1 引言

卡塞格倫天線設(shè)計靈活，并且能在一套反射面天線中使用兩個或多個不同波段的饋源，大大節(jié)省了建站開支。因此多饋源卡塞格倫天線在微波通信中得到了廣泛的應(yīng)用。而多饋源卡塞格倫天線的設(shè)計的一個關(guān)鍵問題就是用作天線副反射面的FSS設(shè)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波段的信號可傳輸大容量信號，同時大氣粒子衰減較小，應(yīng)用最為廣泛，且現(xiàn)在很多衛(wèi)星都擁有這兩個波段的轉(zhuǎn)發(fā)器，為衛(wèi)星通信使用雙饋源卡塞格倫天線，實現(xiàn)C/KU波段通信的地面站使用同一天線成為可能。在這里，筆者設(shè)計了一種雙圓環(huán)單元的雙通帶FSS可用做C/KU波段雙饋源衛(wèi)星通信天線副反射面（如圖1）。它可傳輸C波段衛(wèi)星通信頻率信號，而反射KU波段衛(wèi)星信號。

圖１ 雙圓環(huán)型頻率選擇表面

2 設(shè)計原理

雙饋源卡塞格倫天線設(shè)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(lǐng)波段頻率電磁場反射，而傳輸II波段頻率電磁場。當I波段頻率電磁場照射到主反射面后，發(fā)生反射，傳輸?shù)礁狈瓷涿妫祟l率電磁場在該FSS處發(fā)生反射，根據(jù)雙曲面的幾何特性，電磁波將被傳輸?shù)絀波段雙饋；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)礁狈瓷涿妫祟l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波段雙饋。

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~12500MHz，12500MHz~12750MHz。所以，要實現(xiàn)在C/KU波段同時工作的雙饋源卡塞格倫天線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。因為FSS設(shè)計中可以用平面FSS來近似曲面FSS［5］，所以這里我們只設(shè)計了平面FSS而沒有設(shè)計雙曲面FSS，在這里我們認為所設(shè)計的平面FSS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(shè)計的FSS為無限大。

3 FSS設(shè)計

筆者提出的用于“C/KU波段雙饋源衛(wèi)星通信天線副反射面”的FSS預(yù)期傳輸反射特性為：在C波段的常用衛(wèi)星頻率的上行頻段（5925MHz~6425MHz）下行頻段（3700MHz~4200MHz）分別形成兩個性能較好的傳輸通帶，在KU波段的常用衛(wèi)星頻率形成良好的阻帶（12200MHz~12750MHz），使這個頻段的電磁波發(fā)生反射，以滿足KU波段與C波段雙饋源的應(yīng)用。

這里，利用圓環(huán)型帶通FSS極化特性優(yōu)良的特點，用單元內(nèi)兩個圓環(huán)來實現(xiàn)C波段衛(wèi)星通信的上行工作頻率和下行工作頻率的雙帶通。當一個單元內(nèi)開雙環(huán)作為兩個帶通作用時，可把兩個圓環(huán)看成兩個獨立的諧振腔來考慮。雖然兩個環(huán)之間相互耦合，諧振頻點向高端漂移，但兩個諧振點還是遵循與圓環(huán)周長成正比的規(guī)律。單個圓環(huán)型帶通頻率選擇表面的帶寬很寬，但諧振頻率較低的圓環(huán)諧振腔（大圓環(huán)），在諧振頻率通帶的高頻處受到小圓環(huán)諧振頻率的干擾，傳輸衰減下降迅速，同時但諧振頻率較高的圓環(huán)諧振腔（小圓環(huán)），在諧振頻率通帶的低頻處受到大圓環(huán)諧振頻率的干擾，傳輸衰減下降迅速，如圖3。但由于單圓環(huán)型FSS在諧振點之后的頻段處傳輸衰減變化較諧振點之前的頻段變化緩慢的多。雙圓環(huán)情況下如果兩個圓環(huán)的諧振頻率相差很遠，每個通帶的傳輸特性也與單圓環(huán)FSS相似。而這里由于要得到4GHz與6GHz兩個傳輸衰減盡量小的寬帶帶通，故將諧振頻率較低的圓環(huán)（大圓環(huán)）的環(huán)間隙增大以得到較寬的傳輸帶寬，使得在4GHz處得到傳輸衰減比較小的較寬通帶頻帶。

圖3 雙圓環(huán)FSS傳輸曲線圖

采用基于矩量法（MOM）的仿真軟件DESIGNER對頻率選擇表面進行分析計算。所設(shè)計的頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)如圖4，單元為正方形排列，單元間隔a=19.7mm，選用單層介質(zhì)和單層FSS，每個單元為ＰＥＣ上蝕刻２個圓環(huán)，其各個部分尺寸為R1=9.6mm，R2=6.9mm，W1=0.6mm，W2=0.3mm，介質(zhì)層厚度d=1.6mm，介電常數(shù)er=2.65。

圖4 雙圓環(huán)FSS單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖5—圖8給出了這種頻率選擇表面在C波段TE和TM模電磁波垂直入射時的傳輸系數(shù)，以及在KU波段電磁波的反射系數(shù)。

圖5 C波段衛(wèi)星通信的上行工作頻率傳輸曲線圖

圖6 C波段衛(wèi)星通信的下行工作頻率傳輸曲線圖

圖7 KU波段衛(wèi)星通信的下行工作頻率反射曲線圖

圖8 KU波段衛(wèi)星通信的上行工作頻率反射曲線圖

可見在C波段的下行頻率3700MHz~4200MHz處的傳輸損耗均小于－0.84dB；上行頻率5925MHz~6425MHz處的傳輸損耗均小于－0.62dB。KU波段的常用下行頻率12200MHz~ 12750MHz處的電磁場的反射衰減均小于－0.35dB；上行頻率14000MHz~14500MHz電磁場的反射衰減均小于－0.16dB。而且此FSS不論對各種極化的電磁場入射性能相當穩(wěn)定，基本沒有變化。可適用于各種極化通信使用。

4 總結(jié)

以往人們在設(shè)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，在這里提出了用雙通帶型ＦＳＳ很好的解決了這一問題。