一種雙極化收發(fā)分離的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)

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(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 北京 100191；3.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽合肥 230088)

0 引言

毫米波在深空探測、氣象測量和衛(wèi)星遙感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而常見的毫米波波導(dǎo)、波導(dǎo)耦合器、環(huán)行器和波導(dǎo)開關(guān)等器件損耗較大，不利于毫米波饋電傳輸[1-4]。波束波導(dǎo)傳輸毫米波具有損耗低、頻帶寬、易維護等諸多優(yōu)點。因此，采用波束波導(dǎo)饋電體制的饋電網(wǎng)絡(luò)具備明顯優(yōu)勢。谷勝明等設(shè)計了一種雙拋物面饋電的偏置卡塞格侖天線[5]；石俊峰等設(shè)計了一種波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)的反射面天線，該饋電系統(tǒng)由7個單向傳輸反射鏡組成[6]；段玉虎分析了波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)在深空探測天線應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題[7]；潘高峰等設(shè)計了一種3頻段波束波導(dǎo)饋電的卡塞格侖天線，并提供了各器件的設(shè)計思路和參數(shù)[8]。上述波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)均是單極化單向傳輸?shù)牟ㄊ▽?dǎo)饋電系統(tǒng)，難以實現(xiàn)雙極化發(fā)射/接收、收發(fā)分離的功能。同時，具備上述功能的波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)鮮有報道。為了滿足雷達系統(tǒng)對多功能波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，本文引入法拉第旋轉(zhuǎn)器，結(jié)合極化柵、平面鏡、曲面鏡設(shè)計了一種雙極化、收發(fā)分離的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)。

1 波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)工作原理

設(shè)計的雙極化收發(fā)分離的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)由饋源、平面反射鏡、曲面鏡、極化柵、法拉第旋轉(zhuǎn)器及天線副反射面組成，如圖1所示。

圖1 波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)原理圖

該饋電網(wǎng)絡(luò)分垂直極化發(fā)射/接收通道和水平極化發(fā)射/接收通道兩個部分，它們共用同一極化柵，饋電到天線副反射面。為了提高發(fā)射機可靠性，設(shè)置有備用發(fā)射機。

波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)中的平面鏡用于改變波束傳輸方向，曲面鏡不僅可改變波束傳輸方向還能調(diào)節(jié)出射波束形狀。極化柵是一種極化選擇性金屬線柵，對極化方向垂直于線柵朝向的極化波幾乎完全透過，對極化方向平行于線柵朝向的極化波則表現(xiàn)出強反射。法拉第旋轉(zhuǎn)器是由磁性材料制成的微波器件，通過其線性極化波極化方向會偏轉(zhuǎn)一定角度。此處使用的法拉第旋轉(zhuǎn)器在對應(yīng)頻段極化偏轉(zhuǎn)角為45°。

波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)工作原理如下：

1) 水平極化發(fā)射：發(fā)射機H發(fā)射45°線性極化波(設(shè)定電場水平向右為0°，順時針為負，逆時針為正)。波束由反射鏡改變方向透過-45°極化柵，接著通過45°法拉第旋轉(zhuǎn)器，極化方向順時針旋轉(zhuǎn)45°成為0°的水平極化波，然后透過90°極化柵到達天線副反射面。

2) 水平極化接收：回波經(jīng)天線副反射面到達90°極化柵，其中，水平極化分量通過90°極化柵進入水平接收通道，通過45°法拉第旋轉(zhuǎn)器后，極化方向順時針旋轉(zhuǎn)45°成為-45°線性極化波，經(jīng)過-45°極化柵，反射至H極化接收機。

3) 垂直極化發(fā)射/接收：與水平極化發(fā)射/接收原理相同。區(qū)別是發(fā)射機V發(fā)射的是-45°線性極化波。借助極化柵和法拉第旋轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)了共用副反射面和收發(fā)分離。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

基于圖1波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖，采用平面鏡，橢球鏡、極化柵、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙曲面鏡設(shè)計了W波段雙極化收發(fā)分離的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)。該饋電網(wǎng)絡(luò)及各器件相對位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2中，F(xiàn)eed_ht,Feed_hr,Feed_vt,Feed_vr分別為水平極化發(fā)射饋源、水平極化接收饋源、垂直極化發(fā)射饋源、垂直極化接收饋源；m_h,m_v為平面鏡。r_ht,r_hr,r_vt,r_vr為橢球鏡；bs_v,bs_h,bs為極化柵；load,load_h,load_v為吸波尖劈；rg為橢球鏡，rg_2為雙曲面鏡，二者作為天線副反射面可靈活調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)出射波束形狀。法拉第旋轉(zhuǎn)器只改變波束極化方向，不改變波束傳輸方向和形狀，加之其為磁性材料，在饋電系統(tǒng)仿真時未引入該器件。

饋電網(wǎng)絡(luò)包含4個傳輸通道：

1) 水平極化發(fā)射：Feed_ht→m_h→r_ht→bs_h→bs→rg→rg2；

2) 水平極化接收：rg2→rg→bs→bs_h→r_hr→Feed_hr；

3) 垂直極化發(fā)射：Feed_vt→m_v→r_vt→bs_v→bs→rg→rg2；

4) 垂直極化接收：rg2→rg→bs→bs_v→r_vr→Feed_vr。

圖2給出了水平極化接收通道波束傳輸路徑，圖中方形柵格對應(yīng)單元間距為20 mm，由此可以確定各器件之間的相對位置關(guān)系。

采用物理光學(xué)法，結(jié)合高斯波束理論，以反射鏡邊緣電平-20 dB為設(shè)計條件，確定了各器件的尺寸參數(shù)。饋源采用雙模圓錐喇叭，4個饋源喇叭完全相同，工作頻率為94.05 GHz，出射波束束腰半徑為4.5 mm。平面鏡m_h,m_v為方形金屬平面反射鏡，邊長均為30.6 mm。橢球鏡r_ht,r_hr,r_vt,r_vr是在同一橢球上截取的反射面，該橢球焦距為355.20 mm，入射點距離橢球兩焦點的距離分別為123.32 mm,333.10 mm，橢球鏡孔徑長度為137.60 mm。橢球鏡rg所在橢球的焦距為301.86 mm，入射點距離橢球兩焦點的距離分別為135.00 mm,270.00 mm，橢球鏡孔徑長度為61.72 mm。雙曲線面鏡rg_2所在雙曲線焦距為157.17 mm，入射點距離兩焦點的距離分別為138.59 mm,34.65 mm，雙曲面鏡孔徑長度為55.58 mm。極化柵bs,bs_v,bs_h均為方形，線柵的直徑為0.1 mm，線柵間距為0.3 mm，極化柵邊長依次為35.6 mm,55.0 mm,55.0 mm。吸波尖劈load,load_h,load_v均為正方形結(jié)構(gòu)，其邊長分別為34.7 mm,40.2 mm,40.2 mm。兩個法拉第旋轉(zhuǎn)器均為正方形，邊長為60 mm，放置在極化柵bs,bs_v和bs,bs_h中間。饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖3所示。

圖3 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型

3 結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

基于互易原理，接收通道驗證通過分析其發(fā)射狀態(tài)來替代。94.05 GHz時，波束波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射水平極化波、接收水平極化波、發(fā)射垂直極化波、接收垂直極化波仿真結(jié)果如圖4～7所示。

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖4發(fā)射水平極化波結(jié)果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖5接收水平極化波結(jié)果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖6發(fā)射垂直極化波結(jié)果

(a)主極化和交叉極化波瓣圖

(b)UV空間幅度分布

(c)UV空間相位分布圖7接收垂直極化波結(jié)果

為了滿足照射到大型反射面天線的饋電要求，波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)出射波束設(shè)計目標為-10 dB，照射電平波束寬度為50°，與對應(yīng)指標的理想高斯饋源比較結(jié)果如表1所示。理想高斯饋源出射波束是旋轉(zhuǎn)對稱的，其水平極化與垂直極化狀態(tài)波束特性一致。

表1 4個通道出射波束與理想高斯饋源比較結(jié)果

由仿真結(jié)果得知，波束波導(dǎo)出射的波束與理想高斯波束相似度很高，4個通道的波束外形十分接近，與理想高斯饋源相比，增益約減小0.5 dB，-10 dB照射電平波束寬度相差±1°，UV空間出射波束的幅度和相位特性良好，具備良好的電磁傳輸性能。

3.2 插入損耗分析

對于波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，其最大優(yōu)勢在于通道傳輸損耗低、受傳輸距離影響小。加工的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，該饋電網(wǎng)絡(luò)包含法拉第旋轉(zhuǎn)器，波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)使用工裝安裝固定在平整金屬底板上，并確保各器件波束傳輸主軸在同一平面上。

采用功率比較法測試饋電網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗，分別采集饋源喇叭和波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)平面近場分布，計算出相應(yīng)的總功率，波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)出射總功率比饋源喇叭出射總功率即為波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)通道的傳輸損耗。

圖8 波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)實物圖

測試4個通道的傳輸損耗如表2所示，測試頻帶為93～95 GHz。

表2 4個通道傳輸損耗測試結(jié)果

波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)主要損耗來源于法拉第旋轉(zhuǎn)器，該器件包含鐵氧體材料，具有一定的磁損耗。另外，因為鐵氧體材料介電常數(shù)較高，不利于傳輸阻抗匹配，存在失配損耗。反射鏡、極化柵均為金屬材料，損耗很小。

由表2可知，各通道損耗均小于2 dB，與傳統(tǒng)波導(dǎo)體制的饋電網(wǎng)絡(luò)相比，損耗要小得多。例如，WR-10波導(dǎo)在W波段的損耗為3.3 dB/m。

4 結(jié)束語

波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗與傳輸距離不成比例關(guān)系，非常適合遠距離電磁傳輸。波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)具有傳輸損耗低的優(yōu)點，特別適合作為X至W波段反射面天線的饋電系統(tǒng)。本文設(shè)計的雙極化收發(fā)分離波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，集成了垂直極化發(fā)射/接收和水平極化發(fā)射/接收四個通道，具備共用反射面天線和收發(fā)分離的功能，可作為雷達饋電系統(tǒng)。該饋電網(wǎng)絡(luò)出射波束一致性好、傳輸損耗低，具備較高的工程應(yīng)用價值。

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