太赫兹准光学馈电网络系统优化方法

李贝贝，钱志鹏，姜丽菲，李恩晨，李宁杰

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

太赫兹探测仪是一种被动辐射计系统，通过接收大气的辐射信号，可以实现大气定量监测和大气变化探测。因对流层上层冰云在太赫兹频段的辐射相对明显，所以太赫兹探测仪的应用领域以冰云探测、全球水循环、能量循环为主，其探测数据对天气预报、全球气候研究有着重要影响[1]。在太赫兹探测仪中，需要将天线接收到的大气辐射信号分频段、分极化分别馈送至对应接收机。传统的馈源阵列方式通过把各频段馈源喇叭排列在天线反射面的焦平面上，可以实现多频段、多极化接收，但当工作频段数多时，特别是在太赫兹频段内，这种实现方式因偏焦会导致严重的波束畸变，无法实现遥感载荷探测精度。

为了实现多频段、多极化、多通道复合探测，可以采用准光学馈电网络进行频率分离。在准光学馈电网络中，各频段都位于焦点处，所以对探测仪辐射性能影响较小，可以解决馈源阵列带来的偏焦问题。搭载于FY-3D气象卫星的微波湿度计就采用了准光系统分离了89、118.75、150和183.31 GHz 四个频段。通常而言，探测仪工作频段数越多，其准光学馈电网络尺寸就越大，所以需要在一定空间尺寸包络内解决探测仪星载空间布局的技术问题[2]。

1 准光学馈电网络设计原理

准光学馈电网络通过借鉴光学系统的设计思路，让电磁波以高斯波束的形式在自由空间中传播，将频率选择表面、极化栅网、反射镜等器件按照一定的空间位置关系排列，实现频率和极化分离，在功能上类似于空间滤波器。其中频率选择表面和极化栅网实现频率和极化分离功能，反射镜可以改变波束传播方向、汇聚波束，缩小准光系统的空间包络，并与馈源喇叭进行匹配。

高斯波束理论是准光学系统设计的基础， 是通过亥姆霍兹波动方程在近轴近似的条件下得到的传输方程，可表示为

(1)

(2)

式中，r为与传播轴的垂直距离，ω是高斯波束的波束半径，R为高斯波束的波前曲率半径，φ0为相位偏移，ω0为高斯波束的束腰，即z=0处的波束半径。

图1展示了沿z轴传播的高斯波束[3-5]。

图1 沿z轴方向传播的高斯波束Fig.1 Schematic of gaussian beam propagation

随着传播距离z的增加，波束半径ω逐渐增大，波束呈发散状。曲面反射镜能改变高斯波束传播方向和曲率半径，故通常使用反射镜来控制高斯波束的ω[6]。

在设计准光学馈电网络时，通常先根据工作频段和极化确定分离方案：1) 根据准光学馈电网络插入损耗指标要求，对插入损耗要求较严格的频段最先分离，或者采用反射形式分离[7]； 2) 为减小通道插入损耗，尽可能减少利用频率选择表面透射功能进行频率分离；在频率分离方案确定之后再根据系统包络和波束扩散情况，利用反射镜进行聚束，以控制高斯波束的扩散。

准光学馈电网络设计过程是一个迭代过程，在设计过程中需要综合考虑准光器件的可实现性、系统损耗、总体包络限制、质量重心分布等方面[8-9]，在此基础上选取一个最优性能方案。

2 太赫兹冰云探测仪准光学馈电网络

太赫兹冰云探测仪准光学馈电网络工作在118、183、190、240、243、325、448、640和664 GHz九个工作频段，如图2所示。

图2 准光学馈电网络的探测频段分布(灰色为重叠频段)Fig.2.Frequency distribution of quasi optical feed network(gray part is the overlap)

由频率分布可以看出，183与190 GHz通道，240与243 GHz通道，640与664 GHz通道都存在一定的重叠，因此首先考虑利用栅网极化将不同频率分开。对于V极化，依次利用高通频率选择表面分离664、448、325、243 GHz。对于H极化，依次利用高通频率选择表面分离640、240、190 GHz。频率分离方案如图3所示。

图3 准光学馈电网络频率分离方案Fig.3 Separation scheme of quasi optical network

根据准光学馈电网络设计原则及频率分离方案，在其包络限制内布局光路，采用共用椭球镜进行聚束，平面镜进行折层设计，将118、190、240、640 GHz通道折入下层，实现紧凑布局，如图4所示，其尺寸包络为1 406.6 mm×1 406.6 mm×480 mm。

图4 准光学馈电网络布局设计Fig.4 Layout design of quasi optical network

针对太赫兹工作频段高、频带宽、各频段互有重叠，以及空间包络的指标要求，本文设计的太赫兹冰云探测仪准光学馈电网络在以下方面进行了优化：

1) 各通道的工作频带有重叠，优先采用极化栅网进行分离，可以避免频率选择表面带来的通带损失。

2) 采用多频段共用椭球面反射镜，缩小传高斯波束半径，控制器件的口径，缩小准光系统包络。

3) 采用平面折返镜，器件布局在底板上下两侧，实现了双层布局设计，在有限的空间包络内实现多频段分离，在确保实现多频段分离关键功能的基础上，进一步节省了宝贵的星上空间资源。

3 仿真与测试

采用GRASP仿真软件进行建模，验证各频段通道的电气性能，计算各频段输出波束在束腰参考零位处的电场幅度，并通过近远场变换得到各通道输出波束的远场方向图，仿真结果如表1所示，结果表明设计值满足要求值。图5给出了118 GHz和183 GHz的主极化近场电场幅度和远场方向图仿真结果。

表1 准光学馈电网络仿真结果Tab.1 Simulation results of quasi optical network

图5 近场电场幅度和远场方向图仿真结果(118、183 GHz)Fig.5 Near E-field amplitude and far field pattern simulation results(118 and 183 GHz)

采用近场扫描方法对所设计的准光学馈电网络辐射性能进行测试，即利用近远场变换原理获得远场方向图，再获得其E面和H面上相对最大辐射方向电平下降到15 dB处两点间的夹角。

图6给出了所搭建的准光学馈电网络测试环境，对准光学馈电网络118 GHz和183 GHz通道辐射性能进行测试。图7给出了准光学馈电网络口面的远场方向图，测试结果如表2所示。

图6 准光学馈电网络测试Fig.6 Measurement of quasi optical network

图7 准光口面测试方向Fig.7 Test pattern of quasi optical network

表2 准光学馈电网络测试结果Tab.2 test result of quasi optical network

根据测试结果可知，测试值满足指标要求。但118 GHz与183 GHz通道-15 dB半波束宽度的实测值与设计值相比存在偏差，其对比结果如表3所示。

表3 测试结果与仿真结果对比表Tab.3 Comparison between test and simulation

测试分析E面和H面数据，为便于直观比对，仿真设计时采用E面和H面平均值。对表3分析可知：相较于设计值，118 GHz实测-15 dB半波束宽度减小约4%，183 GHz实测-15 dB半波束宽度减小约1%。

除测试系统约2%的测试误差外，还有以下因素导致波束宽度变化：

1) 频率选择表面、极化栅网等功能器件影响。在理想器件情况下，频率选择表面和极化栅网只实现频率分离功能，不影响准光网络的辐射特性。在仿真中对于频率选择表面、极化栅网等功能器件均为理想设计，但实际产品存在加工误差，其表面平面度会直接影响准光系统的辐射性能。

2) 镜面加工误差及装配影响。在仿真分析中，仿真镜面为理想且不存在形位、形面误差。在实际加工过程中，椭球镜、平面镜等器件存在加工误差，以及形面、形位等六自由度装配误差，这些因素会导致波束宽度的变化。

仿真和测试结果证明，利用本文提出的准光学馈电网络系统优化方法所设计的118～664 GHz九频段双极化准光学馈电网合理可行。

4 结论

本文从太赫兹探测仪指标需求出发，提出一种准光学馈电网络系统优化方法，利用该方法设计了一套双层结构的118～664 GHz九频段准光学馈电网络。通过优化设计，优先采用极化栅网进行极化分离，解决工作频段重叠问题，通过共用椭球镜聚束和平面镜折层设计，有效地缩减了空间包络尺寸。通过仿真和辐射性能测试对系统性能进行了验证，结果满足指标要求。下一阶段，将针对加工容差及可靠性等方面开展进一步工程化研究。