亚毫米波段折叠光路的准光近场照射天线设计与应用

何海波 金铭* 韩宇南 李彬 白明

（1. 北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029；2. 中国科学院国家空间科学中心 微波遥感重点实验室，北京 100191；3. 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

引 言

照射场控制一直是散射测量中的重要议题，如在紧缩场中，通过反射面形成辐相平坦的平面波照射区域，覆盖待测目标，从而实现在近场空间内测得远场散射的目的.相对的，在弓形法的平板反射率测量中，收发天线往往采用电小口径的喇叭天线，此时对待测平板的尺寸就需要进行限制(球面波照射场导致)，并且这种传统的小口径天线照射设计思路在高频段的应用中已不再适用.

中国科学院国家空间中心研制的微波黑体发射率计量标准装置，目标覆盖6～500 GHz 宽频带.该标准装置所针对的微波黑体目标，主要以涂敷尖锥阵列的形式构成[1].该计量标准装置的主要工作模式是通过对俯仰角的扫描对比测量，获取黑体的积分反射率[1-3]，其中的关键是测得微波黑体微弱的远场散射特征，即其Floquet 散射瓣[4-10].前期的机理仿真研究表明，基于高斯波束照射场，在目标区形成相位平坦，幅值边缘衰减的照射效果，可以在近场条件下测得黑体周期结构的远场散射特征[2].

本文介绍基于准光技术的近场照射天线设计实现，设计流程起始于基本的圆锥喇叭天线，通过等效高斯波束参数提取、镜面设计、折叠光路设计，最终实现具备紧凑的和高聚束性的设计.微波黑体发射率计量标准装置中的测试数据表明，实现的收发天线组聚束性好，在保证装置良好动态范围的同时，准确测得黑体目标的远场散射特征.本文介绍的近场照射天线设计，对亚毫米波一般性的反射率测量也具备重要的应用价值.

1 设计方法

1.1 总体设计思路

基于准光技术的近场照射天线的设计目标是在目标区形成相位平坦、幅值衰减的等效照射分布.在亚豪米波段，金属反射镜是最为有效的聚焦手段，相比毫米波段常采用的透镜设计具有损耗小、精度高的优点.理想情况下，准光光路的设计基于准高斯辐射的馈源和反射镜实现，其中前者的常见形式包括频段较宽的圆锥波纹喇叭天线和频段较窄的圆锥双模天线[11].对于散射和反射率测量而言，希望系统具备足够的测量带宽，因此更希望使用圆锥波纹喇叭天线.但是由于其内壁存在大量细密的波纹，导致设计加工成本较高[12]，限制了其推广使用.本文介绍的准光照射天线设计，基于基本的圆锥喇叭天线开展，后续的仿真和实验结果表明，即使采用这种低成本的馈源，形成的准光照射天线也能达到良好的聚焦设计效果.

以170～220 GHz 的圆锥喇叭馈源为例，其辐射场存在明显的副瓣，如图1 所示为在其基础上进行准光光路设计，需要提取其辐射场中的高斯基模(式(1)).具体而言：可以通过调整参考高斯基模的束腰大小ω0和束腰到辐射口面的传播距离z，寻找高斯基模含量的最大值(式(2))，来提取圆锥喇叭馈源辐射场中的等效高斯基模分量.以该天线为例，其在195 GHz 的等效高斯基模参数为：ω0=2.05λ0，λ0为自由空间中的波长；z=36 mm，含量为91.1%.相对应的，圆锥波纹喇叭天线的高斯基模含量可达98.5%.

图1 馈源天线的辐射口面场及其远场辐射方向@195 GHzFig.1 The radiating aperture field of the feed antenna and its far-field radiating pattern@195 GHz

高斯基模标量场分布可表示为

针对喇叭天线的主极化场Ecol(r)，可在辐射口面上求得高斯基模含量：

1.2 主镜面设计

准光光路的设计原则是将馈源的扩散性波束变换成在目标区汇聚的聚束性波束，其中完成波束转换的关键组件是主反射镜.在远场测量中，常采用抛物镜将馈源的扩散波束修整为定向型波束.在本文近场照射应用中，需要在目标区实现相位平坦、幅值边缘衰减的照射效果，此时，在目标区设计成高斯束腰的场效果更合适.这一设计思路可以借助高斯波束传播理论中经典的椭球镜设计来实现.相对应的，远场照射常用的抛物镜面设计，虽然其在反射面出射口径处也可完成平面波相位整型，但是波束再经过一段近场传播后，会发生波束扩散现象，此时目标区照射场的相位平坦性和幅值聚束性不如椭球镜反射的再汇聚场.

根据高斯波束传播理论[11]，椭球反射镜进行束腰波束变换的几何关系如图2 所示.椭球镜将束腰位置距反射面中心din的高斯波束(束腰为ωin)变换为束腰位置距反射面中心dout的高斯波束(束腰为ωout)，入射波束与出射波束指向之间的夹角为θ，椭球镜本身的参数可由R1、R2、θ 决定[11,13].

图2 准光主反射面对高斯波束的变换原理示意图Fig.2 The transformation schematic of the quasi-optical main reflection aperture to the Gaussian beam

具体而言，参数设计中利用高斯波束传播理论，由din、ωin和ωout得到dout、R1、R2等参数，进而完成主镜面设计，如下所示：

以170～220 GHz 频段的照射天线为例，目标在1.25 m 左右形成汇聚的焦斑.在中心频点195 GHz，馈源天线形成的等效高斯束腰ωin为2.05λ0，入射束腰距反射镜中心的距离din为230 mm，出射高斯波束束腰ωout为17.7λ0，得到出射束腰位置距反射镜中心的距离dout为1 298 mm，椭球镜的R1为232 mm，R2为3 062 mm，按照θ=60°，即可得出椭球镜面参数，完成设计.在此参数下，得到图3 中的场分布结果，即主反射镜将束腰距离较近的入射高斯波束变换到距离较远的聚焦高斯波束.进一步，在此基础上形成实用的聚焦天线设计.

图3 主反射面对馈源等效高斯基模场的反射变换@195 GHzFig.3 The reflection transformation of the main reflection aperture to the equivalent Gaussian fundamental mode field of the feed@195 GHz

1.3 折叠光路设计

准光照射天线的应用中，需考虑实际的安装使用状态：首先，在67 GHz 以上的频段，需要搭配扩频模块组成信号链路，并且扩频模块需要直接通过波导与馈源相连；然后，在空间中心微波黑体发射率计量标准装置的应用中，包括扩频模块在内的天线整体需要安装在角度扫描悬臂之上，故天线整体需要实现紧凑的设计.

因此，对原有偏馈式的馈源-反射面设计，加入次级平面反射镜，形成对光路的折叠，可以使馈源与扩频模块的连接平行于出射光轴，且显著降低了天线的横向尺寸，使得天线整体便于安装在微波黑体发射率装置的角度扫描悬臂之上.在图4 中，分别给出了在电磁仿真(使用商业仿真软件FEKO[14])中的折叠光路天线-镜面模型，和实际制作的便于安装使用的准光照射天线模组.

图4 准光近场照射天线的折叠光路设计(170～220 GHz)Fig.4 The path-folded near-field quasi-optical antenna (170-220 GHz)

设计中，结合FEKO 的全波数值算法多层快速多极子算法 (multi-level fast multi-pole method,MFLMA)，对折叠光路的天线结构进行仿真验证和分析，典型结果如图5 所示.在结果中，分别考虑了170～220 GHz 频段的起点频率和终点频率.从图5(a)可以看到，由于选取的馈源本身是可以覆盖该频段的宽带天线形式，在170 GHz 和220 GHz 的边频，近场照射天线也可以形成良好的聚束照射效果.从图5(b)可以看到，相比馈源本身存在明显副瓣的情况，折叠光路的准光照射天线由于聚束性好，副瓣被显著压低.这一特性可以避免近场双站散射测量中天线直漏对弱散射信号的干扰.

图5 折叠光路照射天线的出射近场分布和远场辐射方向图Fig.5 The far-field radiation pattern of the path-folded nearfield quasi-optical antenna

进一步，图6 给出了在目标区(距反射面中心1.25 m 处)的聚焦照射场分布，可以看到，随着频率的升高，焦斑大小有所减小，但是在聚束焦斑范围内，相位都保持了平坦.即本文中的近场照射天线可以在宽带范围内保持幅值聚束相位平坦的照射效果.此外，目标区的聚焦场分布也体现出了一定的边缘副瓣现象，其本质是馈源辐射的不理想造成的.并且由于圆锥型馈源本身E 面和H 面的主瓣宽度不相同，造成这里的聚束焦斑呈椭圆型而非理想的圆形.这两点不理想性，可以通过将馈源替换为准高斯辐射的圆锥波纹喇叭馈源来解决[11-12].

图6 在目标区形成的照射束斑场分布Fig.6 The distribution of the irradiating beam spot field formed in the target area

最后，图7(a)给出了主镜面采用抛物镜时的近场出射场分布.可以看出，当主镜面采用远场天线常用的抛物镜时，波束离开镜面后会随着传播而趋于发散.这一结果与采用椭球镜的再汇聚效果(图7(b))相对比，进一步说明了本文准光椭球镜设计的有效性.

图7 两种主镜面反射后的出射近场分布@170 GHzFig.7 The near-field distribution @170 GHz

2 微波黑体发射率计量标准装置中的应用

本文介绍的准光近场照射天线，围绕着微波黑体发射率计量标准装置的应用需求设计[1-3,15].折叠光路的准光近场照射天线是其中40～500 GHz 频率范围内的收发天线形式，共分为6 个频段.图8 给出了不同频段时的天线应用场景，可以看出折叠光路的设计使得天线整体保持紧凑、便于安装.

图8 微波黑体发射率计量标准装置中应用的近场准光照射天线Fig.8 Near field quasi-optical illumination antenna used in the standard facility for microwave blackbody emissivity testing

准光近场照射天线可为微波黑体的积分反射率(发射率=1-积分反射率)测定提供必要的照射控制，以便在近场条件下测得来自微波黑体周期性结构的Floquet 散射瓣特征[4-10]，进而在其基础上完成有限散射测值向积分反射率的准确反演.准光近场照射天线形成的聚束性波束，可以降低微波黑体待测目标边缘和周围环境引入的测值扰动，同时降低天线-目标-天线的测量链路衰减，保证系统的动态范围.而准光照射天线在目标区形成的平坦相位，则可形成类平面波的照射和等效接收条件，是测得微波黑体Floquet 散射特征的关键，即其微弱的散射能量集中在数个Floquet 散射瓣之中，并且可以被电大口径准光天线所捕捉.

理想状态下，微波黑体所体现出的Floquet 散射特征[4,8-10]，即散射能量集中的Floquet 散射瓣的位置如式(6)所示：

式中：p是阵列单元的周期；(θi,φi)为入射平面波的来波方向；(θs,φs)为散射方向.在微波黑体发射率计量标准装置的测量中，θi=-7.5°、φi=0°.在φs=0°、θs=7°～90°的扫描面中，对于目标为周期7.5 mm 的阵列，其散射瓣数目分别为2 个(m≤1，@54 GHz)、4 个(m≤3，@183 GHz)和10 个(m≤9，@452 GHz).

如图9 所示，散射测量的目标包括：金属平板，用于观察实现的系统开路动态范围；金属裸锥阵列和微波黑体，二者具有相同周期尺寸(p=7.5 mm)，因此也具有相类似的Floquet 散射瓣特征.在图10 中，分别给出54 GHz、183 GHz、452 GHz 基于本文介绍的准光照射天线，针对微波黑体目标及其测量参照物的双站散射测值曲线[1](倾斜入射).根据周期结构的Floquet 散射理论，频率越高(周期p＞λ0)，则周期性阵列的Floquet 散射瓣数量越多.从图10(b)可以看到清晰的Floquet 散射瓣，且频率越高，Floquet 散射瓣数目越多.同时，从图10(c)可以看到，微波黑体的散射测值曲线在幅值上比金属目标的测值显著降低，但也可以在对应位置上观察到Floquet 散射瓣特征，说明准光近场照射天线的应用很好地达到了设计目的.从图10(a)可以看到一个清晰的镜像主瓣，同时当散射角增大到一定程度后，散射测值进入底噪区域；比较主瓣峰值电平和底噪信号电平，可以看到系统达到了70 dB 以上的开路动态范围，这对测定来自微波黑体的微弱散射至关重要.

图9 双站散射测量目标Fig.9 Bi-static scattering measurement

图10 不同频率处测得的双站散射曲线(HH 极化,7.5°倾斜入射)Fig.10 Bi-static scattering curves measured at different frequencies (HH polarization,7.5 degrees tilted incidence)

3 结 论

本文介绍了微波黑体发射率计量标准装置采用的准光近场照射天线的设计方法和实用效果.基于准光设计技术，将副瓣较高的圆锥喇叭辐射场，变换为聚束性好、副瓣低的波束，并可在较宽的工作频带内的目标区形成相位平坦的照射效果.折叠光路的引入，使得整体天线设计更为紧凑，实现了在角度扫描悬臂上的安装应用.通过40～500 GHz 的微波黑体目标及其金属参照物的双站散射数据可以观测到清晰的Floquet 散射瓣特征，并体现了测试系统的大动态范围，说明实现的准光照射天线达到了设计目的.本文介绍的准光近场照射天线设计方法，为亚毫米波段中一般性的近场散射和反射率测量提供了重要的参考.