射的信號被副反射面反射，到達(dá)主反射面，然后輻射出去，完成對Ku頻段信號的發(fā)射[7-8]。

圖1 L/S/Ku三頻段2.4 m天線原理

2 天線反射面參數(shù)選擇

天線反射面參數(shù)的選擇，主要是考慮前饋饋源和后饋饋源組合的最佳性能，使天線整體性能最佳[5]。天線主面口徑Dm=2 400 mm，天線主面曲線和副面曲線采用賦形的卡式天線曲線。通過對主面焦距、副面直徑的優(yōu)化最終得出天線幾何參數(shù)為：副面直徑260 mm，主面焦距Fm=800 mm。天線的焦徑比和L/S饋源的半照射角可以通過下式得到[7]：

(1)

(2)

式中，τ為天線焦徑比，ψm為饋源的半照射角。

通過計(jì)算L/S饋源的半照射角為73.7°，為保證較低的第一旁瓣電平，照射錐削選擇為-14～-18 dB。為減小頻率選擇副面入射角，需減小副反射面曲率，經(jīng)過綜合考慮，Ku饋源對副反射面的半照射角21°照射錐削電平為-15 dB 左右。副反射面偏心率e可通過下式得到[8]：

(3)

式中，θm為饋源位置到副反射面邊緣的半照射角，計(jì)算可得e=1.656。

3 L/S頻段饋源與Ku頻段饋源設(shè)計(jì)

L/S頻段饋源為接收饋源，能接收L頻段左旋極化和右旋極化信號、S頻段左旋極化和右旋極化信號。采用組合交叉振子饋源，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，體積較小，重量輕，電性能好[9]。饋源的工作原理如圖2所示。饋源接收到主反射面反射的L/S頻段水平極化和垂直極化信號，通過L/S圓極化器，形成左旋信號和右旋信號。左旋信號通過頻率雙工器分成L頻段左旋信號和S頻段左旋信號，同理右旋信號通過頻率雙工器分成L頻段右旋信號和S頻段右旋信號。L頻段左旋信號和右旋信號通過同軸開關(guān)進(jìn)行選擇，然后輸出;同樣S頻段左旋信號和右旋信號通過同軸開關(guān)進(jìn)行選擇然后輸出。

圖2 L/S雙頻段饋源工作原理

Ku頻段饋源由喇叭和雙工器組成，Ku頻段喇叭為波紋喇叭，具有工作頻帶寬、方向圖對稱、良好的交叉極化等許多優(yōu)點(diǎn)。Ku頻段雙工器實(shí)現(xiàn)天線的極化分離，將同一頻段內(nèi)信號的水平極化、垂直極化分別提取出來[10]。Ku頻段喇叭和雙工器實(shí)物如圖3所示。

圖3 Ku頻段喇叭和雙工器

4 副面設(shè)計(jì)

副面采用頻率選擇面(FSS)，F(xiàn)SS屬于一種周期結(jié)構(gòu)，因此其研究的重點(diǎn)在于單元的形式和排布。頻率選擇面副面采用的金屬貼片呈周期性排布，貼片形式類似于微帶天線的結(jié)構(gòu)，不同類型的貼片單元都有相應(yīng)的諧振頻率[11-12]。當(dāng)電磁波的頻率和貼片的諧振頻率符合時，入射的電磁波能量將被貼片反射，形成帶阻特性。而當(dāng)電磁波的頻率不符合貼片的諧振頻率時，入射電磁波不會被反射，呈現(xiàn)透射特性。本文設(shè)計(jì)的頻率選擇副面對L頻段和S頻段電磁波具備透射特性，對Ku頻段電磁波具備反射特性[13-14]。副面實(shí)物圖如圖4所示,其最上面一層為方形金屬貼片，下面為介質(zhì)層。金屬貼片采用正方形貼片，正方形貼片具有結(jié)構(gòu)簡單、帶寬寬、諧振頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。介質(zhì)層采用三層介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)，上面和下面兩層均為kevlar介質(zhì)層，中間一層為蜂窩層，起支撐作用[15-16]。三層介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)既保證了副面的強(qiáng)度，又具有重量輕、損耗小的優(yōu)點(diǎn)。對副面?zhèn)鬏敁p耗進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出在L頻段和S頻段副面?zhèn)鬏敁p耗在0.3 dB以內(nèi)，在Ku頻段副面?zhèn)鬏敁p耗在15 dB以上，副面性能非常好。

圖4 副面實(shí)物圖

圖5 副面測試結(jié)果

5 天線測試方向圖

天線加工完成之后，在測試場地對衛(wèi)星進(jìn)行了天線方向圖的測試[17]，測試結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 L頻段方向圖測試結(jié)果

圖6為L頻段方向圖測試結(jié)果，旁瓣電平分別為(-15.34 dB,-15.67 dB)；圖7為S頻段方向圖測試結(jié)果，旁瓣電平分別為(-16.91 dB,-16.68 dB)；圖8為Ku頻段接收和發(fā)射方向圖測試結(jié)果，圖8(a)旁瓣電平分別為(-16.33 dB,-16.00 dB)；圖8(b)旁瓣電平分別為(-16.92 dB,-16.53 dB)。從圖中可以看出，在L、S和Ku三個頻段天線方向圖正常，滿足工程應(yīng)用條件。

圖7 S頻段方向圖測試結(jié)果

圖8 Ku頻段接收和發(fā)射方向圖測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了L/S頻段饋源，可同時對L頻段和S頻段信號進(jìn)行接收；設(shè)計(jì)了Ku頻段饋源，可同時完成對Ku頻段信號的接收和發(fā)射；給出了L/S/Ku三頻段頻率選擇副面的設(shè)計(jì)，可對L/S頻段信號透射，對Ku頻段信號反射；運(yùn)用grasp軟件對天線主面和副面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終成功設(shè)計(jì)了一種L/S/Ku三頻段共用2.4 m天線。在測試場對天線進(jìn)行測試，天線方向圖良好，滿足工程應(yīng)用。

[1] 秦順友,許德森,高南.地球站天線技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢[J].電波科學(xué)學(xué)報,2003(8):466-471.

[2] 孫長文.應(yīng)用于移動終端的多頻LTE天線設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué),2015.

[3] Kraus J D,Marhefka R J.天線[M].3版.章文勛,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 史雪瑩.偏置反射面天線的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué).2010

[5] 胡正飛,謝繼東.反射面天線誤差設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006 (4)：65-68.

[6] Pozar D M.微波工程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[7] 宋立偉,段寶巖,鄭飛,等.表面誤差對反射面天線電性能的影響[J].電子學(xué)報,2009 ,37(3):552-556.

[8] 牛中奇,朱滿座,盧智遠(yuǎn),等.電磁場理論基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[9] 馬妍.雙頻復(fù)合衛(wèi)星通信天線的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2015.

[10] 段斌,李紅衛(wèi).C/Ku雙波段饋源系統(tǒng)的研究[J].微波學(xué)報,1998 (03):227-232.

[11] 李春陽.賦形波束反射面天線的設(shè)計(jì)與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

[12] 李開拓.反射面天線分析計(jì)算方法及全息測量技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

[13] 張光旻.新型平面寬帶多頻天線的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

[14] 陳士縣.多頻和寬帶頻率選擇表面設(shè)計(jì)與分析[D].合肥:安徽大學(xué),2017.

[15] 楊科.20/30GHz頻率選擇面技術(shù)研究[J].空間電子技術(shù),2007,4 (4) :34-36.

[16] 黃鵬.多頻段復(fù)合天線的研究與設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2015.

[17] 秦順友,許德森.衛(wèi)星通信地面站天線工程測量技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2006.