波束波导传输系统与天线设计

石俊峰 马汉清 赵交成

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

随着科学及军事研究对高功率、高频率微波源的需求，促使以电子回旋管为代表的高功率微波源不断发展，逐步产生了一门新的边缘科学——高功率微波技术。高功率微波天线技术是高功率微波应用中的一个重要环节，决定着能否将能量有效的辐射出去。但当系统工作在毫米波及以上频段时，由于基模系统损耗过大，传统的基模波导传输系统不再适用，本文将要介绍的波束波导传输系统及天线的设计，很好的解决了这一问题，对增加系统功率容量，减小系统体积，提高系统效率有重要意义。

2 波束波导传输系统简介

波束波导传输系统将一系列的平面镜和曲面镜按一定的位置排列，对馈源的辐射波束沿指定路径进行精确的引导，使其到达前端的天线并辐射出去［1］。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，实现方位面与俯仰面的扫描。图1为一典型的波束波导天线结构示意图［2］。

此天线的馈源为喇叭天线，其主波束经四级镜面反射之后通过前端的卡式天线辐射出去。如图1所示，可通过两级转动装置分别沿方位轴与俯仰轴旋转以实现方位面与俯仰面的扫描。需要特别说明的是，当借助波束波导系统进行天线旋转时，极化方向会发生变化，因此在雷达中运用时，只适合辐射和接收圆极化波。本文设计的天线应用在高功率微波领域，不接收回波信号，因此可做成线极化形式。

图1 波束波导天线结构示意图

3 馈源的设计

在高功率微波领域，以回旋管为代表的许多微波源的输出波模式多为圆波导轴对称模，如TE01模。这种模式的辐射方向图成空心圆锥状，不适合直接作为天线激励。为了使天线具有较高的定向辐射特性，必须通过模式变换器将其转换为易于空间发射的TE11、HE11模，或其他准高斯模式，才能进行波束波导传输［3］。

考虑到天线系统整体尺寸、后续加工及功率容量等问题，决定采用Vlasov辐射器［3］作为模式变换器，将微波源的输出模变换为准高斯模。为使其E面和H面波束等化，在其上方添加了一级反射面，将Vlasov辐射器及此反射面统称为Vlasov天线。其工作频率为f0=94.5GHz，天线的结构如图2所示，远场仿真方向图如图3所示。

图2 Vlasov天线结构示意图

图3 Vlasov天线仿真方向图

4 馈源的等效高斯波束分析

高斯波束在传播过程中，大部分能量集中在传播轴附近，其横向上的幅度是变化的，且符合高斯分布［4］。高斯波束在近轴近似条件下的基模为:

式中ω为波束半径，定义为幅度下降为1/e处的位置;在z=0处，高斯波束的波束半径最小，用ω0表示，定义为束腰。下面列出高斯波束几个重要参量之间的相互关系:

式中，R为高斯波束波前曲率半径;θ0为在远场的极限条件下，波束半径增大的渐近角。

波束波导天线的馈源多采用波纹喇叭形式，因为此类馈源的辐射波束对称性好，交叉极化低，关于波纹喇叭辐射波束的高斯波束展开，可以参看参考文献［4］。而关于Vlasov天线辐射波束的高斯波束展开，目前还没有成熟的方法，但由式(2)、(3)、(4)，可知束腰ω0为高斯波束的核心参数，如果求得ω0，高斯波束的很多性质就可以大致确定。由波束半径ω的定义，结合馈源的仿真结果，可得Vlasov天线的波束半径增大的渐近角θ0≈5°，又馈源的工作频率为 f0=94.5GHz，可得 λ=c/f0=3.17mm，由式(4)，可得:

即Vlasov天线的等效束腰半径为11.5mm。

5 波束波导传输系统设计

由馈源的仿真结果可知，辐射功率的最大方向不在波导的轴线上，鉴于此，拟采用图4所示六级反射面结构，结构尺寸如图4所示。

图4 六级反射面的波束波导天线

其工作原理为:Vlasov天线的斜出射波经椭球镜R1、R2的反射之后，主辐射方向转变为垂直于水平面，经后四级镜面的反射到达前端的卡式天线。此设计方案中前两级椭球面主要起调整波束传播方向的作用，后四级反射面(平面镜M1、M2及椭球镜R3、R4)起引导波束的作用，同时通过引入转动装置，可使天线在水平方向及俯仰方向上进行扫描。

实现扫描的具体过程可参看图4，当天线需要在方位面进行扫描时，以方位轴为中心，转动平面镜M1及以上各个反射面，即可实现方位面扫描;当天线需要在俯仰面进行扫描时，以俯仰轴为中心，转动M2及以上部分，即可实现俯仰面扫描，结构实现时拟采用与图1所示类似的机械结构。

在波束波导传输系统设计时，还需要保证波束经过最后一级反射镜M2出射后，其波束特性与Vlasov天线的特性基本一致，这样在系统连调时，可将Vlasov天线直接作为卡式天线的馈源进行测试与分析，方便系统调试。

具体到每个反射面的设计，只需确定其尺寸与形状。对于反射面的尺寸，通常选取镜面半径为镜面处入射高斯波束半径的两倍，这样可以保证98%以上的能量被反射［4］。由于本设计方案涉及到高功率，为进一步减小衍射，所选取镜面的半径略大于波束半径的两倍。对于平面镜来说，其尺寸确定以后整个设计就完成了，而椭球镜既要考虑镜面的尺寸，还要考虑镜面的形状。在对椭球镜进行设计时，有一个有用的结论:当Ri=R1，Re=R2时达到匹配，如图5所示。

图5 椭球面反射镜几何结构

这表明当入射波在反射镜处的球面相位波前对应的曲率半径Ri与入射点和椭球面的反射镜所在椭球几何焦点F1之间的R1相等，同时Re与椭球面反射镜光心和椭球另一个几何焦点F2之间的距离R2也相等时，入射波束与出射波束匹配。本文选择所有椭球面镜的R1=R2，通过高斯波束展开，选择椭球镜的入射点和出射点之后，椭球面就可用圆柱体或圆锥体截取椭球体的方法获得，需要说明的是，选择不同的入射点和出射点，截取镜面的形状也不同。高斯波束经镜面的反射后，其辐射特性会发生变化，在设计时，需要对经过镜面反射之后的高斯波束的参数进行研究。对于平面镜，高斯波束反射后只改变传播方向，其他参数不发生改变;对于椭球镜，高斯波束反射后的传播情况，可以等效为透镜处理，具体方法可参阅参考文献［4］。合理调整各个反射面参数，保证Vlasov天线经六级反射面之后的出射束腰与其束腰近似相等，就完成了六级反射面的设计。

将设计好的反射面，在仿真软件QUAST建模并进行优化，如图6所示。

图6 波束波导在QUAST中的模型

6 反射面天线的设计

如前所述，波束波导系统输出波束与Vlasov天线基本一致，因此，可以直接将Vlasov天线作为卡式天线的馈源进行反射面设计。图7所示的为Vlasov天线直接作为馈源时卡式天线的结构示意图。此天线采用的为偏馈形式，主面焦距为1.8m，直径为1.2m，副面直径为0.29m，Vlasov天线位于图中馈源所示位置。

图7 Vlasov天线作为馈源的卡式天线

7 仿真结果及分析

将设计好的反射面在 QUAST建模，并在GRASP下生成立体模型，见图8所示。

将生成的模型进行仿真分析，其远场方向图分别如图9、图10所示，其中虚线为交叉极化，实线为主极化。

由仿真结果可得，天线远场方向图对称性较好，增益可达59.5dB，波束宽度为0.17°，基本达到了设计要求。

8 仿真结果对比

为了验证设计的正确性，决定将设计好的天线系统分别在HFSS和GRASP建模并仿真分析，并将仿真结果进行对比。考虑到在HFSS中仿真电大尺寸的反射面天线所需硬件较高，所需时间较长，如将整个天线系统放在HFSS中进行仿真较难实现，所以本文选择馈源加上前两级反射面分别在GRASP和HFSS12中进行了仿真。图11、图12、图13分别为两者在不同切面处的仿真结果对比，其中虚线为GRASP仿真结果，实线为HFSS12的仿真结果。

由仿真结果的对比可知，两种算法算得的前两级反射面出射波束方向图基本吻合，只有两主波束的指向略有差异。分析原因为:在GRASP中进行仿真时，仅导入Vlasov天线远场的几组切面数据的幅度值代表其远场，未充分考虑其相位特性。实际上，由于前两级反射面的口径均满足-30dB边缘照射条件，因此前两级出射波束的指向将不会显著影响后续波束波导系统的传输特性。

分析以上原因带来的误差，同时结合仿真结果，证明设计方案是准确的，结果是真实可信的。

9 结论

本文结合工程需求，设计了一款适用于高功率微波传输的波束波导天线。考虑到高功率微波源输出波模式不适合作为天线的激励使用，使用了Vlasov天线对输出波模式进行变换，同时为了实现方位面与俯仰面的波束扫描，采用了六级反射面结构。本文对设计方案进行了仿真分析，结果达到设计目的。文章最后将GRASP与HFSS12仿真结果进行了比较，发现两者吻合较好，验证了设计的合理性与正确性。下一步工作的重点将对天线结构作进一步研究，并进行实物加工及测量。

［1］William.A.Imbriale.Design and applications of beam waveguide systems［C］.Aerospace Conference，1997.Proceedings，IEEE.Vol.AP-21，February 1973.

［2］Brent Toland，Alon S.Barlevy，William M.Hughes and Dan R.Johnson.Novel Three-Axis Beam Waveguide Feed for Space-Based Millimeter-Wave Applications［J］.IEEE Transactions On Antennas And Propagation，1997，45(6).

［3］袁成卫，高功率微波轴对称模式天线辐射技术研究［D］.国防科技大学研究生院硕士论文，2002.

［4］俞俊生、陈晓东，毫米波与亚毫米波准光技术［M］.北京:北京邮电大学出版社，2010.