波束波導傳輸系統與天線設計

石俊峰 馬漢清 趙交成

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著科學及軍事研究對高功率、高頻率微波源的需求，促使以電子回旋管為代表的高功率微波源不斷發展，逐步產生了一門新的邊緣科學——高功率微波技術。高功率微波天線技術是高功率微波應用中的一個重要環節，決定著能否將能量有效的輻射出去。但當系統工作在毫米波及以上頻段時，由于基模系統損耗過大，傳統的基模波導傳輸系統不再適用，本文將要介紹的波束波導傳輸系統及天線的設計，很好的解決了這一問題，對增加系統功率容量，減小系統體積，提高系統效率有重要意義。

2 波束波導傳輸系統簡介

波束波導傳輸系統將一系列的平面鏡和曲面鏡按一定的位置排列，對饋源的輻射波束沿指定路徑進行精確的引導，使其到達前端的天線并輻射出去［1］。波束波導天線特殊的結構特性，決定了其可以通過鏡面的轉動，實現方位面與俯仰面的掃描。圖1為一典型的波束波導天線結構示意圖［2］。

此天線的饋源為喇叭天線，其主波束經四級鏡面反射之后通過前端的卡式天線輻射出去。如圖1所示，可通過兩級轉動裝置分別沿方位軸與俯仰軸旋轉以實現方位面與俯仰面的掃描。需要特別說明的是，當借助波束波導系統進行天線旋轉時，極化方向會發生變化，因此在雷達中運用時，只適合輻射和接收圓極化波。本文設計的天線應用在高功率微波領域，不接收回波信號，因此可做成線極化形式。

圖1 波束波導天線結構示意圖

3 饋源的設計

在高功率微波領域，以回旋管為代表的許多微波源的輸出波模式多為圓波導軸對稱模，如TE01模。這種模式的輻射方向圖成空心圓錐狀，不適合直接作為天線激勵。為了使天線具有較高的定向輻射特性，必須通過模式變換器將其轉換為易于空間發射的TE11、HE11模，或其他準高斯模式，才能進行波束波導傳輸［3］。

考慮到天線系統整體尺寸、后續加工及功率容量等問題，決定采用Vlasov輻射器［3］作為模式變換器，將微波源的輸出模變換為準高斯模。為使其E面和H面波束等化，在其上方添加了一級反射面，將Vlasov輻射器及此反射面統稱為Vlasov天線。其工作頻率為f0=94.5GHz，天線的結構如圖2所示，遠場仿真方向圖如圖3所示。

圖2 Vlasov天線結構示意圖

圖3 Vlasov天線仿真方向圖

4 饋源的等效高斯波束分析

高斯波束在傳播過程中，大部分能量集中在傳播軸附近，其橫向上的幅度是變化的，且符合高斯分布［4］。高斯波束在近軸近似條件下的基模為:

式中ω為波束半徑，定義為幅度下降為1/e處的位置;在z=0處，高斯波束的波束半徑最小，用ω0表示，定義為束腰。下面列出高斯波束幾個重要參量之間的相互關系:

式中，R為高斯波束波前曲率半徑;θ0為在遠場的極限條件下，波束半徑增大的漸近角。

波束波導天線的饋源多采用波紋喇叭形式，因為此類饋源的輻射波束對稱性好，交叉極化低，關于波紋喇叭輻射波束的高斯波束展開，可以參看參考文獻［4］。而關于Vlasov天線輻射波束的高斯波束展開，目前還沒有成熟的方法，但由式(2)、(3)、(4)，可知束腰ω0為高斯波束的核心參數，如果求得ω0，高斯波束的很多性質就可以大致確定。由波束半徑ω的定義，結合饋源的仿真結果，可得Vlasov天線的波束半徑增大的漸近角θ0≈5°，又饋源的工作頻率為 f0=94.5GHz，可得 λ=c/f0=3.17mm，由式(4)，可得:

即Vlasov天線的等效束腰半徑為11.5mm。

5 波束波導傳輸系統設計

由饋源的仿真結果可知，輻射功率的最大方向不在波導的軸線上，鑒于此，擬采用圖4所示六級反射面結構，結構尺寸如圖4所示。

圖4 六級反射面的波束波導天線

其工作原理為:Vlasov天線的斜出射波經橢球鏡R1、R2的反射之后，主輻射方向轉變為垂直于水平面，經后四級鏡面的反射到達前端的卡式天線。此設計方案中前兩級橢球面主要起調整波束傳播方向的作用，后四級反射面(平面鏡M1、M2及橢球鏡R3、R4)起引導波束的作用，同時通過引入轉動裝置，可使天線在水平方向及俯仰方向上進行掃描。

實現掃描的具體過程可參看圖4，當天線需要在方位面進行掃描時，以方位軸為中心，轉動平面鏡M1及以上各個反射面，即可實現方位面掃描;當天線需要在俯仰面進行掃描時，以俯仰軸為中心，轉動M2及以上部分，即可實現俯仰面掃描，結構實現時擬采用與圖1所示類似的機械結構。

在波束波導傳輸系統設計時，還需要保證波束經過最后一級反射鏡M2出射后，其波束特性與Vlasov天線的特性基本一致，這樣在系統連調時，可將Vlasov天線直接作為卡式天線的饋源進行測試與分析，方便系統調試。

具體到每個反射面的設計，只需確定其尺寸與形狀。對于反射面的尺寸，通常選取鏡面半徑為鏡面處入射高斯波束半徑的兩倍，這樣可以保證98%以上的能量被反射［4］。由于本設計方案涉及到高功率，為進一步減小衍射，所選取鏡面的半徑略大于波束半徑的兩倍。對于平面鏡來說，其尺寸確定以后整個設計就完成了，而橢球鏡既要考慮鏡面的尺寸，還要考慮鏡面的形狀。在對橢球鏡進行設計時，有一個有用的結論:當Ri=R1，Re=R2時達到匹配，如圖5所示。

圖5 橢球面反射鏡幾何結構

這表明當入射波在反射鏡處的球面相位波前對應的曲率半徑Ri與入射點和橢球面的反射鏡所在橢球幾何焦點F1之間的R1相等，同時Re與橢球面反射鏡光心和橢球另一個幾何焦點F2之間的距離R2也相等時，入射波束與出射波束匹配。本文選擇所有橢球面鏡的R1=R2，通過高斯波束展開，選擇橢球鏡的入射點和出射點之后，橢球面就可用圓柱體或圓錐體截取橢球體的方法獲得，需要說明的是，選擇不同的入射點和出射點，截取鏡面的形狀也不同。高斯波束經鏡面的反射后，其輻射特性會發生變化，在設計時，需要對經過鏡面反射之后的高斯波束的參數進行研究。對于平面鏡，高斯波束反射后只改變傳播方向，其他參數不發生改變;對于橢球鏡，高斯波束反射后的傳播情況，可以等效為透鏡處理，具體方法可參閱參考文獻［4］。合理調整各個反射面參數，保證Vlasov天線經六級反射面之后的出射束腰與其束腰近似相等，就完成了六級反射面的設計。

將設計好的反射面，在仿真軟件QUAST建模并進行優化，如圖6所示。

圖6 波束波導在QUAST中的模型

6 反射面天線的設計

如前所述，波束波導系統輸出波束與Vlasov天線基本一致，因此，可以直接將Vlasov天線作為卡式天線的饋源進行反射面設計。圖7所示的為Vlasov天線直接作為饋源時卡式天線的結構示意圖。此天線采用的為偏饋形式，主面焦距為1.8m，直徑為1.2m，副面直徑為0.29m，Vlasov天線位于圖中饋源所示位置。

圖7 Vlasov天線作為饋源的卡式天線

7 仿真結果及分析

將設計好的反射面在 QUAST建模，并在GRASP下生成立體模型，見圖8所示。

將生成的模型進行仿真分析，其遠場方向圖分別如圖9、圖10所示，其中虛線為交叉極化，實線為主極化。

由仿真結果可得，天線遠場方向圖對稱性較好，增益可達59.5dB，波束寬度為0.17°，基本達到了設計要求。

8 仿真結果對比

為了驗證設計的正確性，決定將設計好的天線系統分別在HFSS和GRASP建模并仿真分析，并將仿真結果進行對比。考慮到在HFSS中仿真電大尺寸的反射面天線所需硬件較高，所需時間較長，如將整個天線系統放在HFSS中進行仿真較難實現，所以本文選擇饋源加上前兩級反射面分別在GRASP和HFSS12中進行了仿真。圖11、圖12、圖13分別為兩者在不同切面處的仿真結果對比，其中虛線為GRASP仿真結果，實線為HFSS12的仿真結果。

由仿真結果的對比可知，兩種算法算得的前兩級反射面出射波束方向圖基本吻合，只有兩主波束的指向略有差異。分析原因為:在GRASP中進行仿真時，僅導入Vlasov天線遠場的幾組切面數據的幅度值代表其遠場，未充分考慮其相位特性。實際上，由于前兩級反射面的口徑均滿足-30dB邊緣照射條件，因此前兩級出射波束的指向將不會顯著影響后續波束波導系統的傳輸特性。

分析以上原因帶來的誤差，同時結合仿真結果，證明設計方案是準確的，結果是真實可信的。

9 結論

本文結合工程需求，設計了一款適用于高功率微波傳輸的波束波導天線。考慮到高功率微波源輸出波模式不適合作為天線的激勵使用，使用了Vlasov天線對輸出波模式進行變換，同時為了實現方位面與俯仰面的波束掃描，采用了六級反射面結構。本文對設計方案進行了仿真分析，結果達到設計目的。文章最后將GRASP與HFSS12仿真結果進行了比較，發現兩者吻合較好，驗證了設計的合理性與正確性。下一步工作的重點將對天線結構作進一步研究，并進行實物加工及測量。

［1］William.A.Imbriale.Design and applications of beam waveguide systems［C］.Aerospace Conference，1997.Proceedings，IEEE.Vol.AP-21，February 1973.

［2］Brent Toland，Alon S.Barlevy，William M.Hughes and Dan R.Johnson.Novel Three-Axis Beam Waveguide Feed for Space-Based Millimeter-Wave Applications［J］.IEEE Transactions On Antennas And Propagation，1997，45(6).

［3］袁成衛，高功率微波軸對稱模式天線輻射技術研究［D］.國防科技大學研究生院碩士論文，2002.

［4］俞俊生、陳曉東，毫米波與亞毫米波準光技術［M］.北京:北京郵電大學出版社，2010.