一种L/S/Ku三频段天线的设计

张志华,宫玉松

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

在蓬勃发展的卫星通信应用中，地面站天线的应用非常广泛，尤其是具备高增益、低旁瓣等优异性能的地面站天线成为业界产品的研制目标[1]。随着卫星通信产业的迅猛发展、通信频段的不断扩展,对于多频段共用的卫星地面站天线的需求越来越迫切。在卫星通信应用中，双频共用和多频共用技术是目前卫星通信地球站天线的一个重要发展方向,其可以扩大通信容量,实现一站多用,即可以使一副天馈系统同时工作于两个或多个卫星通信波段，既可以提高用户使用的选择性和灵活性，又可以大大降低成本[2]。所谓多频共用就是指同一时间内使用多个频段进行通信[3]。目前同步卫星轨道上有很多多频段共用卫星。例如：常用的C/Ku频段卫星，还有Ku/Ka频段卫星、S/Ka频段卫星等等。因此，卫星通信天线的双频或者多频共用天线设计技术已成为现代卫星通信天线设计研究的热点和发展方向。

天线实现多频共用工作的主要途径有两种。一种是采用多频共用馈源技术，多频段共用天线的关键之一是多频段共用馈源的研究，馈源是整个反射面天线系统的核心。尤其是反射面天线要达到高增益、低旁瓣的优良性能，馈源性能的好坏是关键因素[4]。另一种实现多频共用的方法是采用多个馈源共用一个天线来实现多频共用。馈源由于客观原因很难无限制地增加工作频段，目前双频共用馈源技术已较为成熟，如C/Ku、L/C、S/C、Ku/Ka等[5]。但三频或四频以上的共用馈源实现较为困难，甚至难以实现。若要求更多频段共用则需要另寻他法。频率选择面(FSS)作为一种有频率选择性的空间滤波器针对此要求提供了解决方案。当对某频段呈现反射特性的时候可以作为后馈双反射面工作，当对某频段呈现透射特性的时候双反射面可作为前馈但反射面工作。本文采用第二种设计方法重点研究和设计了一种L/S/Ku三频段共用2.4 m天线。

1 工作原理

本文设计的2.4 m天线能完成对L/S频段信号的接收，同时可以完成对Ku频段信号的接收和发射。L/S频段馈源作为天线前馈馈源，可同时接收L频段和S频段信号，Ku频段馈源作为后馈馈源，可以实现对Ku频段信号的发射和接收[6]。为了实现L/S/Ku三频段共用一个天线，天线的副反射面采用了频率选择副面。如图1所示，天线接收到的 L/S频段信号通过主反射面反射，透过副反射面到达L/S频段馈源，完成L/S频段信号的接收；天线接收到的 Ku频段信号通过主反射面反射，到达副反射面，被副反射面反射进入到Ku频段馈源，完成对Ku频段信号的接收。Ku频段馈源发射的信号被副反射面反射，到达主反射面，然后辐射出去，完成对Ku频段信号的发射[7-8]。

图1 L/S/Ku三频段2.4 m天线原理

2 天线反射面参数选择

天线反射面参数的选择，主要是考虑前馈馈源和后馈馈源组合的最佳性能，使天线整体性能最佳[5]。天线主面口径Dm=2 400 mm，天线主面曲线和副面曲线采用赋形的卡式天线曲线。通过对主面焦距、副面直径的优化最终得出天线几何参数为：副面直径260 mm，主面焦距Fm=800 mm。天线的焦径比和L/S馈源的半照射角可以通过下式得到[7]：

(1)

(2)

式中，τ为天线焦径比，ψm为馈源的半照射角。

通过计算L/S馈源的半照射角为73.7°，为保证较低的第一旁瓣电平，照射锥削选择为-14～-18 dB。为减小频率选择副面入射角，需减小副反射面曲率，经过综合考虑，Ku馈源对副反射面的半照射角21°照射锥削电平为-15 dB 左右。副反射面偏心率e可通过下式得到[8]：

(3)

式中，θm为馈源位置到副反射面边缘的半照射角，计算可得e=1.656。

3 L/S频段馈源与Ku频段馈源设计

L/S频段馈源为接收馈源，能接收L频段左旋极化和右旋极化信号、S频段左旋极化和右旋极化信号。采用组合交叉振子馈源，优点是结构简单，易于加工，体积较小，重量轻，电性能好[9]。馈源的工作原理如图2所示。馈源接收到主反射面反射的L/S频段水平极化和垂直极化信号，通过L/S圆极化器，形成左旋信号和右旋信号。左旋信号通过频率双工器分成L频段左旋信号和S频段左旋信号，同理右旋信号通过频率双工器分成L频段右旋信号和S频段右旋信号。L频段左旋信号和右旋信号通过同轴开关进行选择，然后输出;同样S频段左旋信号和右旋信号通过同轴开关进行选择然后输出。

图2 L/S双频段馈源工作原理

Ku频段馈源由喇叭和双工器组成，Ku频段喇叭为波纹喇叭，具有工作频带宽、方向图对称、良好的交叉极化等许多优点。Ku频段双工器实现天线的极化分离，将同一频段内信号的水平极化、垂直极化分别提取出来[10]。Ku频段喇叭和双工器实物如图3所示。

图3 Ku频段喇叭和双工器

4 副面设计

副面采用频率选择面(FSS)，FSS属于一种周期结构，因此其研究的重点在于单元的形式和排布。频率选择面副面采用的金属贴片呈周期性排布，贴片形式类似于微带天线的结构，不同类型的贴片单元都有相应的谐振频率[11-12]。当电磁波的频率和贴片的谐振频率符合时，入射的电磁波能量将被贴片反射，形成带阻特性。而当电磁波的频率不符合贴片的谐振频率时，入射电磁波不会被反射，呈现透射特性。本文设计的频率选择副面对L频段和S频段电磁波具备透射特性，对Ku频段电磁波具备反射特性[13-14]。副面实物图如图4所示,其最上面一层为方形金属贴片，下面为介质层。金属贴片采用正方形贴片，正方形贴片具有结构简单、带宽宽、谐振频率稳定性好等优点。介质层采用三层介质加载结构，上面和下面两层均为kevlar介质层，中间一层为蜂窝层，起支撑作用[15-16]。三层介质加载结构既保证了副面的强度，又具有重量轻、损耗小的优点。对副面传输损耗进行了测试，测试结果如图5所示。从图中可以看出在L频段和S频段副面传输损耗在0.3 dB以内，在Ku频段副面传输损耗在15 dB以上，副面性能非常好。

图4 副面实物图

图5 副面测试结果

5 天线测试方向图

天线加工完成之后，在测试场地对卫星进行了天线方向图的测试[17]，测试结果如图6、图7和图8所示。

图6 L频段方向图测试结果

图6为L频段方向图测试结果，旁瓣电平分别为(-15.34 dB,-15.67 dB)；图7为S频段方向图测试结果，旁瓣电平分别为(-16.91 dB,-16.68 dB)；图8为Ku频段接收和发射方向图测试结果，图8(a)旁瓣电平分别为(-16.33 dB,-16.00 dB)；图8(b)旁瓣电平分别为(-16.92 dB,-16.53 dB)。从图中可以看出，在L、S和Ku三个频段天线方向图正常，满足工程应用条件。

图7 S频段方向图测试结果

图8 Ku频段接收和发射方向图测试结果

6 结束语

本文设计了L/S频段馈源，可同时对L频段和S频段信号进行接收；设计了Ku频段馈源，可同时完成对Ku频段信号的接收和发射；给出了L/S/Ku三频段频率选择副面的设计，可对L/S频段信号透射，对Ku频段信号反射；运用grasp软件对天线主面和副面参数进行优化设计，最终成功设计了一种L/S/Ku三频段共用2.4 m天线。在测试场对天线进行测试，天线方向图良好，满足工程应用。

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