平面近場(chǎng)測(cè)試高斯波束束腰半徑的方法

陳 謙,金謀平,汪 偉,李 佩,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

0 引言

毫米波波束波導(dǎo)、反射面天線等準(zhǔn)光學(xué)器件裝置在深空探測(cè)、氣象測(cè)量和衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。毫米波準(zhǔn)光學(xué)器件裝置的出射波束近似高斯分布,可利用高斯波束理論來(lái)指導(dǎo)器件裝置設(shè)計(jì)、加工、安裝、測(cè)試。束腰半徑作為高斯波束最重要的參數(shù),其測(cè)試十分關(guān)鍵。毫米波準(zhǔn)光學(xué)頻段波長(zhǎng)很短,對(duì)測(cè)試裝置、設(shè)備精度要求很高。據(jù)報(bào)道,測(cè)試束腰半徑的方法主要有掃描狹縫法[4-5]、刀片邊緣法[6-7]及針孔法[8]等。通常,這些方法需要利用透鏡將出射波束進(jìn)行聚焦,然后在小范圍內(nèi)掃描場(chǎng)強(qiáng)或功率分布計(jì)算得出束腰半徑。這些測(cè)試方法需要搭建波束束腰半徑專門(mén)測(cè)試平臺(tái),需要多種測(cè)試器件裝置及操控儀器儀表,且主要用于激光類小尺寸裝置束腰半徑的測(cè)試。對(duì)于大尺寸、寬出射波束裝置的測(cè)試,上述測(cè)試平臺(tái)難以達(dá)到測(cè)試條件要求。

本文提出了一種利用平面近場(chǎng)測(cè)試高斯波束束腰半徑的方法,可滿足大口徑器件、裝置的測(cè)試。而且,此測(cè)試方法完全借助平面近場(chǎng)測(cè)試設(shè)備,無(wú)需額外配置其他輔助裝置,通用性好。

1 束腰半徑測(cè)試原理

本測(cè)試方法主要借助平面近場(chǎng)測(cè)試獲得毫米波準(zhǔn)光學(xué)器件裝置高斯波束近場(chǎng)掃描數(shù)據(jù),利用近場(chǎng)數(shù)據(jù)反演、高斯函數(shù)擬合及高斯波束傳輸理論計(jì)算獲得束腰半徑大小及位置。

利用平面近場(chǎng)測(cè)試設(shè)備完成毫米波準(zhǔn)光學(xué)器件裝置出射波束的近場(chǎng)掃描,記錄近場(chǎng)掃描數(shù)據(jù),利用近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)反演,得到出射波束遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù),提取3～5個(gè)不同錐削電平下的錐削角度,并根據(jù)式(1)計(jì)算出射波束束腰半徑大小w0。

選取多個(gè)錐削電平及其對(duì)應(yīng)的錐削角度來(lái)計(jì)算多組束腰半徑值,對(duì)這些束腰半徑值求平均作為裝置的束腰半徑大小。采用多組數(shù)據(jù)取平均值可消除單組數(shù)據(jù)計(jì)算帶來(lái)的偏差。在工程應(yīng)用中,-10 d B錐削電平及其對(duì)應(yīng)的錐削角度是常用參照數(shù)值。

由于近場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)分布跟理想高斯波束近場(chǎng)數(shù)據(jù)分布存在差異,通過(guò)高斯函數(shù)擬合能修正近場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差。采用高斯函數(shù)擬合近場(chǎng)記錄的電場(chǎng)幅度隨掃描步長(zhǎng)的曲線,根據(jù)擬合曲線計(jì)算近場(chǎng)分布對(duì)應(yīng)的波束半徑大小,此波束半徑為測(cè)試探頭處的波束半徑。擬合用的高斯函數(shù)為

式中,y0,v,xc,B均為擬合參數(shù)。

根據(jù)擬合曲線,確定高斯擬合曲線峰值,峰值下降1/e對(duì)應(yīng)兩個(gè)點(diǎn),設(shè)為M,N。M,N兩點(diǎn)間距即為2倍的波束半徑值,等于兩點(diǎn)掃描步數(shù)差與掃描步長(zhǎng)的乘積。分別擬合垂直向和水平向的近場(chǎng)電場(chǎng)幅度隨掃描距離的分布曲線,即可得到垂直向和水平向的波束半徑大小,分別設(shè)為wv和wh。

根據(jù)高斯波束傳輸理論,已知w0v,w0h,wv,wh即可計(jì)算出束腰半徑距離掃描探頭處的距離,定義垂直向和水平向束腰半徑位置分別為zv和zh。則

根據(jù)zv,zh即可確定束腰半徑的位置。理想高斯波束w0v和w0h相等,wv和wh也相等。通常,測(cè)試的出射波束只是準(zhǔn)高斯波束,所以垂直向和水平向的束腰半徑存在差異。可將w0v和w0h的平均值作為毫米波、準(zhǔn)光學(xué)裝置的束腰半徑值,zv,zh的平均值作為束腰半徑位置的確定值。

2 測(cè)試實(shí)例分析

前期研究中,本課題組設(shè)計(jì)了一種W波段雙極化收發(fā)分離的波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)[9]。在此,選取該波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)一個(gè)工作通道的出射波束作為實(shí)例用以說(shuō)明束腰半徑測(cè)試方法。該通道出射波束近場(chǎng)測(cè)試如圖1所示。探頭水平向和垂直向掃描步長(zhǎng)為1 mm,掃描步數(shù)均為61步,測(cè)試頻率為94.05 GHz。

圖1 波束波導(dǎo)近場(chǎng)測(cè)試示意圖

近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖2所示,可見(jiàn)該波束波導(dǎo)出射波束基本滿足高斯波束分布。對(duì)近場(chǎng)數(shù)據(jù)反演處理得到波束波導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖,如圖3所示。-10 d B錐削電平對(duì)應(yīng)的錐削角度是波束波導(dǎo)設(shè)計(jì)常用的指標(biāo)參數(shù),采用式(1)計(jì)算了-8 dB,-10 d B,-12 dB錐削電平下的束腰半徑大小,如表1所示。對(duì)計(jì)算的3組數(shù)據(jù)求平均,平均值作為束腰半徑大小。由此得到水平向束腰半徑w0h=2.261 mm,垂直向束腰半徑w0v=2.443 mm。

圖2 近場(chǎng)幅度相位分布圖

圖3 波束波導(dǎo)出射方向圖

表1 垂直向和水平向不同錐削電平下的波束寬度

因波束波導(dǎo)出射波束近場(chǎng)分布只是近似滿足高斯分布,直接按定義計(jì)算波束半徑隨機(jī)誤差太大,難以代表出射波束的特性,對(duì)近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合,根據(jù)擬合曲線計(jì)算波束半徑可較好地體現(xiàn)整個(gè)出射波束特性。選取垂直向和水平向近場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合,擬合曲線如圖4所示。

圖4 近場(chǎng)幅度分布高斯函數(shù)擬合

根據(jù)擬合曲線,計(jì)算得到探頭處水平向、垂直向波束半徑wh=13.275 mm,wv=14.56 mm。進(jìn)一步,借助式(3)計(jì)算出波束束腰半徑距離探頭處的距離,zh=29.15 mm,zv=34.56 mm。zh和zv的平均值作為束腰半徑距離探頭的距離,在已知探頭位置情況下,即可確定束腰半徑的具體位置。

圖2(a)中,波束波導(dǎo)出射波束近場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布所形成的光斑呈橢圓形,水平向窄,垂直向?qū)?這說(shuō)明水平向束腰半徑要小于垂直向束腰半徑。實(shí)際測(cè)試得出的水平向束腰半徑值小于垂直向束腰半徑值,符合上述判斷結(jié)論。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用平面近場(chǎng)測(cè)試高斯波束束腰半徑的方法,并結(jié)合具體波束波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試案例論述了此方法的可行性。該測(cè)試方法完全借助平面近場(chǎng)測(cè)試條件,無(wú)需額外添加其他測(cè)試設(shè)備,無(wú)需額外搭建測(cè)試平臺(tái),具有很好的實(shí)用性、適應(yīng)性。本方法可用于指導(dǎo)毫米波準(zhǔn)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)及級(jí)聯(lián)安裝調(diào)試,具有較高工程價(jià)值。

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