基于波束波導的毫米波波束掃描仿真研究

電子科技大學物理電子學院 張 溪 鄢 揚

1 引言

波束波導是指由一系列順序排列的曲面鏡和平面鏡構成的波導結構，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行低損耗遠距離的傳輸。常見的波束波導有透鏡型和反射鏡型兩大類。兩種類型的波束波導在不同頻段存在傳輸損耗的差異，透鏡型波束波導主要用于光波頻段，反射鏡型波束波導則多應用于毫米波和亞毫米波頻段[1,2]。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，實現方位面和俯仰面的波束掃描。

本文針對大功率毫米波回旋管輸出的HE11準高斯模式，設計了由兩面相同的拋物面鏡組成的波束波導系統，將束腰位于回旋管輸出窗的準高斯饋源傳輸變換至卡塞格倫天線的焦點位置，實現了94GHz大功率毫米波的低損耗長距離傳輸。在此基礎上對該雙反射面波束波導系統實現毫米波束的方位和俯仰掃描進行了仿真研究。

2 波束波導的設計

在毫米波頻段特別是毫米波高頻段，傳統的金屬波導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。采用聚束波束波導傳輸毫米波甚至亞毫米波卻具備損耗小、承載功率高等優點，波束波導對雙反射面天線饋電組成的波束波導天線通過波束波導鏡面的旋轉能夠實現波束的方位和俯仰掃描。

早期波束波導的分析和設計主要采用高頻電磁算法。進入八十年代，高斯波束理論廣泛用于分析和設計波束波導。

波束波導設計來實現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，高斯波束法設計波束波導的思路就是通過鏡面的組合實現束腰ω0不變但束腰位置發生變化，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系統。

圖1 波束波導實現毫米波波束傳輸

鏡面M1、M2是兩面鏡像對稱放置的拋物面鏡，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行鏡面設計的思路和針對ω01=16.6mm的94GHz毫米波的設計及試驗驗證效果，至于詳細的數學推導可參考相關文獻[4]。

按高斯束理論，束腰位置位于焦點F1附近的高斯束I經拋物面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。

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

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

對設計的波束波導采用GRASP軟件仿真得到的射線圖如圖4所示，由圖可見對稱鏡面M1、M2可以實現饋源位置的搬移，等效于毫米波波束傳輸了一段距離。

圖2 鏡面M1、M2對高斯束的“保形”變換

圖3 鏡面距離d與饋源位置z01的關系

圖4 GRASP軟件仿真的波束射線

3 波束掃描仿真研究

為了實現天線波束在方位軸與俯仰軸的自由運動，一般采用旋轉關節機構。但在3mm波段面對高功率容量，過模旋轉關節的設計遇到極大的困難，這時采用波束波導技術是一種可行的技術途徑。

對于如圖5的波束波導，鏡面M1保持不動，鏡面M2繞ZZ’旋轉，實現出射高斯波束III在方位面的旋轉。

圖5 鏡面M2旋轉φ=30°仿真示意圖

圖5 是鏡面M2沿ZZ’旋轉30°的仿真示意圖，仿真結果如圖6所示。

圖6 鏡面M2旋轉φ=30°輻射方向圖

由鏡面M2旋轉φ=30°后的方向圖可見，鏡面M2沿ZZ’旋轉φ=30°后，在Phi=90°的方向圖截面內，輻射波束指向轉動θ≈-30°，考慮到輻射方向圖坐標系的設置，即輻射波束轉動了φ’≈30°。仿真結果表明：鏡面M2機械掃描角度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，實現毫米波輻射波束在方位面的掃描。

波束波導系統實現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準的四面鏡波束波導系統。另外，也可以通過只轉動卡塞格倫天線的主反射面在略微犧牲天線系統增益的情況下近似實現俯仰面的掃描。

4 結束語

偏置角θ=90°的鏡像對稱雙拋物反射面組成的波束波導系統是復雜波束波導系統的基礎，它是解決大功率毫米波傳輸及波束掃描方面的有效技術途徑，文中介紹的波束波導系統已經過試驗驗證，達到預期效果。同時，波束波導系統在低波段如X波段超大功率微波的饋電及波束掃描系統中也得到成功應用[5]。

[1]段玉虎.波束波導饋電系統在深空探測天線應用中的關鍵技術研究[J].飛行器測控學報,2014,33(3):231-235.

[2]單娟,張鵬,付玉虎. 激光變焦擴束光學系統設計[J].光學與光電技術,2013,11(4):72-76.

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

[4]楊可忠.深空探測天線[M].北京:人民郵電出版社,2014.

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