基于波束波导的毫米波波束扫描仿真研究

电子科技大学物理电子学院 张 溪 鄢 扬

1 引言

波束波导是指由一系列顺序排列的曲面镜和平面镜构成的波导结构，可以将馈源辐射的电磁波或反射面天线接收的电磁波通过聚束传播的方式进行低损耗远距离的传输。常见的波束波导有透镜型和反射镜型两大类。两种类型的波束波导在不同频段存在传输损耗的差异，透镜型波束波导主要用于光波频段，反射镜型波束波导则多应用于毫米波和亚毫米波频段[1,2]。波束波导天线特殊的结构特性决定了其可以通过镜面的转动，实现方位面和俯仰面的波束扫描。

本文针对大功率毫米波回旋管输出的HE11准高斯模式，设计了由两面相同的抛物面镜组成的波束波导系统，将束腰位于回旋管输出窗的准高斯馈源传输变换至卡塞格伦天线的焦点位置，实现了94GHz大功率毫米波的低损耗长距离传输。在此基础上对该双反射面波束波导系统实现毫米波束的方位和俯仰扫描进行了仿真研究。

2 波束波导的设计

在毫米波频段特别是毫米波高频段，传统的金属波导和各类传输线都存在损耗过大，传输功率小以及加工成本高等缺陷。采用聚束波束波导传输毫米波甚至亚毫米波却具备损耗小、承载功率高等优点，波束波导对双反射面天线馈电组成的波束波导天线通过波束波导镜面的旋转能够实现波束的方位和俯仰扫描。

早期波束波导的分析和设计主要采用高频电磁算法。进入八十年代，高斯波束理论广泛用于分析和设计波束波导。

波束波导设计来实现大功率毫米波的低损耗传输，前面介绍毫米波回旋管输出的毫米波波束可以用高斯波束来表征，高斯波束由束腰ω0和束腰位置唯一确定。因此，高斯波束法设计波束波导的思路就是通过镜面的组合实现束腰ω0不变但束腰位置发生变化，束腰位置的变化就等效于波束被传输了一段距离。

如图1所示，束腰位置在F1的高斯束经过镜面M1、M2的变换后，束腰位置变换到F1’，束腰ω0=16.6mm保持不变。因此，镜面M1、M2组成的变换系统就等效于将毫米波波束从F1传输至F1’，镜面M1、M2组成毫米波波束波导系统。

图1 波束波导实现毫米波波束传输

镜面M1、M2是两面镜像对称放置的抛物面镜，其焦距、口径尺寸完全一致。这里简要介绍采用高斯束方法进行镜面设计的思路和针对ω01=16.6mm的94GHz毫米波的设计及试验验证效果，至于详细的数学推导可参考相关文献[4]。

按高斯束理论，束腰位置位于焦点F1附近的高斯束I经抛物面M1反射后成为沿主光轴传播的高斯束II，高斯束II的束腰位置位于镜面M1、M2之间，高斯束II的束腰ω02＞ω01,平行于主光轴的高斯束II入射到镜面M2经反射后形成垂直于主光轴的高斯束III，且高斯束III的束腰ω03＜ω02。

适当选择镜面焦距f，通过配置入射高斯馈源束腰与焦点F的距离z01和双镜面的间距d可以实现束腰ω03=ω01，即实现了94GHz毫米波的保形传输。

如图2是间距为d的镜面M1、M2组合实现高斯束保形变换的示意图，在满足ω03=ω01前提下，按照相关公式计算出馈源位置z01与传播距离的关系如图3所示。由图3可见，当距离d=4f=800mm时，入射高斯馈源应配置在镜面焦点F1处，此时z01=0。

对设计的波束波导采用GRASP软件仿真得到的射线图如图4所示，由图可见对称镜面M1、M2可以实现馈源位置的搬移，等效于毫米波波束传输了一段距离。

图2 镜面M1、M2对高斯束的“保形”变换

图3 镜面距离d与馈源位置z01的关系

图4 GRASP软件仿真的波束射线

3 波束扫描仿真研究

为了实现天线波束在方位轴与俯仰轴的自由运动，一般采用旋转关节机构。但在3mm波段面对高功率容量，过模旋转关节的设计遇到极大的困难，这时采用波束波导技术是一种可行的技术途径。

对于如图5的波束波导，镜面M1保持不动，镜面M2绕ZZ’旋转，实现出射高斯波束III在方位面的旋转。

图5 镜面M2旋转φ=30°仿真示意图

图5 是镜面M2沿ZZ’旋转30°的仿真示意图，仿真结果如图6所示。

图6 镜面M2旋转φ=30°辐射方向图

由镜面M2旋转φ=30°后的方向图可见，镜面M2沿ZZ’旋转φ=30°后，在Phi=90°的方向图截面内，辐射波束指向转动θ≈-30°，考虑到辐射方向图坐标系的设置，即辐射波束转动了φ’≈30°。仿真结果表明：镜面M2机械扫描角度φ与波束扫描角度φ’是一致的。这样就可以将镜面M2和卡塞格伦天线的主副面固定在一起绕ZZ’旋转，实现毫米波辐射波束在方位面的扫描。

波束波导系统实现俯仰面波束扫描的原理与方位面扫描类似，不同的是需要另外附加两面平面镜组成标准的四面镜波束波导系统。另外，也可以通过只转动卡塞格伦天线的主反射面在略微牺牲天线系统增益的情况下近似实现俯仰面的扫描。

4 结束语

偏置角θ=90°的镜像对称双抛物反射面组成的波束波导系统是复杂波束波导系统的基础，它是解决大功率毫米波传输及波束扫描方面的有效技术途径，文中介绍的波束波导系统已经过试验验证，达到预期效果。同时，波束波导系统在低波段如X波段超大功率微波的馈电及波束扫描系统中也得到成功应用[5]。

[1]段玉虎.波束波导馈电系统在深空探测天线应用中的关键技术研究[J].飞行器测控学报,2014,33(3):231-235.

[2]单娟,张鹏,付玉虎. 激光变焦扩束光学系统设计[J].光学与光电技术,2013,11(4):72-76.

[3]窦文斌.毫米波准光理论与技术(第二版)[M].北京: 高等教育出版社,2006.

[4]杨可忠.深空探测天线[M].北京:人民邮电出版社,2014.

[5]章勇华,杨志强,李平,等.三镜波束波导在高功率微波天线中的应用[J].强激光与粒子束,2010,22(2):131-134.