星載太赫茲輻射計天線系統(tǒng)設計與分析

劉佳　張新剛　周衛(wèi)來　張明濤　梁云

(中國空間技術研究院西安分院,西安 710100)

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星載太赫茲輻射計天線系統(tǒng)設計與分析

劉佳張新剛周衛(wèi)來張明濤梁云

(中國空間技術研究院西安分院,西安 710100)

摘要設計了一套星載太赫茲輻射計天線系統(tǒng),分別由偏置大口徑卡塞格倫反射面天線和前端準光學饋電網(wǎng)絡組成,可以實現(xiàn)300 GHz、380 GHz和425 GHz三個頻率通道同步接收電磁波輻射信號.詳細介紹了準光學饋電網(wǎng)絡的設計原理以及饋電組件的設計過程,通過仿真分析可以驗證饋電網(wǎng)絡的輸出參數(shù)完全滿足設計指標要求.還介紹了太赫茲輻射計天線模型的建立過程,通過分析并計算各頻率通道的遠場輻射特性,結果表明:天線系統(tǒng)具有高增益、高隔離度等良好的輻射特性,其主要電性能參數(shù),如主波束效率、交叉極化水平等,明顯優(yōu)于其他輻射計系統(tǒng)參數(shù),有效地驗證了該天線系統(tǒng)設計方案的合理性與可行性.

關鍵詞反射面天線；準光學饋電網(wǎng)路；極化線柵；頻率選擇表面；遠場輻射方向圖

引言

星載太赫茲輻射計天線系統(tǒng)是輻射計載荷重要的接收部件,主要用于被動接收來自地球表面電磁波輻射能量,其工作中心頻率主要在100 GHz～10 THz的太赫茲頻段[1].天線系統(tǒng)的輻射性能指標參數(shù)直接影響著輻射計的探測能力,然而由于太赫茲頻段的輻射頻率較高,波長尺度相對較小,天線饋電系統(tǒng)使用傳統(tǒng)波導、微帶傳輸線等微波器件時遇到器件尺寸過小、插入損耗過大,以及承載功率偏低等技術瓶頸.為了克服這些缺陷,輻射計天線常采用自由空間饋電的方式,即準光學饋電網(wǎng)絡[2-3],由一系列的光學反射器、頻率分離器、極化分離器,以及喇叭饋源級聯(lián)組成的多個自由空間光學饋電通道,通過固面天線可以實現(xiàn)多頻段、多極化工作,目前國際上已經(jīng)有多顆衛(wèi)星實現(xiàn)搭載該頻段輻射計開展空間探測任務[4-5].

本文設計了一套太赫茲輻射計天線系統(tǒng),由大口徑反射面天線和準光學饋電網(wǎng)絡組成,可以實現(xiàn)300 GHz、380 GHz和425 GHz三個頻率通道同步接收電磁波輻射信號.其中300 GHz頻率通道為典型大氣窗口,用來作為測量參考通道,380 GHz和425 GHz頻率通道分別用于測量地球表面大氣濕度和溫度分布[6].通過對天線系統(tǒng)以及饋電組件進行仿真建模和分析計算,考察了各頻率通道的遠場輻射特性,仿真計算結果表明該天線系統(tǒng)具備非常良好的工作特性,完全滿足星載輻射計的應用需求.

1天線系統(tǒng)模型設計

太赫茲輻射計天線主要由反射面天線和準光學饋電網(wǎng)絡組成,其中反射面天線采用偏饋式卡塞格倫反射面天線結構,主反射面為標準拋物面,第一副反射面為標準雙曲面,第二副反射面為平面反射面.為了獲得高于20 km的遙感和成像分辨率,天線主反射面設計為3 m入射孔徑.準光學饋電網(wǎng)絡采用3通道自由空間饋電結構,用于接收和分離入射到反射面天線的電磁波信號.

根據(jù)星載輻射計的遙感應用需求,天線系統(tǒng)需具備高增益、高隔離度,以及線極化工作狀態(tài),主要參數(shù)設計指標如表1所示.

表1　天線系統(tǒng)主要參數(shù)設計指標

輻射計天線系統(tǒng)主反射面首先接收到來自地球表面大氣的電磁波信號,然后先后經(jīng)過第一副反射面和第二副反射面輸入準光學饋電網(wǎng)絡,經(jīng)過頻率分離最后由相應通道的饋源接收.天線系統(tǒng)仿真模型設計示意圖如圖1所示.

圖1　天線系統(tǒng)仿真模型設計示意圖

2準光學饋電網(wǎng)絡模型設計

準光學饋電網(wǎng)絡是輻射計天線系統(tǒng)實現(xiàn)多頻率、多極化工作的核心組件,饋電網(wǎng)絡的設計直接決定天線系統(tǒng)的輻射性能.本節(jié)將詳細介紹饋電網(wǎng)絡的空間布局設計、極化線柵設計,以及頻率選擇表面設計等.

2.1饋電網(wǎng)絡的空間布局設計

準光學饋電網(wǎng)絡采用3通道多工器饋電結構,首先利用極化線柵對接收到的電磁波信號進行極化分離,其中380 GHz頻率水平極化分量信號完全反射,300 GHz頻率和425 GHz頻率垂直極化分量信號完全透過,線柵分布方向為水平方向.然后利用頻率選擇表面對垂直極化分量信號進行高通濾波,其中300 GHz頻率信號完全反射,425 GHz頻率信號完全透過,最后各頻率信號由相應通道喇叭饋源進行接收.準光學饋電網(wǎng)絡設計方案與仿真模型示意圖如圖2所示,圖中饋源1、饋源2、饋源3分別為300 GHz頻率、380 GHz頻率、425 GHz頻率接收饋源.

在仿真設計過程中,為了保證天線系統(tǒng)實現(xiàn)無偏焦狀態(tài),饋電網(wǎng)絡的三個頻率通道的相位中心位置重合,且該位置正好也是反射面天線系統(tǒng)的相位中心位置[7].

(a) 饋電網(wǎng)絡頻率分離設計

(b) 饋電網(wǎng)絡仿真模型設計圖2　饋電網(wǎng)絡設計方案與仿真模型示意圖

饋電網(wǎng)絡中各傳輸元件,如極化線柵、頻率選擇表面、橢球面反射鏡、平面鏡等均采取較小的波束入射角布局,有利于提高系統(tǒng)的交叉極化水平[8],考慮到空間布局的緊湊性,極化線柵和平面鏡采取45°波束入射,頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces, FSS)和橢球面反射鏡采取22.5°波束入射.

2.2極化線柵設計

極化線柵是饋電網(wǎng)絡中進行極化分離的核心部件[9],其結構是一種平面周期結構,由等間隔的金屬細絲平行排列而成,其工作原理示意圖如圖3所示.

圖3　極化線柵工作原理示意圖

如圖3所示,入射波束中與線柵方向平行的極化分量完全反射,與線柵方向垂直的極化分量完全透過,其極化分離特性主要由線柵的結構參數(shù)(間距s和直徑d)以及入射波束的工作波長λ共同決定.

極化線柵的HFSS仿真模型如圖4所示,可以利用Floquet端口激勵方式進行仿真計算,通過考察S參數(shù)可以獲取線柵的極化分離特性.

通過仿真計算,當線柵間距和直徑分別為0.084 mm和0.023 mm時,極化線柵表現(xiàn)出最優(yōu)的極化分離特性,仿真結果如圖5所示.

圖4　極化線柵單元的HFSS仿真模型

(a) 垂直極化分量的傳輸特性

(b) 水平極化分量的反射特性圖5　極化線柵的HFSS仿真結果

由圖5中所示,入射波束經(jīng)過線柵表面,其垂直極化分量的傳輸損耗小于0.02 dB,水平極化分量的傳輸損耗大于24 dB,即該結構線柵在其有效帶寬280～440 GHz范圍內(nèi)的極化透過率和反射率均可以達到99.5%以上.仿真結果表明,該極化線柵進行極化分量分離的過程中,具有非常高的極化隔離度,且不會引入較大的插入損耗.

2.3頻率選擇面設計

FSS是饋電網(wǎng)絡中實現(xiàn)頻率分離的核心部件,由大量相同周期單元排列組成的平面結構,不同結構單元形式可以分別實現(xiàn)高通、低通、帶通等頻率濾波特性[10].根據(jù)饋電網(wǎng)絡中的頻率分離方案,需要將300 GHz和425 GHz頻率信號有效分離,設計中采取高通濾波器的結構形式,為了進一步減小插入損耗,FSS選取圓形穿孔單層平板結構形式,單元周期采用六邊形排列方式[11],頻率選擇表面的HFSS仿真模型如圖6所示.

(a) FSS單元排列方式

(b) FSS單元模型圖6　FSS單元的HFSS仿真模型

通過計算S參數(shù)可以獲得頻率選擇表面的濾波特性,仿真結果如圖7所示,當周期單元間隔和圓形穿孔直徑分別為0.58 mm和0.44 mm時,可以表現(xiàn)出最優(yōu)的頻率濾波特性.

由圖7中仿真計算結果可以明顯看出：該FSS結構對于300 GHz頻率信號具有非常高的反射率,其傳輸損耗可以達到25 dB以上;而對于425 GHz頻率信號具有非常高的傳輸率,其傳輸損耗在0.05 dB以下.仿真結果表明,該頻率選擇表面在饋電過程中具有良好的高通濾波特性,可以獲得極高的頻率隔離度,且不會引入較大的插入損耗.

圖7　FSS的HFSS仿真結果

3天線仿真與分析

3.1分析計算方法

為了有效驗證設計方案的合理性和可行性,需要對天線仿真模型的遠場輻射特性進行高精度的分析計算和實驗相關測試,其中分析計算方法采用物理光學算法(PO算法),這種算法是一種近似算法,可以快速計算每一個反射器表面的感應電流,通過進一步分析計算,可以獲得天線系統(tǒng)相應通道的遠場輻射特性[12].

根據(jù)Collin公式,反射體表面的輻射場可以通過表面感應電流或者等效電流計算可得:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: Ae和Am分別為電場矢勢和磁場矢勢; Je和Jm分別為感應電流和感應磁流;ω為角頻率；B為反射面感應區(qū)間;ε和μ分別為介電常數(shù)和磁導率,定義ξ為自由空間阻抗常數(shù):

(5)

當R→∞時的輻射電磁場為反射體表面的輻射遠場,根據(jù)公式(1)～(5),計算可得:

Efar =limR→∞[E(r')kRexp(jkR)]

(6)

r′)k2ds′.

(7)

3.2饋電網(wǎng)絡仿真結果

根據(jù)圖2中饋電網(wǎng)絡的仿真模型,喇叭饋源輸出為標準高斯波束,依次分別計算每個反射表面的感應電流,可以獲得各頻率通道的遠場輻射特性,仿真計算結果如圖8所示.

(a) 300 GHz通道遠場輻射方向圖

(b) 380 GHz通道遠場輻射方向圖

(c) 425 GHz通道遠場輻射方向圖圖8　饋電網(wǎng)絡各頻率通道遠場輻射特性

饋電網(wǎng)絡的3個頻率通道輸出主極化波束輪廓均表現(xiàn)出良好的高斯特性,副瓣電平可以達到-50dB以下.饋電網(wǎng)絡主要電性能具體參數(shù)仿真結果如表2所示.從表2中所統(tǒng)計的饋電網(wǎng)絡主要電仿真參數(shù)仿真結果可以明顯看出,3個頻率通道的照射半張角與表1中設計要求基本一致,最大偏差約為0.03°.此外,饋電網(wǎng)絡輸出也表現(xiàn)出非常高的交叉極化水平,交叉極化電平可以達到-36dB以下,其中425GHz的最大交叉極化電平達到了-50dB,該仿真結果明顯優(yōu)于其他準光學饋電網(wǎng)絡的設計結果[13].

表2　準光學饋電網(wǎng)絡主要電性能仿真結果

3.3天線系統(tǒng)仿真結果

在饋電網(wǎng)絡仿真結果的基礎上,進一步添加反射面天線的仿真分析,考察天線系統(tǒng)各頻率通道遠場輻射特性,其仿真結果如圖9所示.

由圖9仿真結果可以明顯看出,天線系統(tǒng)輸出主極化波束輪廓均表現(xiàn)出良好的高斯特性, 表3中所統(tǒng)計的天線系統(tǒng)300GHz、380GHz、425GHz三個頻率輸出波束寬度分別為0.027°、0.042°、0.035°,交叉極化分別低于-37dB、-42dB、-50dB,仿真結果完全滿足表1中的設計要求.此外,該輻射計天線系統(tǒng)表現(xiàn)出非常良好的輻射特性,主要電性能參數(shù),如主波束效率、方向性系數(shù)最大分別可達到99%、77.5dBi以上,仿真結果明顯優(yōu)于其他太赫茲輻射計天線系統(tǒng)的設計結果[14],完全滿足輻射計在軌應用需求.其中,300GHz頻率通道的方向性系數(shù)要略高于其他兩個高頻通道,原因在于饋電網(wǎng)絡不同頻率通道的設計指標要求不同,300GHz頻率通道的天線口面利用效率要略高于其他兩個高頻通道.

(a) 300 GHz通道遠場輻射方向圖

(b) 380 GHz通道遠場輻射方向圖

(c) 425 GHz通道遠場輻射方向圖圖9　天線各頻率通道遠場輻射特性

頻率/GHz波束寬度/(°)交叉極化/dB方向性系數(shù)/dBi主波束效率/%3000.027-3777.598.763800.042-4273.299.024250.035-5074.698.52

4結論

本文設計了一套多通道太赫茲輻射計天線系統(tǒng),該系統(tǒng)由大口徑反射面天線和準光學饋電網(wǎng)絡組成,通過對天線系統(tǒng)進行建模仿真和優(yōu)化計算,結果表明天線系統(tǒng)具有高增益、高隔離度等良好的遠場輻射特性,其主要電性能參數(shù),如主波束效率、交叉極化水平等仿真結果明顯優(yōu)于其他輻射計設計結果,有效地驗證了該天線系統(tǒng)設計方案的合理性和可行性,對于進一步研制太赫茲輻射計天線提供了有力的技術保證.

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Design and analysis of the terahertz radiometer antenna system on satellite

LIU JiaZHANG XingangZHOU WeilaiZHANG MingtaoLIANG Yun

(ChinaAcademyofSpaceTechnology,Xi’an710100,China)

AbstractWe designed a terahertz radiometer antenna which is composed of an off-set Cassegrain reflector antenna system and quasi-optical feed network. This antenna system can respectively receive the electromagnetic signals at the frequency of 300 GHz, 380 GHz, and 425 GHz. Firstly, the operational principle of feed network and quasi-optical components is analyzed in detail. The simulated results of feed network are satisfied with the requirements for antenna system. Secondly, the whole antenna system of radiometer is discussed and the far-field radiation pattern of each frequency range is calculated. The results are well demonstrated that the radiometer antenna system has good performances in high gain, high beam efficiency, and high cross-polar level, which are much better than other systems. Lastly, the feasibility and rationality of this radiometer antenna system are well proved.

Keywordsreflector antenna; quasi-optical network; polarized wires; frequency selective surface; far-field radiation pattern

收稿日期：2015-05-07

中圖分類號V414

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0406-07

DOI10.13443/j.cjors.2015050701

作者簡介

劉佳(1985-),男,陜西人,博士,中國空間技術研究院西安分院工程師,主要從事毫米波與亞毫米波天線分析和設計等方面的研究工作.

張新剛(1980-),男,河北人,博士,中國空間技術研究院西安分院高級工程師,主要從事星載多波束天線、賦形天線優(yōu)化設計方面的研究工作.

周衛(wèi)來(1983-),男,安徽人,碩士,中國空間技術研究院西安分院高級工程師,主要從事星載天線的設計與研究工作.

劉佳, 張新剛, 周衛(wèi)來, 等. 星載太赫茲輻射計天線系統(tǒng)設計與分析[J]. 電波科學學報,2016,31(2):406-412. DOI: 10.13443/j.cjors.2015050701

LIU J, ZHANG X G, ZHOU W L, et al. Design and analysis of the terahertz radiometer antenna system on satellite[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):406-412. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015050701

聯(lián)系人： 劉佳 E-mail：liuj_504@126.com