准光网络系统中关键器件的设计方法研究

1、准光网络系统中关键器件的设计方法研究在毫米波（MMW和亚毫米波（Sub-MMW频段,受益于“大气吸收”和“大气窗 口 ”的两个重要传输频谱特性，准光网络系统（QONS作为天线系统收发器前端的 重要设备,通过改变高斯波束（GB）的传播方向和波束半径来分离或者合成不同通 道的信号从而实现光路转换。 因此, 准光系统被广泛应用在遥感成像、 射电天文、 雷达探测、导弹制导、生物医学、机场安检等众多领域。国外的准光学技术经过长期的发展 ,已经积累了很多理论及实践方面的成果。相比之下,受限于超精密机械加工条件和测试环境的限制,国内在MM和Sub-MMW 准光技术领域仍有待进一步地提高，尤其是针对QON中关

2、键器件的设计和测试 方面需要进行细致地研究。在此需求背景下 ,博士期间有幸参与了实验室的部分航天项目 ,开展了一系列关于QONS!论分析、三种关键器件设计和近远场测试技术的研究工作，论文涉 及的五个研究内容和共同成果分别是 :首先,完成了一种针对双反射镜面的快速电磁分析和计算方法。基于物理光学方法（PO）和几何光学方法（GO）,提出和验证 了基于“ GB分析方法”实现连续寻迹双反射镜系统的电磁分析技术 ，包括利用“Gabor展开方法”和“点匹配方法（PMM”对输入场方向图的GB展开、使用象散高斯波束建立镜面的抛物面反射模型和利用 Q矩阵获得反射高斯波束参数、通过GB的连续寻迹技术分析两种不同的

3、双椭圆和双抛物 QON输出场。电磁计算结果表明了 GB连续寻迹技术在分析双镜面 QON中,输出近场分布可以精确到-60dB、远场方向图可以精确到-50dB。其次,利用准光模式转换器实 现了高斯模式变换。基于辐照度矩量方法设计双赋形镜面系统组成的准光模式转换器 ,可以将混合的高阶高斯波束模式转换为基模高斯波束（FGB）模式GB（O,O）,并能够同时完 成对输出场的幅度和相位矫正，从而解决了多镜面QON中存在的波束扭曲问题。应用三阶、四阶、五阶矩量方法 , 从七个方面对比了算法在前十五种混合高阶 GB模式中的转换能力 ,证明了四阶辐照度矩量算法是最高效的 ,它能够将高斯基模比例最少低至40%勺混合

4、GB模式恢复到纯FGB模式。这种电磁分析技术的优点是计算速度快，仅需要614次迭代后就可以收敛 到 10-32。另外,通过线性相位拟合出双赋型镜面之后 ,镜面系统加工难度降低和具有宽广的工作带宽特性。第三, 设计了两种具有高性能高斯辐射特性的喇叭馈源。研究了圆波导内常 见TE和TM模式的口径场分布。采用球面波展开方法（SWE分析了一种超高斯馈源喇叭的口径场分布及其HE1n和EH1n模式的组成成分。利用模式匹配方法（MMM中的散射矩阵分析了圆波导不连续性结构 , 设计和优化出了两种具有高斯辐射特性的 “波纹喇叭”和“线 性圆锥喇叭”。其中,Tanh波纹喇叭在中心频率322GHZ勺副瓣和交叉极化电

5、平分别达到-40dB和-58dB。另外一种三段式线性圆锥喇叭也获得了优异的高斯辐射特性,它 的副瓣电平和交叉极化电平在 310GHz-340GHz范围内小于-30dB,能够降低高斯喇叭的加工难度 , 适合工作在喇叭阵列的形式。第四, 优化、加工和测试了具有良好工作性能的波束分离器件即两种网格极 化器。设计了两种可仿真工作在1GH500GHz范围内的线网格极化器（WGP）, 分别是独立式WGP和介质板式WGP优化结果表明了当极化器的间距比 g/2a=3.1,3.25 范围时,两者可以获得最佳的极化隔离度。通过对不同介质层位置的研究 , 拥有“后向抗反射层 （ARL）形式”的周期性结构可以获得最佳

6、的反射和透射效果。更重要地,根据介质板WGP勺最佳仿真结构确定了器件加工参数,完成了极 化器的加工和75GHz-325GHZ的测试工作。其中,在测试介质板 WGP中,将“时域测试技术”应用到了宽频带透射极化隔离度曲线的测试上 , 消除了测试过程中来 自环境勺杂散信号和多路径效应勺影响。典型的,透射极化隔离度在183GHz和324GHz测试下分别是-25.33dB和-19.06dB。最后，使用不同天线近远场测试与分析技术开展了评估QONS整体性能的工作。依赖于双通道QONS勺设计和近远场测试软件系统的开发,在使用介质板WGP 作为波束分离器件后,实现了 183GHz水平极化信号的反射和324GHz垂直极化信号的透射。在输出平面的近场测试中,获得了 183GHz通道的三种不同反射平面场（极化器、铜板、铝板）和324GHz通道的二种不同透射平面场（极化器、空气直 通）。进一步地,通过三种不同远场分析方法 ,分别是近远场转换理论、 理想静区积 分原理和直接CATF远场测试,对比分析了 QON鋪输出近场和远场平面波束的质量, 详细分析了双通道输出场在波束能量损失、平面方向图对称性、波束半径、 交叉极化隔离度和副瓣电平上的差异性。 一系列的测试对比结果表明了在使用介质板WGP后,QON鋪反射和透射通道的输出场能够获得圆对称的平面方向图、高 的交叉极化隔离度、较低的能量损耗和副瓣电