波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)與天線設(shè)計(jì)

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(xué)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(fā)展，逐步產(chǎn)生了一門新的邊緣科學(xué)——高功率微波技術(shù)。高功率微波天線技術(shù)是高功率微波應(yīng)用中的一個重要環(huán)節(jié)，決定著能否將能量有效的輻射出去。但當(dāng)系統(tǒng)工作在毫米波及以上頻段時，由于基模系統(tǒng)損耗過大，傳統(tǒng)的基模波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)不再適用，本文將要介紹的波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)及天線的設(shè)計(jì)，很好的解決了這一問題，對增加系統(tǒng)功率容量，減小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)效率有重要意義。

2 波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)簡介

波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)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(jìn)行精確的引導(dǎo)，使其到達(dá)前端的天線并輻射出去［1］。波束波導(dǎo)天線特殊的結(jié)構(gòu)特性，決定了其可以通過鏡面的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)方位面與俯仰面的掃描。圖1為一典型的波束波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)示意圖［2］。

此天線的饋源為喇叭天線，其主波束經(jīng)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(zhuǎn)動裝置分別沿方位軸與俯仰軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)方位面與俯仰面的掃描。需要特別說明的是，當(dāng)借助波束波導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行天線旋轉(zhuǎn)時，極化方向會發(fā)生變化，因此在雷達(dá)中運(yùn)用時，只適合輻射和接收圓極化波。本文設(shè)計(jì)的天線應(yīng)用在高功率微波領(lǐng)域，不接收回波信號，因此可做成線極化形式。

圖1 波束波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)示意圖

3 饋源的設(shè)計(jì)

在高功率微波領(lǐng)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(dǎo)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(zhuǎn)換為易于空間發(fā)射的TE11、HE11模，或其他準(zhǔn)高斯模式，才能進(jìn)行波束波導(dǎo)傳輸［3］。

考慮到天線系統(tǒng)整體尺寸、后續(xù)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(zhǔn)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(tǒng)稱為Vlasov天線。其工作頻率為f0=94.5GHz，天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，遠(yuǎn)場仿真方向圖如圖3所示。

圖2 Vlasov天線結(jié)構(gòu)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(guān)系:

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

波束波導(dǎo)天線的饋源多采用波紋喇叭形式，因?yàn)榇祟愷佋吹妮椛洳ㄊ鴮ΨQ性好，交叉極化低，關(guān)于波紋喇叭輻射波束的高斯波束展開，可以參看參考文獻(xiàn)［4］。而關(guān)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(shù)，如果求得ω0，高斯波束的很多性質(zhì)就可以大致確定。由波束半徑ω的定義，結(jié)合饋源的仿真結(jié)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(dǎo)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由饋源的仿真結(jié)果可知，輻射功率的最大方向不在波導(dǎo)的軸線上，鑒于此，擬采用圖4所示六級反射面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4 六級反射面的波束波導(dǎo)天線

其工作原理為:Vlasov天線的斜出射波經(jīng)橢球鏡R1、R2的反射之后，主輻射方向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谒矫妫?jīng)后四級鏡面的反射到達(dá)前端的卡式天線。此設(shè)計(jì)方案中前兩級橢球面主要起調(diào)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(dǎo)波束的作用，同時通過引入轉(zhuǎn)動裝置，可使天線在水平方向及俯仰方向上進(jìn)行掃描。

實(shí)現(xiàn)掃描的具體過程可參看圖4，當(dāng)天線需要在方位面進(jìn)行掃描時，以方位軸為中心，轉(zhuǎn)動平面鏡M1及以上各個反射面，即可實(shí)現(xiàn)方位面掃描;當(dāng)天線需要在俯仰面進(jìn)行掃描時，以俯仰軸為中心，轉(zhuǎn)動M2及以上部分，即可實(shí)現(xiàn)俯仰面掃描，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)時擬采用與圖1所示類似的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

在波束波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，還需要保證波束經(jīng)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(tǒng)連調(diào)時，可將Vlasov天線直接作為卡式天線的饋源進(jìn)行測試與分析，方便系統(tǒng)調(diào)試。

具體到每個反射面的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)方案涉及到高功率，為進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)時，有一個有用的結(jié)論:當(dāng)Ri=R1，Re=R2時達(dá)到匹配，如圖5所示。

圖5 橢球面反射鏡幾何結(jié)構(gòu)

這表明當(dāng)入射波在反射鏡處的球面相位波前對應(yīng)的曲率半徑Ri與入射點(diǎn)和橢球面的反射鏡所在橢球幾何焦點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和出射點(diǎn)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(diǎn)和出射點(diǎn)，截取鏡面的形狀也不同。高斯波束經(jīng)鏡面的反射后，其輻射特性會發(fā)生變化，在設(shè)計(jì)時，需要對經(jīng)過鏡面反射之后的高斯波束的參數(shù)進(jìn)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(shù)不發(fā)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(xiàn)［4］。合理調(diào)整各個反射面參數(shù)，保證Vlasov天線經(jīng)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(shè)計(jì)。

將設(shè)計(jì)好的反射面，在仿真軟件QUAST建模并進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 波束波導(dǎo)在QUAST中的模型

6 反射面天線的設(shè)計(jì)

如前所述，波束波導(dǎo)系統(tǒng)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(jìn)行反射面設(shè)計(jì)。圖7所示的為Vlasov天線直接作為饋源時卡式天線的結(jié)構(gòu)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(jié)果及分析

將設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真分析，其遠(yuǎn)場方向圖分別如圖9、圖10所示，其中虛線為交叉極化，實(shí)線為主極化。

由仿真結(jié)果可得，天線遠(yuǎn)場方向圖對稱性較好，增益可達(dá)59.5dB，波束寬度為0.17°，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

8 仿真結(jié)果對比

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，決定將設(shè)計(jì)好的天線系統(tǒng)分別在HFSS和GRASP建模并仿真分析，并將仿真結(jié)果進(jìn)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(tǒng)放在HFSS中進(jìn)行仿真較難實(shí)現(xiàn)，所以本文選擇饋源加上前兩級反射面分別在GRASP和HFSS12中進(jìn)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(jié)果對比，其中虛線為GRASP仿真結(jié)果，實(shí)線為HFSS12的仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)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?yàn)?在GRASP中進(jìn)行仿真時，僅導(dǎo)入Vlasov天線遠(yuǎn)場的幾組切面數(shù)據(jù)的幅度值代表其遠(yuǎn)場，未充分考慮其相位特性。實(shí)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?qū)⒉粫@著影響后續(xù)波束波導(dǎo)系統(tǒng)的傳輸特性。

分析以上原因帶來的誤差，同時結(jié)合仿真結(jié)果，證明設(shè)計(jì)方案是準(zhǔn)確的，結(jié)果是真實(shí)可信的。

9 結(jié)論

本文結(jié)合工程需求，設(shè)計(jì)了一款適用于高功率微波傳輸?shù)牟ㄊ▽?dǎo)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(jìn)行變換，同時為了實(shí)現(xiàn)方位面與俯仰面的波束掃描，采用了六級反射面結(jié)構(gòu)。本文對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目的。文章最后將GRASP與HFSS12仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性與正確性。下一步工作的重點(diǎn)將對天線結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步研究，并進(jìn)行實(shí)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，F(xiàn)ebruary 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(wèi)，高功率微波軸對稱模式天線輻射技術(shù)研究［D］.國防科技大學(xué)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(zhǔn)光技術(shù)［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2010.