双频双圆极化馈源设计及超材料在馈源中的应用研究

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卫星通信在现代社会中扮演着重要的角色,是现代信息社会组成部分中的重要一环。天线作为通信设备的接收和发射信号装置,其性能的好坏关乎着整个设备的性能优劣。对于反射面天线而言,馈源是核心部件,尤其是对于多频段工作的反射面天线,其性能严重依赖于馈源的性能。为了实现更大的通信容量,多频段馈源经常被采用,本文就在设计多频段馈源的基础上,加上双极化,使得通信容量再增大一倍,并采用了共口径的喇叭形式。本文首先设计了一款环焦天线,并对该反射面天线的馈源进行了加工测试,其可在K/Ka双频段以圆极化方式工作,工作频段为18.9GHz~19.1GHz和28.9GHz~29.1GHz。为了拓展通信容量,本文在该馈源指标的基础上,将工作频带拓宽至19.7GHz~21.2GHz和29.5GHz~31GHz,并采用双圆极化工作方式,理论上讲通信容量拓宽了15倍。在设计双频双极化馈源的过程中,为了克服双极化所带来的收发两个频段之间的匹配问题,提出了一种新型的OMT(正交模耦合器)结构,该结构采用对称的形式,减少了低频段耦合结构对高频段的影响,实现了收发四个端口的反射系数在-15dB以下。为了克服由于双圆极化馈源本身存在的同频隔离度低的缺点,设计了一个驻波系数很好的圆极化器,将同频隔离降到了-32dB以下。为了避免介质损耗而实现双频共口径的馈源设计,采用了Profiled波纹喇叭,其最终可以保持收发频段的相位稳定,在19.7GHz~21.2GHz和29.5GHz~31GHz的10dB波瓣宽度分别保持在65°~67°和60°~63°内。此外,超材料作为目前的热门研究对象,其应用领域之广泛,在喇叭和波导领域也有大量的应用。对于超材料在馈源中的应用场景,本文根据超材料的一些特殊性质,结合馈源中各个部件需要实现的功能,实现超材料和馈源结合的研究。本文探究了超材料在馈源中可能的应用场景:利用超材料对电磁波频率的选择性,可用作馈源中的滤波器,并加工测试验证了其滤波的特性;利用超材料对电磁波极化的选择性,可用作馈源中的极化器;基于透射阵和反射阵的思想,将超材料直接作用于喇叭的口径场实现口径场相位的调节。
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