太赫茲準光學饋電網絡系統優化方法

李貝貝，錢志鵬，姜麗菲，李恩晨，李寧杰

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

太赫茲探測儀是一種被動輻射計系統，通過接收大氣的輻射信號，可以實現大氣定量監測和大氣變化探測。因對流層上層冰云在太赫茲頻段的輻射相對明顯，所以太赫茲探測儀的應用領域以冰云探測、全球水循環、能量循環為主，其探測數據對天氣預報、全球氣候研究有著重要影響[1]。在太赫茲探測儀中，需要將天線接收到的大氣輻射信號分頻段、分極化分別饋送至對應接收機。傳統的饋源陣列方式通過把各頻段饋源喇叭排列在天線反射面的焦平面上，可以實現多頻段、多極化接收，但當工作頻段數多時，特別是在太赫茲頻段內，這種實現方式因偏焦會導致嚴重的波束畸變，無法實現遙感載荷探測精度。

為了實現多頻段、多極化、多通道復合探測，可以采用準光學饋電網絡進行頻率分離。在準光學饋電網絡中，各頻段都位于焦點處，所以對探測儀輻射性能影響較小，可以解決饋源陣列帶來的偏焦問題。搭載于FY-3D氣象衛星的微波濕度計就采用了準光系統分離了89、118.75、150和183.31 GHz 四個頻段。通常而言，探測儀工作頻段數越多，其準光學饋電網絡尺寸就越大，所以需要在一定空間尺寸包絡內解決探測儀星載空間布局的技術問題[2]。

1 準光學饋電網絡設計原理

準光學饋電網絡通過借鑒光學系統的設計思路，讓電磁波以高斯波束的形式在自由空間中傳播，將頻率選擇表面、極化柵網、反射鏡等器件按照一定的空間位置關系排列，實現頻率和極化分離，在功能上類似于空間濾波器。其中頻率選擇表面和極化柵網實現頻率和極化分離功能，反射鏡可以改變波束傳播方向、匯聚波束，縮小準光系統的空間包絡，并與饋源喇叭進行匹配。

高斯波束理論是準光學系統設計的基礎， 是通過亥姆霍茲波動方程在近軸近似的條件下得到的傳輸方程，可表示為

(1)

(2)

式中，r為與傳播軸的垂直距離，ω是高斯波束的波束半徑，R為高斯波束的波前曲率半徑，φ0為相位偏移，ω0為高斯波束的束腰，即z=0處的波束半徑。

圖1展示了沿z軸傳播的高斯波束[3-5]。

圖1 沿z軸方向傳播的高斯波束Fig.1 Schematic of gaussian beam propagation

隨著傳播距離z的增加，波束半徑ω逐漸增大，波束呈發散狀。曲面反射鏡能改變高斯波束傳播方向和曲率半徑，故通常使用反射鏡來控制高斯波束的ω[6]。

在設計準光學饋電網絡時，通常先根據工作頻段和極化確定分離方案：1) 根據準光學饋電網絡插入損耗指標要求，對插入損耗要求較嚴格的頻段最先分離，或者采用反射形式分離[7]； 2) 為減小通道插入損耗，盡可能減少利用頻率選擇表面透射功能進行頻率分離；在頻率分離方案確定之后再根據系統包絡和波束擴散情況，利用反射鏡進行聚束，以控制高斯波束的擴散。

準光學饋電網絡設計過程是一個迭代過程，在設計過程中需要綜合考慮準光器件的可實現性、系統損耗、總體包絡限制、質量重心分布等方面[8-9]，在此基礎上選取一個最優性能方案。

2 太赫茲冰云探測儀準光學饋電網絡

太赫茲冰云探測儀準光學饋電網絡工作在118、183、190、240、243、325、448、640和664 GHz九個工作頻段，如圖2所示。

圖2 準光學饋電網絡的探測頻段分布(灰色為重疊頻段)Fig.2.Frequency distribution of quasi optical feed network(gray part is the overlap)

由頻率分布可以看出，183與190 GHz通道，240與243 GHz通道，640與664 GHz通道都存在一定的重疊，因此首先考慮利用柵網極化將不同頻率分開。對于V極化，依次利用高通頻率選擇表面分離664、448、325、243 GHz。對于H極化，依次利用高通頻率選擇表面分離640、240、190 GHz。頻率分離方案如圖3所示。

圖3 準光學饋電網絡頻率分離方案Fig.3 Separation scheme of quasi optical network

根據準光學饋電網絡設計原則及頻率分離方案，在其包絡限制內布局光路，采用共用橢球鏡進行聚束，平面鏡進行折層設計，將118、190、240、640 GHz通道折入下層，實現緊湊布局，如圖4所示，其尺寸包絡為1 406.6 mm×1 406.6 mm×480 mm。

圖4 準光學饋電網絡布局設計Fig.4 Layout design of quasi optical network

針對太赫茲工作頻段高、頻帶寬、各頻段互有重疊，以及空間包絡的指標要求，本文設計的太赫茲冰云探測儀準光學饋電網絡在以下方面進行了優化：

1) 各通道的工作頻帶有重疊，優先采用極化柵網進行分離，可以避免頻率選擇表面帶來的通帶損失。

2) 采用多頻段共用橢球面反射鏡，縮小傳高斯波束半徑，控制器件的口徑，縮小準光系統包絡。

3) 采用平面折返鏡，器件布局在底板上下兩側，實現了雙層布局設計，在有限的空間包絡內實現多頻段分離，在確保實現多頻段分離關鍵功能的基礎上，進一步節省了寶貴的星上空間資源。

3 仿真與測試

采用GRASP仿真軟件進行建模，驗證各頻段通道的電氣性能，計算各頻段輸出波束在束腰參考零位處的電場幅度，并通過近遠場變換得到各通道輸出波束的遠場方向圖，仿真結果如表1所示，結果表明設計值滿足要求值。圖5給出了118 GHz和183 GHz的主極化近場電場幅度和遠場方向圖仿真結果。

表1 準光學饋電網絡仿真結果Tab.1 Simulation results of quasi optical network

圖5 近場電場幅度和遠場方向圖仿真結果(118、183 GHz)Fig.5 Near E-field amplitude and far field pattern simulation results(118 and 183 GHz)

采用近場掃描方法對所設計的準光學饋電網絡輻射性能進行測試，即利用近遠場變換原理獲得遠場方向圖，再獲得其E面和H面上相對最大輻射方向電平下降到15 dB處兩點間的夾角。

圖6給出了所搭建的準光學饋電網絡測試環境，對準光學饋電網絡118 GHz和183 GHz通道輻射性能進行測試。圖7給出了準光學饋電網絡口面的遠場方向圖，測試結果如表2所示。

圖6 準光學饋電網絡測試Fig.6 Measurement of quasi optical network

圖7 準光口面測試方向Fig.7 Test pattern of quasi optical network

表2 準光學饋電網絡測試結果Tab.2 test result of quasi optical network

根據測試結果可知，測試值滿足指標要求。但118 GHz與183 GHz通道-15 dB半波束寬度的實測值與設計值相比存在偏差，其對比結果如表3所示。

表3 測試結果與仿真結果對比表Tab.3 Comparison between test and simulation

測試分析E面和H面數據，為便于直觀比對，仿真設計時采用E面和H面平均值。對表3分析可知：相較于設計值，118 GHz實測-15 dB半波束寬度減小約4%，183 GHz實測-15 dB半波束寬度減小約1%。

除測試系統約2%的測試誤差外，還有以下因素導致波束寬度變化：

1) 頻率選擇表面、極化柵網等功能器件影響。在理想器件情況下，頻率選擇表面和極化柵網只實現頻率分離功能，不影響準光網絡的輻射特性。在仿真中對于頻率選擇表面、極化柵網等功能器件均為理想設計，但實際產品存在加工誤差，其表面平面度會直接影響準光系統的輻射性能。

2) 鏡面加工誤差及裝配影響。在仿真分析中，仿真鏡面為理想且不存在形位、形面誤差。在實際加工過程中，橢球鏡、平面鏡等器件存在加工誤差，以及形面、形位等六自由度裝配誤差，這些因素會導致波束寬度的變化。

仿真和測試結果證明，利用本文提出的準光學饋電網絡系統優化方法所設計的118～664 GHz九頻段雙極化準光學饋電網合理可行。

4 結論

本文從太赫茲探測儀指標需求出發，提出一種準光學饋電網絡系統優化方法，利用該方法設計了一套雙層結構的118～664 GHz九頻段準光學饋電網絡。通過優化設計，優先采用極化柵網進行極化分離，解決工作頻段重疊問題，通過共用橢球鏡聚束和平面鏡折層設計，有效地縮減了空間包絡尺寸。通過仿真和輻射性能測試對系統性能進行了驗證，結果滿足指標要求。下一階段，將針對加工容差及可靠性等方面開展進一步工程化研究。