一種L/S/Ku三頻段天線的設計

張志華,宮玉松

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在蓬勃發展的衛星通信應用中，地面站天線的應用非常廣泛，尤其是具備高增益、低旁瓣等優異性能的地面站天線成為業界產品的研制目標[1]。隨著衛星通信產業的迅猛發展、通信頻段的不斷擴展,對于多頻段共用的衛星地面站天線的需求越來越迫切。在衛星通信應用中，雙頻共用和多頻共用技術是目前衛星通信地球站天線的一個重要發展方向,其可以擴大通信容量,實現一站多用,即可以使一副天饋系統同時工作于兩個或多個衛星通信波段，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使用多個頻段進行通信[3]。目前同步衛星軌道上有很多多頻段共用衛星。例如：常用的C/Ku頻段衛星，還有Ku/Ka頻段衛星、S/Ka頻段衛星等等。因此，衛星通信天線的雙頻或者多頻共用天線設計技術已成為現代衛星通信天線設計研究的熱點和發展方向。

天線實現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，多頻段共用天線的關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的核心。尤其是反射面天線要達到高增益、低旁瓣的優良性能，饋源性能的好壞是關鍵因素[4]。另一種實現多頻共用的方法是采用多個饋源共用一個天線來實現多頻共用。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現較為困難，甚至難以實現。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。當對某頻段呈現反射特性的時候可以作為后饋雙反射面工作，當對某頻段呈現透射特性的時候雙反射面可作為前饋但反射面工作。本文采用第二種設計方法重點研究和設計了一種L/S/Ku三頻段共用2.4 m天線。

1 工作原理

本文設計的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，可以實現對Ku頻段信號的發射和接收[6]。為了實現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，到達副反射面，被副反射面反射進入到Ku頻段饋源，完成對Ku頻段信號的接收。Ku頻段饋源發射的信號被副反射面反射，到達主反射面，然后輻射出去，完成對Ku頻段信號的發射[7-8]。

圖1 L/S/Ku三頻段2.4 m天線原理

2 天線反射面參數選擇

天線反射面參數的選擇，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、副面直徑的優化最終得出天線幾何參數為：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，計算可得e=1.656。

3 L/S頻段饋源與Ku頻段饋源設計

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，優點是結構簡單，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進行選擇，然后輸出;同樣S頻段左旋信號和右旋信號通過同軸開關進行選擇然后輸出。

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點。Ku頻段雙工器實現天線的極化分離，將同一頻段內信號的水平極化、垂直極化分別提取出來[10]。Ku頻段喇叭和雙工器實物如圖3所示。

圖3 Ku頻段喇叭和雙工器

4 副面設計

副面采用頻率選擇面(FSS)，FSS屬于一種周期結構，因此其研究的重點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構，不同類型的貼片單元都有相應的諧振頻率[11-12]。當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，呈現透射特性。本文設計的頻率選擇副面對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，下面為介質層。金屬貼片采用正方形貼片，正方形貼片具有結構簡單、帶寬寬、諧振頻率穩定性好等優點。介質層采用三層介質加載結構，上面和下面兩層均為kevlar介質層，中間一層為蜂窩層，起支撐作用[15-16]。三層介質加載結構既保證了副面的強度，又具有重量輕、損耗小的優點。對副面傳輸損耗進行了測試，測試結果如圖5所示。從圖中可以看出在L頻段和S頻段副面傳輸損耗在0.3 dB以內，在Ku頻段副面傳輸損耗在15 dB以上，副面性能非常好。

圖4 副面實物圖

圖5 副面測試結果

5 天線測試方向圖

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

圖6 L頻段方向圖測試結果

圖6為L頻段方向圖測試結果，旁瓣電平分別為(-15.34 dB,-15.67 dB)；圖7為S頻段方向圖測試結果，旁瓣電平分別為(-16.91 dB,-16.68 dB)；圖8為Ku頻段接收和發射方向圖測試結果，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，滿足工程應用條件。

圖7 S頻段方向圖測試結果

圖8 Ku頻段接收和發射方向圖測試結果

6 結束語

本文設計了L/S頻段饋源，可同時對L頻段和S頻段信號進行接收；設計了Ku頻段饋源，可同時完成對Ku頻段信號的接收和發射；給出了L/S/Ku三頻段頻率選擇副面的設計，可對L/S頻段信號透射，對Ku頻段信號反射；運用grasp軟件對天線主面和副面參數進行優化設計，最終成功設計了一種L/S/Ku三頻段共用2.4 m天線。在測試場對天線進行測試，天線方向圖良好，滿足工程應用。

[1] 秦順友,許德森,高南.地球站天線技術的新進展及其發展趨勢[J].電波科學學報,2003(8):466-471.

[2] 孫長文.應用于移動終端的多頻LTE天線設計[D].合肥:安徽大學,2015.

[3] Kraus J D,Marhefka R J.天線[M].3版.章文勛,譯.北京：電子工業出版社,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.2010

[5] 胡正飛,謝繼東.反射面天線誤差設計研究[J].現代雷達，2006 (4)：65-68.

[6] Pozar D M.微波工程[M].北京:電子工業出版社,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].電子學報,2009 ,37(3):552-556.

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

[9] 馬妍.雙頻復合衛星通信天線的研究[D].西安:西安電子科技大學,2015.

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

[11] 李春陽.賦形波束反射面天線的設計與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

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

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

[14] 陳士縣.多頻和寬帶頻率選擇表面設計與分析[D].合肥:安徽大學,2017.

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

[16] 黃鵬.多頻段復合天線的研究與設計[D].西安:西安電子科技大學,2015.

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