电磁带隙双频天线多点空间任务

文摘

我们提出的设计多波束反射器天线由一个多点双频电磁带隙电磁带隙)(实现高增益天线multispot覆盖空间应用。首先,我们设计一个电磁带隙天线双频monofeed配置。这个天线是由双层频率选择表面(模拟量)安排在纵向方向和一个正方形的角作为饲料。然后,相同的天线在多点配置研究,和获得的结果相比monofeed配置为了强调耦合的问题,一般遇到多点配置。因此,为了减少使用过滤器是寄生干扰和获得良好的辐射特征。如本文所示,电磁带隙阶段相同的中心是在两个频段。最后,我们研究了整个系统由抵消电磁带隙双频天线反射器和多点。优势的报道(转换端)获得高于42 dBi和旁瓣水平低于−18 dBi得到所有地点。

1。介绍

最近,兴趣使用多波束天线实现通信卫星和地球之间的联系已经因其能够有效地覆盖大部分地区。这些天线通常提供一个连续的覆盖的地理区域使用高增益multispots光束传输和接收链接;参见图1。

满足空间覆盖要求,抛物面反射器集群焦平面上的提要吸引大量关注多波束生成可能非常具有成本效益的解决方案。多波束天线的目标是最大化的曲线端获得覆盖地区和最小化每个梁之间的干扰。为了满足运营商的能力和高需求的渠道获得,使用小的光束(0.65°的直径、间距0.56°)是强制性的。为了同时支持TX和RX链接,空间应用程序需要两个独立的乐队,一个为TX ka波段,另一个用于在k波段RX。这些目标可以通过多个系统。

第一个系统采用,对于每一个传输和接收频带,一喂梁概念,相邻梁产生不同的反射镜。这种传统的天线系统需要四个TX反射器和四个RX反射相关焦点阵列,生成多波束(1]。该系统是一个与实际天线改进的解决方案和最经常使用的一代。然而,机械设计的本质要求繁琐的方法。

另一个程序来生成一个多波束点使用一个反射器为每个频带是美联储焦点阵列反射器(2]。该系统利用一群角,而不是一个生成每个梁,其中一些角用于几束。

第三个系统使用常见的反射镜来生成TX和RX乐队和一个单独的集群每个乐队的饲料喇叭。一个双色频率选择副反射器将两个乐队的主要模式。低频段的天线是一个主要关注的美联储抛物面反射器;对高频乐队来说,这是一个卡塞格伦天线3]。为了生成多个点,前面的系统需要四个常见的反射镜。

另一种方法使用一个反射器由一群多频角下行和上行(4]。为了生成多个点覆盖率有了这个系统,反射器的数量除以两个相比传统的天线。

所有这些系统都适合使用多波束空间应用程序但患有不同的实现困难。这些方法也存在一些缺点,适应大量的反射镜上的宇宙飞船以及他们昂贵的成本。

为了减少的数量(TX / RX)反射器天线,提出了一种电磁带隙焦结构多点。电磁带隙天线的是几年前开发的,用于不同的应用程序(5]。几项研究已经表明,它可以产生重叠光阑电磁带隙天线(通过使用多点6,7]。此外,这样的天线可以修改和设计展示多个指令模式不同的频率,因此,它就变成了一个电磁带隙天线双频(8]。在后者的工作,设计的电磁带隙谐振器天线双频monofeed提要一个反射器为空间应用程序(TX / RX)。这个应用程序需要两个独立的遥远的乐队(RX乐队20 GHz (在30兆赫()和TX乐队)。此外,相同的相位中心和相同的两个频段的辐射模式是必要的。

在本文中,一个双频电磁带隙焦结构描述5 GHz(多点在7.5 GHz)和()为了低生产成本。其目标是减少电磁带隙天线端口之间的寄生效应(耦合)。后者问题可以解决通过适当的过滤器连接到天线端口隔离频率通道,帮助恢复原来的安静的方向性。

本文在三个部分。在第一部分,我们提出的目标任务。在第二部分,介绍设计和电磁带隙天线双频monofeed的表演,我们描述了一个在多点配置然后过滤电磁带隙天线双频设备将插入上游为了隔离频率通道和重建的辐射模式。最后,覆盖表演照亮了这个天线反射器后将得到。

2。报道规范和设计要求

目标是提供一个欧洲多波束覆盖7.5 GHz和5 GHz 40交错点为0.65°从地球同步卫星。这个报道是致力于高数据率通信和使用4 x重用方案(2 MHz频率通道和线性偏振),如图1。最初,两个250 MHz频段分为部分波段19.5 -20兆赫和29.5 -30 GHz之间避免寄生相邻梁之间的干扰。正如我们之前说的,为了低制造成本和制造简单,我们将进行我们的研究在低频段:5 GHz (RX)和7.5 GHz ()。较低的频段分为两个50兆赫之间的部分波段4.95 -5.05 GHz (RX)和更高的频段分为两个75 MHz部分波段之间7.42 - -7.58 GHz。下面的覆盖性能需求。(我)相同的反射器天线频带的照明。在这种情况下,电磁带隙天线双频必须呈现相同的频段的辐射模式。(2)电磁带隙焦饲料的相位中心必须放置在反射镜的焦点,相位中心位置必须是相同的两个频段。相位中心被认为是允许的最小变化的参考点的远场辐射阶段定义的立体角内θ_年代。(3)最低需要港口之间的耦合两个频段。(iv)定义的转换端增加,水平在三束交叉,将高于42 dBi。

3所示。EBG天线设计

第一步是设计一个monofeed电磁带隙天线双频美联储角。事实上,一个电磁带隙由偶极子天线的补丁或古典患有低辐射带宽和高旁瓣的众所周知的问题。另一方面,电磁带隙天线角作为饲料的使用增加电磁带隙天线的方向性和降低旁瓣没有减少辐射带宽。这个结果导致一个更好的反射照明法(5]。

第二步是一个多点电磁带隙天线双频的设计。困难是减少高港口之间的耦合干扰辐射模式。为了重建的辐射模式,双频滤波器必须连接到每个天线端口。

3.1。EBG双频天线在Monofeed配置

电磁带隙双频天线的空间任务操作5 GHz ()和7.5 GHz (呈现在图2。

这个天线是由两个滤波器通FSS隔开一段距离d。层印在介质板的厚度等于0.5毫米和介电常数为2.94。底层是选择透明的最低的乐队和实现反射系数约0.87级最高。同样,最上面一层是选择在最高的透明带,实现最低的反射系数约为0.9级(图之一3(一个))。

如图2,最高的层形式与地面飞机第一腔的高度h1其共振频率坐落在最低的乐队。提供的最高工作频率共振的第二腔之间形成金融监督院位于地面飞机h2。腔高度h1和h2可以计算出(1)和它们的值等于27.5毫米和21.1毫米,分别 在哪里电磁带隙镜面反射系数的相位图3 (b)和是波长。

为了电磁带隙在两个频段天线匹配,两双半波长槽(图4(一))。每一对槽很兴奋在阶段的基本模式平方角(毫米)美联储的标准波导。制造电磁带隙天线双频兴奋的摄影图中给出了一角4 (b)。

3.1.1。EBG双频天线增益

在图5,我们目前测量捏造monofeed天线的增益,相比模拟。意识到获得最大测量大约是15 dBi和16 dBi 5 GHz ()和7.5 GHz (),分别。模拟和测量增益之间的差异是由于不同的模拟和测量回波损耗和消声室的精度误差,dBi约±0.6。

3.1.2。辐射模式

辐射模式E-plane和h面呈现在图6两个频段。我们可以观察到良好的模拟和测量之间的协议。辐射模式的半功率波束宽度大约是12°和10°和,分别。旁瓣水平大约是20 dBi和−−25 dBi和更高的频带越低,分别。

为更多的细节在捏造monofeed天线及其测量结果,请参阅[8]。

3.2。电磁带隙双频天线多点

在这个段落中,我们多点天线的描述。它由monofeed一个使用相同的组件。然而7角在这种情况下使用。为了反射器天线波束的角度偏差等于0.56°的提要天线必须由70毫米,(图7)。这个值被计算一个偏移量和一个反射器天线F / D比率为1.1(焦距直径),22°对角的一半。由于两个对称平面的使用在我们的模拟,只有三个角被认为是(1、2和6)。最初,唯一的端口1是兴奋,而其他人则在阻抗加载波导。端口1和2的偏振正交的一个港口6。

此外,一些变化应用于两个FSS为了获得相同的方向性(18 dBi),因此相同的两个频段的反射器天线照明;参见图9。

3.2.1之上。的参数

图8电磁带隙多点显示的参数的天线。回波损耗是5 dBi和−−之间低带15 dBi (之间)和8 dBi和−−17 dBi越高()。回波损耗可以通过修改提高槽阵列属性(每个槽宽度和长度)。港口之间的耦合,具有相同的分化(端口1和2),最多达到15 dBi和22 dBi−−和,分别。然而,端口1和6之间的耦合非常低,因为这些端口相互正交的偏振。

3.2.2。方向性

电磁带隙天线的方向性多点相比monofeed配置在图9。我们可以观察一个最大方向性减少2.5 dBi和1.2 dBi的和,分别。这种减少是由于耦合。

3.2.3。辐射模式和左制图

辐射模式monofeed电磁带隙天线的频带和多点图10。如我们所见,多点辐射模式的配置也受到港口之间的耦合导致的扭曲波纹天线主瓣的辐射模式。

事实上,港口之间的耦合产生一个小电磁带隙天线的辐射孔径如图11。如我们所见,腔内的电不传播在5.05 GHz比较monofeed电磁带隙天线的情况下配置。这减少解释了方向性减少。

为了解决这个问题,分离频率频道,适合过滤器必须连接到天线端口,在下一节中解释。

4所示。电磁带隙天线多点连接到过滤器

在本节中,我们首先描述了电磁带隙天线原理的多点集过滤设备。然后,我们提供了理想的过滤功能需要重建的辐射模式。在第二部分,我们现在使用的过滤器和天线性能,当连接到过滤器。

4.1。理想的过滤功能

电磁带隙天线设计的多点同时操作两个乐队-7.58 4.95 -5.05 GHz和7.42 GHz, 2双频滤波器操作每个频道内的乐队(表1),因此需要确保这些通道之间的隔离。电磁带隙天线的原理多点连接到过滤器如图12。

考虑到端口1在一频道C1和港口两个在通道两个C2,辐射模式结构的兴奋是由(端口1时9] 在哪里是辐射模式,获得端口1是兴奋和端口2加载时的匹配阻抗,反之亦然,的反射系数是在C2过滤操作,是两个相邻角之间的耦合操作在同一极化,然后呢电磁带隙天线的反射系数。

为了获取良好的辐射特性,过滤器必须管理耦合以建设性的方式。这就是为什么每个过滤器必须表现得像个CCE与特定阶段概要文件以外的操作。每个过滤器的理想带外阶段保证良好的辐射模式是由(9] 在哪里的反射系数相位滤波器在C2和操作是两个相邻角之间的耦合的阶段操作在同一极化。

在我们的例子中,每个过滤器的理想带外阶段呈现在图13,我们注意到一个斜坡上升140°和125°和,分别。然而,它是不可能实现匹配过滤器外乐队斜率上升阶段,这就是为什么过滤器的乐队下降斜率可以使用。

4.2。使用过滤器

正如前面解释了过滤器和一个外乐队斜率上升阶段被认为是不可能实现的目标。考虑到过滤器C1在一频道每个乐队和过滤器的C2在通道的两个每个乐队,每个通道的使用双频滤波器提出了一种带外理想的反射,人物14。

滤波器的频带的阶段C1的负斜率50°和60°和分别,一个过滤器C2 = 55°两频带;他们比较理想的概要图15。这些阶段概要文件可以得到真正的过滤器(10]。

图16显示了电磁带隙天线方向性的多点装入过滤器相比,使用一个天线连接过滤器和之前的一个monofeed天线。我们可以看到,使用过滤器,它提供了一个带外轮廓下坡的阶段,不改善天线性能,我们注意到一个最大的方向性1.5 8 dBi和dBi的减少和,分别。这是由于一个事实,即相位值的过滤器是远离这些理想的;在图15,我们可以注意到230°和150°的最大相位差在5.05 GHz和7.5 GHz,分别。

为了解决这个问题,波导长度相移添加过滤器输出和角之间的输入。相同的角是用来激发两个频段,必须使用相同的波导长度相移为两个频段转变阶段概要文件。在这种情况下,对于每一个通道,一个波导长度必须使用移相器。的相位差不同乐队的每个通道,滤波器的参数扫描位置已经完成为了定位提供最佳性能的最优位置为每个通道的方向性。人们已经发现,后面的过滤器C1应放置20毫米端口1为了获得最佳的性能在通道2。同样,背后的过滤器应该C2 41毫米端口2为了获得最佳的性能在通道1,如图17。

的新阶段位置使用过滤器相比,图中给出了理想的过滤器之一18。

4.3。系统性能

矩形波导长度现在添加到过滤器的输出,输入匹配矩形角为了提取系统的性能(天线+波导长度相移+过滤器)。

4.3.1。回波损耗

图19显示过滤器进料的反射系数的组合。可以注意到后者5 dBi和10−−之间dBi−7之间的乐队和dBi和−18 dBi在更高的一个渠道。

4.3.2。方向性

两个通道的方向性图中给出的两个频段20.相比,改进的多点结构连接过滤器之前,可以注意到。也可以看到,每个频道的方向性初也不是重建对于每个通道的结束,这是由于这一事实的带外阶段过滤器是滚离理想(见图18)。

4.3.3。辐射模式

重建的辐射模式E-plane呈现在图21,相比之前的频段和连接过滤器。辐射模式的半功率波束宽度大约是9°和11°和,分别。旁瓣水平总是低于−15 dBi最大的两个频段。

4.3.4。相位中心

随着电磁带隙天线双频应该用来喂养一个反射器天线,电磁带隙天线的相位中心必须是相同的两个频段。精确地定义相位中心的位置,可以使用几种方法(11]。相位中心被认为是允许的最小变化的参考点的远场辐射阶段定义的立体角内θ_年代。

图22显示了相位中心变化对乐队(4.95 - -5.05)GHz频率和GHz(7.45 - -7.6),我们注意到240毫米(4的一种变体λ₀)在第一个乐队和大约140毫米(3.5λ₀)在第二个乐队背后的平面图。这种变化的相位中心位置带来一些不便,如叶增加和反射器效率降低。

5。报道描述

5.1。反射器的描述

为了研究完整的系统的性能(filter-feed-reflector)电磁带隙双频天线放置在110毫米的反射器焦平面的前面。这个值是最优选择一个最小化相位中心变化的影响在两个频段为了最大化反射器天线的性能。研究了抵消反射器天线选择1.1F / D为了获得比multispot覆盖没有太多的相位畸变从而恶化其表演(图23)。

5.2。饲料效率

效率是一个重要的参数,描述一个反射器天线的性能。事实上,效率低,需要更多的力量输出的积极作用实现大地覆盖。反射器天线的效率可以写成一个产品不同的效率。每个人都是一个增益系数,它代表了一种反射器天线的损失。这种方法,经常使用(12),是一个很好的方法来评估每个因素的重要性和孤立的参数影响的总效率。反射器天线由于计算效率 在哪里,,,分别表达,溢出损失,提要锥形损失,极化损失,相位畸变的损失。

反射器的效率和频率的进化图上可以看到24。正如我们可以看到的,效率是较低的乐队在55%和67%之间和更高的乐队在67%和80%之间。对频带效率之间的差异是由于较低的旁瓣水平较高乐队(见图21)。

5.3。辐射模式

反射器天线的辐射模式下的电磁带隙双频天线nondefocused频段在图25。半功率波束宽度约0.7°的辐射模式和0.48°和,分别。旁瓣水平总是低于−18 dBi的频带。交叉极化水平总是比−33 dBi的两个频段。

5.4。转换端获得

所有点的曲线端获得对乐队和呈现在图26。它比42 dBi所需的规格在渠道除了几个景点在更高的乐队。

6。结论

在这篇文章中,一个电磁带隙双频天线用来喂养多点反射器天线提出了空间应用程序。提要扰乱辐射之间的相互耦合,因此需要使用过滤器来重建辐射特性和隔离通道。电磁带隙天线多点呈现相同的相位中心和主瓣的两个频段,允许它来养活一个反射器天线效率好。然后提出了一个过滤器进料系统性能增强。这个天线是适合一个反射器天线F / D比率为1.1。抵消反射器的结果由电磁带隙双频天线多点显示最大效率约为67%,这两个频段,分别。最大转换端更好地取得42 dBi的频段,除了几个点,电磁带隙天线可以作出一些改变在为了提高性能。另一方面,槽阵列可以被修改,以提高天线回波损耗。

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