基于波束波導(dǎo)的毫米波波束掃描仿真研究

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(guò)聚束傳播的方式進(jìn)行低損耗遠(yuǎn)距離的傳輸。常見(jiàn)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(jiàn)，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(jiàn)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(guò)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(jiàn)，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(guò)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(yǔ)

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(guò)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.