毫米波與亞毫米波準(zhǔn)光技術(shù)

前言

　　毫米波是指波長在1～10mm之間的電磁波，其頻率介于30～300GHz，亞毫米波是指波長在0.1～1mm之間的電磁波，其頻率介于300～3000GHz，其在軍事、民用方面有廣泛的用途，如通信、目標(biāo)探測、制導(dǎo)、遙感，不接觸式的金屬探測等，尤其在空間上有廣泛的用途，特別是在40GHz以上，以空間遙感為主的領(lǐng)域，如氣象衛(wèi)星中的大氣溫度與濕度的垂直分布的測量，我國的風(fēng)云三號A極軌氣象衛(wèi)星就載有60GHz的溫度計(jì)和150GHz的溫度計(jì)。在軍用方面，美國的新一代高頻軍事通信衛(wèi)星（AE-HF）載有Ka波段（20～32GHz）的相控陣通信系統(tǒng)與Ka星間鏈路通信系統(tǒng)。以上兩方面的應(yīng)用相比低端微波與紅外，毫米波與亞毫米波有不可比擬的優(yōu)越性?！　×硗?，毫米波與亞毫米波技術(shù)也是電磁計(jì)算技術(shù)與復(fù)雜高精度工藝技術(shù)的結(jié)晶。由于其波長在毫米級，其制造精度要求極高，以反射面（拋物、橢球或雙曲面）為例，在100GHz時(shí)，形面精度要小于0.06mm，對于直徑大于500mm的反射面的加工是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，對于口面尺寸只有幾個(gè)波長（一般在3個(gè)波長以下）、內(nèi)部又有復(fù)雜齒槽的饋源，其制造難度更大?！　∽鰹橐粋€(gè)完整的毫米波與亞毫米波系統(tǒng)，應(yīng)包括信號源、接收前端、混頻、能量傳輸與分配網(wǎng)絡(luò)、測量等，反射面系統(tǒng)是最重要的前端設(shè)備，也是其分析與設(shè)計(jì)理論最復(fù)雜的部分。在此基礎(chǔ)上，配備不同的電路部件，即可完成整個(gè)毫米波系統(tǒng)的功能。反射面分析一般常分為幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法，對于更高精度的要求如旁瓣的要求，可采用物理光學(xué)與uTD等相結(jié)合的方法，但它們需要在反射面口面的每一點(diǎn)進(jìn)行積分計(jì)算，對于大口徑的天線（如口面直徑／波長大于100以上的），需要巨大的計(jì)算量。雖然從單純的計(jì)算速度來講，現(xiàn)在的計(jì)算硬件已不成問題，但對于需要多次優(yōu)化工程設(shè)計(jì)來說，還需反復(fù)修改計(jì)算，特別對于多反射面、多通道系統(tǒng)來說，分析計(jì)算的時(shí)間就更長?！　≡诜瓷涿嫣炀€的分析與設(shè)計(jì)方面，目前雖然有如TICRA公司的GRASP軟件（物理光學(xué)與UTD的混合法）可進(jìn)行分析，波紋喇叭也可用通用電磁仿真軟件如HFSS、MwS進(jìn)行分析，但真正具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件，均分散在各研制單位的研制者中，離商用軟件的功能還有很大的距離，俞俊生、陳曉東兩位教授研制的SiMatrix軟件，其最大優(yōu)點(diǎn)是利用衍射高斯波束法（DBGA）能對多反射面系統(tǒng)進(jìn)行快速分析，具有模塊化的特點(diǎn)。

內(nèi)容概要

《毫米波與亞毫米波準(zhǔn)光技術(shù)》基于北京郵電大學(xué)電磁場與微波技術(shù)國際開放實(shí)驗(yàn)室（桃園實(shí)驗(yàn)室）所研究的毫米波與亞毫米波準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目而成，包括完整的毫米波與亞毫米波分析方法、準(zhǔn)光學(xué)基礎(chǔ)概念及分析方法、高斯波束在準(zhǔn)光學(xué)中的應(yīng)用分析方法、三反射緊縮場天線測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)等理論方面；還包括對準(zhǔn)光濾波器的分析設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)方法、準(zhǔn)光學(xué)仿真軟件的介紹、天線近場以及遠(yuǎn)場測量等實(shí)用方面。

書籍目錄

第1章 緒論　1.1 準(zhǔn)光技術(shù)的應(yīng)用　1.2 技術(shù)現(xiàn)狀　1.3 本書主要內(nèi)容　參考文獻(xiàn)第2章 高斯波束傳播　2.1 基本高斯波束的傳播　　2.1.1 近軸波動方程　　2.1.2 柱坐標(biāo)下高斯波束的基?！　?.1.3 一維、二維直角坐標(biāo)系下的高斯基?！?.2 高斯波束傳播的描述　　2.2.1 基模在束腰附近的能量分布　　2.2.2 基模能量分布　　2.2.3 共焦距離：近場與遠(yuǎn)場　2.3 高斯波束的高次?！　?.3.1 柱坐標(biāo)下高斯波束的高次模　　2.3.2 直角坐標(biāo)系下的高次?！?.4 高斯波束的測量　2.5 高斯波束參數(shù)的關(guān)系　參考文獻(xiàn)第3章 高斯波束轉(zhuǎn)換　3.1 射線矩陣與復(fù)雜波束參數(shù)　3.2 典型的波束轉(zhuǎn)移矩陣　　3.2.1 自由空間中的波束轉(zhuǎn)移矩陣　　3.2.2 介質(zhì)連接處的波束轉(zhuǎn)移矩陣　　3.2.3 薄透鏡的波束轉(zhuǎn)移矩陣　　3.2.4 橢球面鏡的波束轉(zhuǎn)移矩陣　3.3 透過聚焦器件時(shí)高斯波束的轉(zhuǎn)換　　3.3.1 一般準(zhǔn)光系統(tǒng)中高斯波束的轉(zhuǎn)換　　3.3.2 薄透鏡的傳輸特性　　3.3.3 高斯望遠(yuǎn)鏡　3.4 模式匹配　參考文獻(xiàn)第4章 饋源　4.1 高斯波束展開　4.2 波前曲率半徑　4.3 波束半徑　4.4 束腰位置以及復(fù)幅度　4.5 不同饋源的高斯波束展開　　4.5.1 空腔圓形介質(zhì)波導(dǎo)的EH11模式　　4.5.2 波紋喇叭饋源　　4.5.3 圓光滑內(nèi)壁喇叭饋源　　4.5.4 雙模喇叭饋源　　4.5.5 錐角喇叭饋源　　4.5.6 幾種饋源的比較　4.6 饋源的加工工藝　參考文獻(xiàn)第5章 頻率選擇表面　5.1 頻率選擇表面簡介　5.2 頻率選擇表面的發(fā)展與現(xiàn)狀　5.3 頻率選擇表面的應(yīng)用　5.4 頻率選擇表面的幾何參數(shù)　5.5 頻率選擇表面的分析方法　5.6 頻率選擇表面的設(shè)計(jì)方法　　5.6.1 頻率選擇表面的設(shè)計(jì)思路　　5.6.2 準(zhǔn)光系統(tǒng)中頻率選擇表面的設(shè)計(jì)考慮　　5.6.3 54GHz低通型頻率選擇表面的設(shè)計(jì)與仿真　5.7 頻率選擇表面的測試　5.8 頻率選擇表面性能的影響因素及改進(jìn)方法　參考文獻(xiàn)第6章 準(zhǔn)光網(wǎng)絡(luò)反射面設(shè)計(jì)　6.1 橢球面反射鏡設(shè)計(jì)　6.2 拋物面反射鏡天線　參考文獻(xiàn)第7章 衍射高斯波束分析法　7.1 高斯波束分解　　7.1.1 雙窗函數(shù)　　7.1.2 高斯波束系數(shù)　　7.1.3 軸向分量　　7.1.4 用FFT計(jì)算二維積分　7.2 邊界衍射波　　7.2.1 前向場分布　　7.2.2 后向場分布　　7.2.3 斜入射時(shí)衍射場分布　　7.2.4 高斯波束的反射　　7.2.5 表面外推法　　7.2.6 遠(yuǎn)場的計(jì)算　7.3 反射鏡面　7.4 衍射高斯波束分析方法小結(jié)　7.5 其他方法簡介　參考文獻(xiàn)第8章 周期矩量法第9章 準(zhǔn)光系統(tǒng)仿真軟件SiMatrix介紹第10章 系統(tǒng)測試第11章 緊縮場天線測量系統(tǒng)參考文獻(xiàn)附錄　復(fù)射線理論

章節(jié)摘錄

　　的頻率復(fù)用的需求，同心多環(huán)單元繼承了環(huán)狀單元的入射角敏感性低和極化敏感性低的特點(diǎn)。因此，同心多圓環(huán)被應(yīng)用于多帶寬FSS的設(shè)計(jì)。到了20世紀(jì)90年代，為了解決彎曲FSS的應(yīng)用問題，在分析上采用局部平面技術(shù)（LPT），同時(shí)，利用復(fù)雜的幾何學(xué)方法來生成FSS貼片形狀。　　隨著FSS的發(fā)展，有源FSS也成為FSS研究的一個(gè)重點(diǎn)。有源FSS誕生在20世紀(jì)80年代初期。有源FSS的應(yīng)用使得可以通過加壓控制FSS的頻率響應(yīng)特性，使有源FSS可以在某個(gè)頻率段從完全反射轉(zhuǎn)變成完全透射，也可以設(shè)置FSS的反射特性隨時(shí)間變化。實(shí)際上在與入射電磁波感測器捆綁后，可以達(dá)到隨著電磁波的入射角、方位角、極化、頻率的不同，實(shí)時(shí)改變FSS的電磁特性以滿足應(yīng)用要求。而這種功能使得有源FSS在RCS減小以及可反復(fù)配置的反射系統(tǒng)及透射系統(tǒng)中得以應(yīng)用?！　∮嘘P(guān)FSS的研究，國內(nèi)起步較晚，到目前為止，我國對FSS的分析研究只局限于幾種特殊結(jié)構(gòu)單元，對于一般結(jié)構(gòu)FSS的反射與透射特性研究則仍然很缺乏。但工程應(yīng)用的需要使其迅速成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，近10年來發(fā)展很快。目前，有關(guān)FSS的理論與應(yīng)用已成為工程電磁學(xué)的一個(gè)方向。　　目前，國外較成熟的毫米波、亞毫米波輻射計(jì)載荷大多采用的是準(zhǔn)光結(jié)構(gòu)的前端系統(tǒng)，例如，美國的AMSU-B，GMPR和歐洲的MHS等。　　最近幾年，由于我國空間領(lǐng)域的快速發(fā)展，加大了對FSS的研究投入，采用FSS設(shè)計(jì)的副反射面天線實(shí)現(xiàn)天線的多頻復(fù)用以及用FSS設(shè)計(jì)FSS天線罩。國內(nèi)研制的風(fēng)云三號衛(wèi)星上的微波成像儀載荷采用的仍然是饋源喇叭陣列的形式。國內(nèi)有關(guān)準(zhǔn)光學(xué)多通道輻射計(jì)前端系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正在開展之中。

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