星载太赫兹辐射计天线系统设计与分析

刘佳　张新刚　周卫来　张明涛　梁云

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)



星载太赫兹辐射计天线系统设计与分析

刘佳张新刚周卫来张明涛梁云

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710100)

摘要设计了一套星载太赫兹辐射计天线系统,分别由偏置大口径卡塞格伦反射面天线和前端准光学馈电网络组成,可以实现300 GHz、380 GHz和425 GHz三个频率通道同步接收电磁波辐射信号.详细介绍了准光学馈电网络的设计原理以及馈电组件的设计过程,通过仿真分析可以验证馈电网络的输出参数完全满足设计指标要求.还介绍了太赫兹辐射计天线模型的建立过程,通过分析并计算各频率通道的远场辐射特性,结果表明:天线系统具有高增益、高隔离度等良好的辐射特性,其主要电性能参数,如主波束效率、交叉极化水平等,明显优于其他辐射计系统参数,有效地验证了该天线系统设计方案的合理性与可行性.

关键词反射面天线；准光学馈电网路；极化线栅；频率选择表面；远场辐射方向图

引言

星载太赫兹辐射计天线系统是辐射计载荷重要的接收部件,主要用于被动接收来自地球表面电磁波辐射能量,其工作中心频率主要在100 GHz～10 THz的太赫兹频段[1].天线系统的辐射性能指标参数直接影响着辐射计的探测能力,然而由于太赫兹频段的辐射频率较高,波长尺度相对较小,天线馈电系统使用传统波导、微带传输线等微波器件时遇到器件尺寸过小、插入损耗过大,以及承载功率偏低等技术瓶颈.为了克服这些缺陷,辐射计天线常采用自由空间馈电的方式,即准光学馈电网络[2-3],由一系列的光学反射器、频率分离器、极化分离器,以及喇叭馈源级联组成的多个自由空间光学馈电通道,通过固面天线可以实现多频段、多极化工作,目前国际上已经有多颗卫星实现搭载该频段辐射计开展空间探测任务[4-5].

本文设计了一套太赫兹辐射计天线系统,由大口径反射面天线和准光学馈电网络组成,可以实现300 GHz、380 GHz和425 GHz三个频率通道同步接收电磁波辐射信号.其中300 GHz频率通道为典型大气窗口,用来作为测量参考通道,380 GHz和425 GHz频率通道分别用于测量地球表面大气湿度和温度分布[6].通过对天线系统以及馈电组件进行仿真建模和分析计算,考察了各频率通道的远场辐射特性,仿真计算结果表明该天线系统具备非常良好的工作特性,完全满足星载辐射计的应用需求.

1天线系统模型设计

太赫兹辐射计天线主要由反射面天线和准光学馈电网络组成,其中反射面天线采用偏馈式卡塞格伦反射面天线结构,主反射面为标准抛物面,第一副反射面为标准双曲面,第二副反射面为平面反射面.为了获得高于20 km的遥感和成像分辨率,天线主反射面设计为3 m入射孔径.准光学馈电网络采用3通道自由空间馈电结构,用于接收和分离入射到反射面天线的电磁波信号.

根据星载辐射计的遥感应用需求,天线系统需具备高增益、高隔离度,以及线极化工作状态,主要参数设计指标如表1所示.

表1　天线系统主要参数设计指标

辐射计天线系统主反射面首先接收到来自地球表面大气的电磁波信号,然后先后经过第一副反射面和第二副反射面输入准光学馈电网络,经过频率分离最后由相应通道的馈源接收.天线系统仿真模型设计示意图如图1所示.

图1　天线系统仿真模型设计示意图

2准光学馈电网络模型设计

准光学馈电网络是辐射计天线系统实现多频率、多极化工作的核心组件,馈电网络的设计直接决定天线系统的辐射性能.本节将详细介绍馈电网络的空间布局设计、极化线栅设计,以及频率选择表面设计等.

2.1馈电网络的空间布局设计

准光学馈电网络采用3通道多工器馈电结构,首先利用极化线栅对接收到的电磁波信号进行极化分离,其中380 GHz频率水平极化分量信号完全反射,300 GHz频率和425 GHz频率垂直极化分量信号完全透过,线栅分布方向为水平方向.然后利用频率选择表面对垂直极化分量信号进行高通滤波,其中300 GHz频率信号完全反射,425 GHz频率信号完全透过,最后各频率信号由相应通道喇叭馈源进行接收.准光学馈电网络设计方案与仿真模型示意图如图2所示,图中馈源1、馈源2、馈源3分别为300 GHz频率、380 GHz频率、425 GHz频率接收馈源.

在仿真设计过程中,为了保证天线系统实现无偏焦状态,馈电网络的三个频率通道的相位中心位置重合,且该位置正好也是反射面天线系统的相位中心位置[7].

(a) 馈电网络频率分离设计

(b) 馈电网络仿真模型设计图2　馈电网络设计方案与仿真模型示意图

馈电网络中各传输元件,如极化线栅、频率选择表面、椭球面反射镜、平面镜等均采取较小的波束入射角布局,有利于提高系统的交叉极化水平[8],考虑到空间布局的紧凑性,极化线栅和平面镜采取45°波束入射,频率选择表面(Frequency Selective Surfaces, FSS)和椭球面反射镜采取22.5°波束入射.

2.2极化线栅设计

极化线栅是馈电网络中进行极化分离的核心部件[9],其结构是一种平面周期结构,由等间隔的金属细丝平行排列而成,其工作原理示意图如图3所示.

图3　极化线栅工作原理示意图

如图3所示,入射波束中与线栅方向平行的极化分量完全反射,与线栅方向垂直的极化分量完全透过,其极化分离特性主要由线栅的结构参数(间距s和直径d)以及入射波束的工作波长λ共同决定.

极化线栅的HFSS仿真模型如图4所示,可以利用Floquet端口激励方式进行仿真计算,通过考察S参数可以获取线栅的极化分离特性.

通过仿真计算,当线栅间距和直径分别为0.084 mm和0.023 mm时,极化线栅表现出最优的极化分离特性,仿真结果如图5所示.

图4　极化线栅单元的HFSS仿真模型

(a) 垂直极化分量的传输特性

(b) 水平极化分量的反射特性图5　极化线栅的HFSS仿真结果

由图5中所示,入射波束经过线栅表面,其垂直极化分量的传输损耗小于0.02 dB,水平极化分量的传输损耗大于24 dB,即该结构线栅在其有效带宽280～440 GHz范围内的极化透过率和反射率均可以达到99.5%以上.仿真结果表明,该极化线栅进行极化分量分离的过程中,具有非常高的极化隔离度,且不会引入较大的插入损耗.

2.3频率选择面设计

FSS是馈电网络中实现频率分离的核心部件,由大量相同周期单元排列组成的平面结构,不同结构单元形式可以分别实现高通、低通、带通等频率滤波特性[10].根据馈电网络中的频率分离方案,需要将300 GHz和425 GHz频率信号有效分离,设计中采取高通滤波器的结构形式,为了进一步减小插入损耗,FSS选取圆形穿孔单层平板结构形式,单元周期采用六边形排列方式[11],频率选择表面的HFSS仿真模型如图6所示.

(a) FSS单元排列方式

(b) FSS单元模型图6　FSS单元的HFSS仿真模型

通过计算S参数可以获得频率选择表面的滤波特性,仿真结果如图7所示,当周期单元间隔和圆形穿孔直径分别为0.58 mm和0.44 mm时,可以表现出最优的频率滤波特性.

由图7中仿真计算结果可以明显看出：该FSS结构对于300 GHz频率信号具有非常高的反射率,其传输损耗可以达到25 dB以上;而对于425 GHz频率信号具有非常高的传输率,其传输损耗在0.05 dB以下.仿真结果表明,该频率选择表面在馈电过程中具有良好的高通滤波特性,可以获得极高的频率隔离度,且不会引入较大的插入损耗.

图7　FSS的HFSS仿真结果

3天线仿真与分析

3.1分析计算方法

为了有效验证设计方案的合理性和可行性,需要对天线仿真模型的远场辐射特性进行高精度的分析计算和实验相关测试,其中分析计算方法采用物理光学算法(PO算法),这种算法是一种近似算法,可以快速计算每一个反射器表面的感应电流,通过进一步分析计算,可以获得天线系统相应通道的远场辐射特性[12].

根据Collin公式,反射体表面的辐射场可以通过表面感应电流或者等效电流计算可得:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: Ae和Am分别为电场矢势和磁场矢势; Je和Jm分别为感应电流和感应磁流;ω为角频率；B为反射面感应区间;ε和μ分别为介电常数和磁导率,定义ξ为自由空间阻抗常数:

(5)

当R→∞时的辐射电磁场为反射体表面的辐射远场,根据公式(1)～(5),计算可得:

Efar =limR→∞[E(r')kRexp(jkR)]

(6)

r′)k2ds′.

(7)

3.2馈电网络仿真结果

根据图2中馈电网络的仿真模型,喇叭馈源输出为标准高斯波束,依次分别计算每个反射表面的感应电流,可以获得各频率通道的远场辐射特性,仿真计算结果如图8所示.

(a) 300 GHz通道远场辐射方向图

(b) 380 GHz通道远场辐射方向图

(c) 425 GHz通道远场辐射方向图图8　馈电网络各频率通道远场辐射特性

馈电网络的3个频率通道输出主极化波束轮廓均表现出良好的高斯特性,副瓣电平可以达到-50dB以下.馈电网络主要电性能具体参数仿真结果如表2所示.从表2中所统计的馈电网络主要电仿真参数仿真结果可以明显看出,3个频率通道的照射半张角与表1中设计要求基本一致,最大偏差约为0.03°.此外,馈电网络输出也表现出非常高的交叉极化水平,交叉极化电平可以达到-36dB以下,其中425GHz的最大交叉极化电平达到了-50dB,该仿真结果明显优于其他准光学馈电网络的设计结果[13].

表2　准光学馈电网络主要电性能仿真结果

3.3天线系统仿真结果

在馈电网络仿真结果的基础上,进一步添加反射面天线的仿真分析,考察天线系统各频率通道远场辐射特性,其仿真结果如图9所示.

由图9仿真结果可以明显看出,天线系统输出主极化波束轮廓均表现出良好的高斯特性, 表3中所统计的天线系统300GHz、380GHz、425GHz三个频率输出波束宽度分别为0.027°、0.042°、0.035°,交叉极化分别低于-37dB、-42dB、-50dB,仿真结果完全满足表1中的设计要求.此外,该辐射计天线系统表现出非常良好的辐射特性,主要电性能参数,如主波束效率、方向性系数最大分别可达到99%、77.5dBi以上,仿真结果明显优于其他太赫兹辐射计天线系统的设计结果[14],完全满足辐射计在轨应用需求.其中,300GHz频率通道的方向性系数要略高于其他两个高频通道,原因在于馈电网络不同频率通道的设计指标要求不同,300GHz频率通道的天线口面利用效率要略高于其他两个高频通道.

(a) 300 GHz通道远场辐射方向图

(b) 380 GHz通道远场辐射方向图

(c) 425 GHz通道远场辐射方向图图9　天线各频率通道远场辐射特性

频率/GHz波束宽度/(°)交叉极化/dB方向性系数/dBi主波束效率/%3000.027-3777.598.763800.042-4273.299.024250.035-5074.698.52

4结论

本文设计了一套多通道太赫兹辐射计天线系统,该系统由大口径反射面天线和准光学馈电网络组成,通过对天线系统进行建模仿真和优化计算,结果表明天线系统具有高增益、高隔离度等良好的远场辐射特性,其主要电性能参数,如主波束效率、交叉极化水平等仿真结果明显优于其他辐射计设计结果,有效地验证了该天线系统设计方案的合理性和可行性,对于进一步研制太赫兹辐射计天线提供了有力的技术保证.

参考文献

[1]LUCIAFC,PETKIEDT,EVERITTHO.Adoubleresonanceapproachtosubmillimeter/terahertzremotesensingatatmosphericpressure[J].IEEEjournalofquantumelectronics, 2009, 45(2): 161-170.

[2] 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: 1-30.

[3]刘越东, 杨雨田, 许戎戎, 等. 基于准光技术的 94GHz星载反射面天线设计[J]. 微波学报, 2012(S1): 46-49.

LIUYD,YANGYT,XURR,etal.Designof94GHzspacebornereflectorantennabasedonquasi-opticaltechnology[J].Journalofmicrowave, 2012(S1): 46-49. (inChinese)

[4]SCHOEBERLMR,DOUGLASSAR,HILSENRATHE,etal.OverviewoftheEOSauramission[J].IEEEtransactionsongeoscienceandremotesensing, 2006, 44(5): 1066-1074.

[5]MEDVEDEVIR,BEHNKEM,LUCIAFC.Fastanalysisofgasesinthesub-millimeter/terahertzwithabsolutespecificity[J].Appliedphysicsletters, 2005,86(15):154105-1-3.

[6]GASIEWSKIAJ.NumericalsensitivityanalysisofpassiveEHFandSMMWchannelstotroposphericwatervapor,cloudsandprecipitation[J].IEEEtransactionsongeoscienceremotesensing, 1992, 30(5): 859-870.

[7]GOLDSMITHP,Quasi-opticalsystems:gaussianbeamquasi-opticalpropagationandapplications[M].NewYork:IEEEPress, 1998: 157-307.

[8]MURPHYJA,WITHINGTONS.PerturbationanalysisofGaussian-beam-modescatteringatoff-axisellipsoidalmirrors[J].Infraredphysics&technology, 1996, 37(2): 205-219.

[9] 李彬, 王振占, 张升伟, 等. 大口径微波/毫米波极化线栅研制的新方法[J]. 电波科学学报, 2015, 30(3): 565-570.

LIB,WANGZZ,ZHANGSW,etal.Anewmethodtofabricatelargeaperturefree-standingpolarizedwiregridsatmicrowave/millimeterwavelengths[J].Chinesejournalofradioscience, 2015, 30(3): 565-570. (inChinese)

[10]樊振宏, 陈明, 汪书娜, 等. 有限周期频率选择面的电磁特性分析[J]. 电波科学学报, 2009, 24(4): 724-728.

FANZH,CHENM,WANGSN,etal.Electromagneticanalysisoffiniteperiodicfrequencyselectivesurfaces[J].Chinesejournalofradioscience, 2009, 24(4): 724-728. (inChinese)

[11]王新彪, 李靖, 张升伟, 等. 毫米波/亚毫米波临边探测仪准光技术[J]. 太赫兹科学与电子信息学报,2013(4): 595-562.

WANGXB,LIJ,ZHANGSW,etal.Quasi-opticaltechnologyinmillimeter/sub-millimeterlimbsounder[J].Journalofterahertzscienceandelectronicinformationtechnology, 2013(4): 595-562. (inChinese)

[12]陈海涛, 罗建新, 朱国强. 基于UV/MoM-PO的电大载体附近阵列天线的研究[J]. 电波科学学报, 2008, 23(2): 292-295.

CHENHT,LUOJX,ZHUGQ.Analysisofarraylocatedneartoelectriclarge-scaleplatformbasedonUV/MoM-POmethod[J].Chinesejournalofradioscience, 2008, 23(2): 292-295. (inChinese)

[13]ZHANGYF,MIAOJG,ZHAOHB,etal.Afive-frequencybandsquasi-opticalmultiplexerforgeostationaryorbitmicrowaveradiometer[C]//IEEEInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium.Munich:IEEE, 2012: 4676-4679.

[14]JØRGENSENR,PADOVANG,MAAGTP,etal.A5-frequencymillimeterwaveantennaforaspacebornelimbsoundinginstrument[J].IEEEtransactionsonantennasandpropagation, 2001, 49(5): 703-714.

Design and analysis of the terahertz radiometer antenna system on satellite

LIU JiaZHANG XingangZHOU WeilaiZHANG MingtaoLIANG Yun

(ChinaAcademyofSpaceTechnology,Xi’an710100,China)

AbstractWe designed a terahertz radiometer antenna which is composed of an off-set Cassegrain reflector antenna system and quasi-optical feed network. This antenna system can respectively receive the electromagnetic signals at the frequency of 300 GHz, 380 GHz, and 425 GHz. Firstly, the operational principle of feed network and quasi-optical components is analyzed in detail. The simulated results of feed network are satisfied with the requirements for antenna system. Secondly, the whole antenna system of radiometer is discussed and the far-field radiation pattern of each frequency range is calculated. The results are well demonstrated that the radiometer antenna system has good performances in high gain, high beam efficiency, and high cross-polar level, which are much better than other systems. Lastly, the feasibility and rationality of this radiometer antenna system are well proved.

Keywordsreflector antenna; quasi-optical network; polarized wires; frequency selective surface; far-field radiation pattern

收稿日期：2015-05-07

中图分类号V414

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0406-07

DOI10.13443/j.cjors.2015050701

作者简介

刘佳(1985-),男,陕西人,博士,中国空间技术研究院西安分院工程师,主要从事毫米波与亚毫米波天线分析和设计等方面的研究工作.

张新刚(1980-),男,河北人,博士,中国空间技术研究院西安分院高级工程师,主要从事星载多波束天线、赋形天线优化设计方面的研究工作.

周卫来(1983-),男,安徽人,硕士,中国空间技术研究院西安分院高级工程师,主要从事星载天线的设计与研究工作.

刘佳, 张新刚, 周卫来, 等. 星载太赫兹辐射计天线系统设计与分析[J]. 电波科学学报,2016,31(2):406-412. DOI: 10.13443/j.cjors.2015050701

LIU J, ZHANG X G, ZHOU W L, et al. Design and analysis of the terahertz radiometer antenna system on satellite[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):406-412. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015050701

联系人： 刘佳 E-mail：liuj_504@126.com