航天器天线工程设计技术中的五频段馈源

采用五频段的天线可以支持卫星的三种服务，分别为前向广播卫星（Direct Broadcast Satellite，DBS）、反向广播卫星（Reverse DBS，RDBS）和个人通信卫星（Personal Communication Satellite，PCS）。随着RDBS频段在联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的通过，未来的卫星服务发展为RDBS、DBS、PCS集成服务。

五频段多张角喇叭（Multiflare Horn）包含了7个不同的斜率，如图12-20所示。五频段上性能如表12-4所示。回波损耗优于-26.5 dB，交叉极化优于-22 dB，五频段上的效率为74%～82%。

图12-20　五频段喇叭构型

表12-4　五频段喇叭性能

续表

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喇叭作为馈源使用，其相位方向图至关重要，在多波束应用中，可以通过调整喇叭在焦平面的位置来改善二次方向图。设计的2.5 m口径的反射面天线，整体增益特性在偏焦25.4 mm时达到最佳。天线整体的五频段中所测试的8个频点的性能如表12-5所示。在五个频段上，峰值增益为49.0～53.6 dBi，覆盖区增益为46.2～47.0 dBi。交叉极化在低频段非常好，整个频段上为15.2～25.9 dB。对于30 GHz的个人通信系统（PCS）服务，交叉极化达到了15.2 dB，此性能满足使用要求，因为主要干扰典型值为14 dB。

表12-5　配备前向DBS和逆向DBS的多频段天线性能

馈源组件构成如图12-21所示，其内部通过滤波器、双工器来分离不同频率信号，并且在每个频率上均实现双圆极化性能。最低频段12 GHz通过对称结实现频率分离，该结构利用4个波导槽和4个滤波器来反射所有高频段信号。4个低通滤波器输出的信号结合H面波导结和3 dB定向耦合器来产生Ku频段的圆极化信号。在对称结后放置一个台阶来截止Ku频段信号并使另外4个高频段信号通过。第二个对称结分离了17 GHz和20 GHz的信号，同样利用4个滤波器实现。分离出来的17 GHz和20 GHz信号通过两个双工器实现隔离，两个双工器分别实现不同极化。第二个台阶实现了截止17 GHz和20 GHz信号，通过25 GHz和30 GHz信号。利用膜片极化器来生成双圆极化，利用两个双工器分离25 GHz和30 GHz信号。

图12-21　五频段馈源及多波束组成

随着通信卫星的发展，美欧的高效率、低成本、轻量化、小型化的多波束天线研究成果较多，同时随着卫星的多功能发展，要求一副天线实现多个功能、多个频段的工作，这对于多频段的反射面提出了新的挑战，也是未来反射面天线发展的热门方向之一。国外已经对同时工作于两个或者多个不同频段内的高性能馈源进行了深入的研究，并且取得了较多的研究成果，部分高性能馈源已经完成了空间试验验证。