用于“C/KU波段双馈源卫星通信 天线副反射面”的FSS设计解析

1 引言

卡塞格伦天线设计灵活，并且能在一套反射面天线中使用两个或多个不同波段的馈源，大大节省了建站开支。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的设计的一个关键问题就是用作天线副反射面的FSS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波段的信号可传输大容量信号，同时大气粒子衰减较小，应用最为广泛，且现在很多卫星都拥有这两个波段的转发器，为卫星通信使用双馈源卡塞格伦天线，实现C/KU波段通信的地面站使用同一天线成为可能。在这里，笔者设计了一种双圆环单元的双通带FSS可用做C/KU波段双馈源卫星通信天线副反射面（如图1）。它可传输C波段卫星通信频率信号，而反射KU波段卫星信号。

图１ 双圆环型频率选择表面

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波段频率电磁场反射，而传输II波段频率电磁场。当I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处发生反射，根据双曲面的几何特性，电磁波将被传输到I波段双馈；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波段双馈。

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~12500MHz，12500MHz~12750MHz。所以，要实现在C/KU波段同时工作的双馈源卡塞格伦天线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。因为FSS设计中可以用平面FSS来近似曲面FSS［5］，所以这里我们只设计了平面FSS而没有设计双曲面FSS，在这里我们认为所设计的平面FSS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。

3 FSS设计

笔者提出的用于“C/KU波段双馈源卫星通信天线副反射面”的FSS预期传输反射特性为：在C波段的常用卫星频率的上行频段（5925MHz~6425MHz）下行频段（3700MHz~4200MHz）分别形成两个性能较好的传输通带，在KU波段的常用卫星频率形成良好的阻带（12200MHz~12750MHz），使这个频段的电磁波发生反射，以满足KU波段与C波段双馈源的应用。

这里，利用圆环型带通FSS极化特性优良的特点，用单元内两个圆环来实现C波段卫星通信的上行工作频率和下行工作频率的双带通。当一个单元内开双环作为两个带通作用时，可把两个圆环看成两个独立的谐振腔来考虑。虽然两个环之间相互耦合，谐振频点向高端漂移，但两个谐振点还是遵循与圆环周长成正比的规律。单个圆环型带通频率选择表面的带宽很宽，但谐振频率较低的圆环谐振腔（大圆环），在谐振频率通带的高频处受到小圆环谐振频率的干扰，传输衰减下降迅速，同时但谐振频率较高的圆环谐振腔（小圆环），在谐振频率通带的低频处受到大圆环谐振频率的干扰，传输衰减下降迅速，如图3。但由于单圆环型FSS在谐振点之后的频段处传输衰减变化较谐振点之前的频段变化缓慢的多。双圆环情况下如果两个圆环的谐振频率相差很远，每个通带的传输特性也与单圆环FSS相似。而这里由于要得到4GHz与6GHz两个传输衰减尽量小的宽带带通，故将谐振频率较低的圆环（大圆环）的环间隙增大以得到较宽的传输带宽，使得在4GHz处得到传输衰减比较小的较宽通带频带。

图3 双圆环FSS传输曲线图

采用基于矩量法（MOM）的仿真软件DESIGNER对频率选择表面进行分析计算。所设计的频率选择表面单元结构如图4，单元为正方形排列，单元间隔a=19.7mm，选用单层介质和单层FSS，每个单元为ＰＥＣ上蚀刻２个圆环，其各个部分尺寸为R1=9.6mm，R2=6.9mm，W1=0.6mm，W2=0.3mm，介质层厚度d=1.6mm，介电常数er=2.65。

图4 双圆环FSS单元结构示意图

图5—图8给出了这种频率选择表面在C波段TE和TM模电磁波垂直入射时的传输系数，以及在KU波段电磁波的反射系数。

图5 C波段卫星通信的上行工作频率传输曲线图

图6 C波段卫星通信的下行工作频率传输曲线图

图7 KU波段卫星通信的下行工作频率反射曲线图

图8 KU波段卫星通信的上行工作频率反射曲线图

可见在C波段的下行频率3700MHz~4200MHz处的传输损耗均小于－0.84dB；上行频率5925MHz~6425MHz处的传输损耗均小于－0.62dB。KU波段的常用下行频率12200MHz~ 12750MHz处的电磁场的反射衰减均小于－0.35dB；上行频率14000MHz~14500MHz电磁场的反射衰减均小于－0.16dB。而且此FSS不论对各种极化的电磁场入射性能相当稳定，基本没有变化。可适用于各种极化通信使用。

4 总结

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，在这里提出了用双通带型ＦＳＳ很好的解决了这一问题。