三维准光网络系统的仿真和实验验证

发布时间：2020-10-30 18:19

　　 准光网络系统能够在自由空间低损耗地传播电磁信号,并将信号分成不同频段、不同极化的多个通道进行处理。因此,准光技术广泛地应用于深空探测和微波遥感领域。近年来,深空探测以及微波遥感系统的工作频率逐渐进入到毫米波、亚毫米波太赫兹频段。频率的升高对准光网络系统提出了更高的要求。首先,频率的升高对准光器件的设计、加工、仿真带来了更多的挑战；其次,准光系统中的通道数越来越多,对准光系统的小型化提出了苛刻的要求；最后,在如此高的频率下,如何成功地测试准光网络系统的整体电性能是一个迫切需要解决的实际问题。在这种需求的背景下,作者围绕三维准光网络系统的仿真和实验验证,开展了一系列的研究,包括三维准光系统的仿真、系统小型化设计和毫米波亚毫米波太赫兹紧缩场测试。本文主要研究内容包括模块化三维衍射高斯波束分析方法的实现、三维准光网络系统的研制以及高斯波束分析方法应用于毫米波亚毫米波太赫兹紧缩场的电性能仿真验证。本文的主要贡献在于：首先,本文在二维高斯波束分析方法的基础上提出并实现了一种模块化三维衍射高斯波束分析方法。该方法由框架Gabor展开、三维高斯波束反射以及衍射技术组成。在整个算法中,采用了全平面展开、全镜面分析以及新的三维高斯波束衍射技术。该方法能够分析三维的准光网络系统,从而解决了伦敦大学玛丽女王学院提出的衍射高斯波束分析方法只能分析二维准光网络系统的问题。整个方法的分析流程如下：a)在入射展开平面上,场分布采用框架Gabor变换分解为一系列矢量形式的子高斯波束的叠加；b)利用高斯波束传播理论追踪这些子高斯波束、求解其与镜面的交点、对局部的镜面进行双抛物面的建模、并给出了高斯波束入射到双抛物面反射或衍射的解析表达式；c)总的出射场分布是所有子高斯波束反射场和衍射场的叠加；d)如果是最后一个镜面,则分析结束,否则将出射场再次展开成为子高斯波束的叠加,继续分析下一个器件。在三维高斯波束分析方法中,本文最重要的创新点是提出了一种三维高斯波束入射到半抛物面的衍射方案。在这种方案中,半抛物面的切平面不一定在抛物面的主轴方向上,从而将Zogbi的衍射方案拓展到了实际的应用场景,能够分析偏置镜面的边缘衍射问题。同时,本文将这套算法集成到了可视化仿真软件SiMatrix中,使其能够仿真三维的准光网络系统。其次,为了验证模块化三维高斯波束分析方法的精确性,本文设计、仿真并测试了一套双通道三维准光网络系统。整个系统采用了两层结构,工作在183GHz和325GHz的大气水汽吸收峰,包括两个波纹喇叭馈源、三个椭圆反射面以及一个频率选择表面等关键器件。系统采用频率选择表面对两个频段进行分离。其中,325GHz通道的信号透射过频率选择表面在上层板传输,而183GHz通道的信号被频率选择表面反射到下层板接收。本文采用模块化三维衍射高斯波束分析方法以及天线近场扫描技术对系统进行了仿真和测试,仿真结果与测试结果在远场方向图主瓣区域的吻合度达到了-30dB,从而验证了算法的精确性。与传统准光网络系统所有器件都在同一个平面上的结构二维结构相比,三维准光网络系统结构更为紧凑,满足了准光系统小型化设计的需求。本文探讨了三维准光网络系统设计需要考虑的一些关键问题,例如波束入射角的选择、频率分离的方案以及三维网络的空间布局,对今后更为复杂的三维准光网络系统的设计提供了借鉴。除上述主要工作以外,本人有幸参与了“十二五”民用航天预先研究项目中的部分工作,采用高斯波束分析方法对紧缩场系统进行了仿真,仿真的结果与测试的结果在静区范围内幅度相差小于1.1dB,与商业软件GRASP的物理光学法相比幅度相差小于1dB,而在325GHz以上计算效率是物理光学法的五倍以上,证明了高斯波束分析方法在分析电大尺寸的反射面系统时的高效性,为今后设计更高频率、更大口径的太赫兹反射面紧缩场系统提供了一种快速设计验证的手段。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN929.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 准光技术在国内外的发展
        1.1.1 准光网络系统的发展和挑战
        1.1.2 准光技术中的高频电磁计算方法
        1.1.3 毫米波、亚毫米波频段测试技术的发展
    1.2 论文研究内容
    1.3 论文主要创新点
    1.4 论文结构安排
第二章 高斯波束基本理论
    2.1 高斯波束的近轴近似解
    2.2 象散高斯波束及其特性
    2.3 准光网络的馈源系统
    2.4 本章小结
第三章 模块化三维衍射高斯波束分析方法
    3.1 高斯波束的展开技术
        3.1.1 双窗口函数的求解
        3.1.2 场的分解和合成
    3.2 高斯波束的反射技术
        3.2.1 三维象散高斯波束入射到双抛物面的反射
        3.2.2 曲面参数的求解
    3.3 高斯波束的衍射技术
        3.3.1 三维象散高斯波束入射到半抛物面的衍射
        3.3.2 衍射算法数值仿真验证
        3.3.3 与边界衍射波理论进行对比
    3.4 三维衍射高斯波束分析方法数值模拟实例
    3.5 带频率选择表面的系统仿真
    3.6 三维准光网络仿真软件SiMatrix的实现
        3.6.1 镜面统一建模和三维的实现
        3.6.2 二维和三维系统仿真对比
        3.6.3 三维可视化仿真软件SiMatrix的工程化
    3.7 本章小结
第四章 双通道三维准光网络的设计和验证
    4.1 通道三维准光网络的设计
    4.2 准光系统关键器件的设计、加工和测试
        4.2.1 波纹喇叭馈源的设计
        4.2.2 椭球镜的设计
        4.2.3 频率选择表面的设计
    4.3 三维准光网络系统的加工和测试
    4.4 本章小结
第五章 高斯波束分析方法在太赫兹紧缩场系统中的应用
    5.1 三反射镜紧缩场系统简介
        5.1.1 三反射镜紧缩场系统性能指标简介
        5.1.2 三反射镜紧缩场系统设计流程简介
    5.2 高斯波束分析方法对三反射镜紧缩场的仿真
        5.2.1 三反射镜紧缩场系统在SiMatrix中的建模
        5.2.2 三反射镜紧缩场系统仿真流程
        5.2.3 三反射镜紧缩场系统仿真结果
        5.2.4 紧缩场天线测量系统自动化测试和校准软件
    5.3 本章小结
第六章 结束语
    6.1 论文的研究意义和应用价值
    6.2 对未来研究工作的展望
参考文献
附录1 缩略语说明
致谢
攻读学位期间发表的学术论文

【参考文献】

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1 杜惠平，王长生;Gabor展开法及其在波场分析中的应用[J];重庆邮电学院学报;1994年02期

本文编号：2862836