電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 張 溪 鄢 揚(yáng)

1 引言

波束波導(dǎo)是指由一系列順序排列的曲面鏡和平面鏡構(gòu)成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以將饋源輻射的電磁波或反射面天線接收的電磁波通過聚束傳播的方式進(jìn)行低損耗遠(yuǎn)距離的傳輸。常見的波束波導(dǎo)有透鏡型和反射鏡型兩大類。兩種類型的波束波導(dǎo)在不同頻段存在傳輸損耗的差異，透鏡型波束波導(dǎo)主要用于光波頻段，反射鏡型波束波導(dǎo)則多應(yīng)用于毫米波和亞毫米波頻段[1,2]。波束波導(dǎo)天線特殊的結(jié)構(gòu)特性決定了其可以通過鏡面的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方位面和俯仰面的波束掃描。

本文針對(duì)大功率毫米波回旋管輸出的HE11準(zhǔn)高斯模式，設(shè)計(jì)了由兩面相同的拋物面鏡組成的波束波導(dǎo)系統(tǒng)，將束腰位于回旋管輸出窗的準(zhǔn)高斯饋源傳輸變換至卡塞格倫天線的焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了94GHz大功率毫米波的低損耗長距離傳輸。在此基礎(chǔ)上對(duì)該雙反射面波束波導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)毫米波束的方位和俯仰掃描進(jìn)行了仿真研究。

2 波束波導(dǎo)的設(shè)計(jì)

在毫米波頻段特別是毫米波高頻段，傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)和各類傳輸線都存在損耗過大，傳輸功率小以及加工成本高等缺陷。采用聚束波束波導(dǎo)傳輸毫米波甚至亞毫米波卻具備損耗小、承載功率高等優(yōu)點(diǎn)，波束波導(dǎo)對(duì)雙反射面天線饋電組成的波束波導(dǎo)天線通過波束波導(dǎo)鏡面的旋轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)波束的方位和俯仰掃描。

早期波束波導(dǎo)的分析和設(shè)計(jì)主要采用高頻電磁算法。進(jìn)入八十年代，高斯波束理論廣泛用于分析和設(shè)計(jì)波束波導(dǎo)。

波束波導(dǎo)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)大功率毫米波的低損耗傳輸，前面介紹毫米波回旋管輸出的毫米波波束可以用高斯波束來表征，高斯波束由束腰ω0和束腰位置唯一確定。因此，高斯波束法設(shè)計(jì)波束波導(dǎo)的思路就是通過鏡面的組合實(shí)現(xiàn)束腰ω0不變但束腰位置發(fā)生變化，束腰位置的變化就等效于波束被傳輸了一段距離。

如圖1所示，束腰位置在F1的高斯束經(jīng)過鏡面M1、M2的變換后，束腰位置變換到F1’，束腰ω0=16.6mm保持不變。因此，鏡面M1、M2組成的變換系統(tǒng)就等效于將毫米波波束從F1傳輸至F1’，鏡面M1、M2組成毫米波波束波導(dǎo)系統(tǒng)。

圖1 波束波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)毫米波波束傳輸

鏡面M1、M2是兩面鏡像對(duì)稱放置的拋物面鏡，其焦距、口徑尺寸完全一致。這里簡要介紹采用高斯束方法進(jìn)行鏡面設(shè)計(jì)的思路和針對(duì)ω01=16.6mm的94GHz毫米波的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證效果，至于詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]。

按高斯束理論，束腰位置位于焦點(diǎn)F1附近的高斯束I經(jīng)拋物面M1反射后成為沿主光軸傳播的高斯束II，高斯束II的束腰位置位于鏡面M1、M2之間，高斯束II的束腰ω02＞ω01,平行于主光軸的高斯束II入射到鏡面M2經(jīng)反射后形成垂直于主光軸的高斯束III，且高斯束III的束腰ω03＜ω02。

適當(dāng)選擇鏡面焦距f，通過配置入射高斯饋源束腰與焦點(diǎn)F的距離z01和雙鏡面的間距d可以實(shí)現(xiàn)束腰ω03=ω01，即實(shí)現(xiàn)了94GHz毫米波的保形傳輸。

如圖2是間距為d的鏡面M1、M2組合實(shí)現(xiàn)高斯束保形變換的示意圖，在滿足ω03=ω01前提下，按照相關(guān)公式計(jì)算出饋源位置z01與傳播距離的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)距離d=4f=800mm時(shí)，入射高斯饋源應(yīng)配置在鏡面焦點(diǎn)F1處，此時(shí)z01=0。

對(duì)設(shè)計(jì)的波束波導(dǎo)采用GRASP軟件仿真得到的射線圖如圖4所示，由圖可見對(duì)稱鏡面M1、M2可以實(shí)現(xiàn)饋源位置的搬移，等效于毫米波波束傳輸了一段距離。

圖2 鏡面M1、M2對(duì)高斯束的“保形”變換

圖3 鏡面距離d與饋源位置z01的關(guān)系

圖4 GRASP軟件仿真的波束射線

3 波束掃描仿真研究

為了實(shí)現(xiàn)天線波束在方位軸與俯仰軸的自由運(yùn)動(dòng)，一般采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。但在3mm波段面對(duì)高功率容量，過模旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)遇到極大的困難，這時(shí)采用波束波導(dǎo)技術(shù)是一種可行的技術(shù)途徑。

對(duì)于如圖5的波束波導(dǎo)，鏡面M1保持不動(dòng)，鏡面M2繞ZZ’旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)出射高斯波束III在方位面的旋轉(zhuǎn)。

圖5 鏡面M2旋轉(zhuǎn)φ=30°仿真示意圖

圖5 是鏡面M2沿ZZ’旋轉(zhuǎn)30°的仿真示意圖，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 鏡面M2旋轉(zhuǎn)φ=30°輻射方向圖

由鏡面M2旋轉(zhuǎn)φ=30°后的方向圖可見，鏡面M2沿ZZ’旋轉(zhuǎn)φ=30°后，在Phi=90°的方向圖截面內(nèi)，輻射波束指向轉(zhuǎn)動(dòng)θ≈-30°，考慮到輻射方向圖坐標(biāo)系的設(shè)置，即輻射波束轉(zhuǎn)動(dòng)了φ’≈30°。仿真結(jié)果表明：鏡面M2機(jī)械掃描角度φ與波束掃描角度φ’是一致的。這樣就可以將鏡面M2和卡塞格倫天線的主副面固定在一起繞ZZ’旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)毫米波輻射波束在方位面的掃描。

波束波導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)俯仰面波束掃描的原理與方位面掃描類似，不同的是需要另外附加兩面平面鏡組成標(biāo)準(zhǔn)的四面鏡波束波導(dǎo)系統(tǒng)。另外，也可以通過只轉(zhuǎn)動(dòng)卡塞格倫天線的主反射面在略微犧牲天線系統(tǒng)增益的情況下近似實(shí)現(xiàn)俯仰面的掃描。

4 結(jié)束語

偏置角θ=90°的鏡像對(duì)稱雙拋物反射面組成的波束波導(dǎo)系統(tǒng)是復(fù)雜波束波導(dǎo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是解決大功率毫米波傳輸及波束掃描方面的有效技術(shù)途徑，文中介紹的波束波導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期效果。同時(shí)，波束波導(dǎo)系統(tǒng)在低波段如X波段超大功率微波的饋電及波束掃描系統(tǒng)中也得到成功應(yīng)用[5]。

[1]段玉虎.波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)在深空探測(cè)天線應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2014,33(3):231-235.

[2]單娟,張鵬,付玉虎. 激光變焦擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù),2013,11(4):72-76.

[3]竇文斌.毫米波準(zhǔn)光理論與技術(shù)(第二版)[M].北京: 高等教育出版社,2006.

[4]楊可忠.深空探測(cè)天線[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[5]章勇華,楊志強(qiáng),李平,等.三鏡波束波導(dǎo)在高功率微波天線中的應(yīng)用[J].強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(2):131-134.