由周期性排列的透鏡或反射鏡組成的波導結構。由於透鏡或反射鏡的聚束作用，被導引的電磁波集中在橫截面較小的區域內以波束形式傳播。
基本介紹
- 中文名：波束波導
- 外文名：beam waveguide
- 領域：電磁波學
- 又名：高斯型波束
- 研究時期：二戰後
- 套用：深空探測
基本概念,適用範圍,波束波導結構,波束波導天線發展,波束波導天線優點及其套用,
基本概念
波束的電磁場分布沿傳播方向呈周期性變化，沿徑向坐標ρ按高斯函式變化（α為常數），故又稱為高斯型波束。透鏡型波束波導由焦距為f 的介質透鏡按間距2f共軸排列組成（圖1）。由透鏡1的焦點發出的波束，通過透鏡1的相位校正，使aa′平面成為等相位面；透鏡 2則將 bb′平面的場相位校正成等相位面，並使在bc之間各點的場分布與ab之間對應各點的場分布相同，即波束以2f為周期重現。圖中的虛線表示波束的範圍。單眼射鏡型波束波導用焦距為2f的橢圓面按相鄰橢圓面共焦的方式排列(圖2)。a、b為橢圓面1的焦點；b、c為橢圓面2的焦點。從焦點a發出的波束，由橢圓面1反射到橢圓面2，然後反射到橢圓面3，沿鋸齒形路徑傳播。通過橢圓面的相位校正，使在路段b2c上各點的場分布與在a1b上對應各點的場分布相同，波束也以2f為周期重現。
適用範圍
根據鏡面的選擇不同以及工程實踐經驗，不同類型的波束波導有不同的傳輸損耗和不同的頻率適用範圍。介質透鏡型適用於光波，雙反射鏡型適用於微波，單眼射鏡型適用於毫米波和亞毫米波。高斯波束可用波紋圓錐喇叭作激發器。
波束波導結構
二戰後，世界上兩個超級大國美國和蘇聯在很長一段時間內處於冷戰階段，各自發展自己的軍事力量，尤其是空間技術的相互競爭和發展，催生了很多新的技術和新的領域。波束波導的研究就是開始於這一時期。19世紀60年代，B.Z.Katsenelenbaum等前蘇聯科學家提出了採用反射鏡來傳輸毫米波。實際上這些低損耗一系列聚焦的反射鏡就是構成現在的波束波導，1964年J.E.Degenford，等人在文章中正式將波束波導概念引入。波束波導其實就是由透鏡或反射鏡按照一定的規律周期性排列組成的導波結構，其主要功能就是把波束波導天線焦點的能量通過周期排列的鏡面傳輸到裝有射頻組件的地面工作室內的一點，或者把饋源發出的能量有效地傳輸到反射面天線的焦點處。相對於傳統的深空探測天線而言，波束波導的引用就不需要高費用的旋轉箱，解決了與此有關的一系列空間限制的難題。
波束波導天線發展
波束波導天線主要由卡塞格倫天線、波束波導、喇叭饋源三個部分構成。波束波導作為天線的核心部分，其發展主要經歷了以下幾個階段二戰後，世界上兩個超級大國美國和蘇聯在很長一段時間內處於冷戰階段，各自發展自己的軍事力量，尤其是空間技術的相互競爭和發展，催生了很多新的技術和新的領域。波束波導的研究就是開始於這一時期。19世紀60年代，B.Z.Katsenelenbaum等前蘇聯科學家提出了採用反射鏡來傳輸毫米波'。實際上這些低損耗一系列聚焦的反射鏡就是構成現在的波束波導。1964年，J.E.Degenford等人在文章中正式將波束波導概念引入。1966年，毫米波的波傳輸實驗由V.S.Averbakh等人成功地利用波束波導完成'。1973年，波束波導設計的幾何光學準則由M.Mizusawa和T.Kitsuregawa等兩位美國人提出。此後，波束波導在美國深空測控網大天線中得到了廣泛的套用。
波束波導的設計和分析方法伴隨著計算機技術的快速發展也越來越精確。80年代之前，高頻電磁算法作為波束波導的設計和分析的主要方法，後來毫米波得到了發展，高斯波束在分析毫米波所凸顯的優點被大家所熟知，波束波導的分析和設計開始逐漸採用高斯波束理論。此後，很多文獻在分析設計波束波導以及反射面天線時多採用高斯波束和改進高斯波束法。在實際的工程套用中，為了考慮透鏡或者反射鏡的金屬套筒對波束波導的電磁波波傳輸特性影響，AlanG.Cha等人提出了一種改進的物理光學分析方法。2007年，電大尺寸的混合數值算法由Abdrey A.Nosich提出，解決了高斯波束和電磁高頻算法在分析波束波導天線時忽略了鏡面之間的相互影響，成功分析了波束波導天線。我國在深空探測領域起步比較晚，國內很少有關於波束波導的研究文獻或專著。其中，北京跟蹤與通信技術研究所在這方面做了大量的工作，翻譯了很多關於深空探測技術方面的書籍。但是在波束波導天線饋源和反射面天線設計方面，特別是有關於波紋喇叭饋源和雙模喇叭饋源的分析和設計方面，也發表了很多關於這方面的專著和論文。章日榮、楊可忠老師編著的《波紋喇叭》、《現代面天線技術》和《特殊波束面天線技術》等專著詳細討論了反射面天線和各種性能饋源的分析和設計方法。
隨著我國載人航天工程的順利進行，深空探測技術將是未來研究的熱點。波束波導天線是深空探測的核心器件，它的主要研究將集中於分析方法和工程套用兩個方面。
波束波導天線優點及其套用
波束波導天線主要由卡塞格倫天線、波束波導、喇叭饋源三個部分構成。我們知道卡塞格倫天線具有增益高、波束窄、旁瓣低、駐波小、頻頻寬等優點，採用波束波導饋電的卡塞格倫天線除了具有上述優點以外，還具有以下一些重要的優點：
1、對於大型的深空探測天線而言，饋源和射頻前端的擺放位置很重要，因為其位置將影響以後系統工作過程中的維護和檢修。而波束波導形式的深空探測天線其饋源的擺放不再受卡塞格倫天線焦點位置的限制，可以安裝在地下保護室中，便於安裝和維護。
2、饋源遮擋造成的反射面天線增益下降，旁瓣性能惡化，駐波比提高等問題是我們設計反射面天線時所必須關注的，由於波束波導饋源安裝在地下保護室內，所以饋源對出射波束的物理遮擋沒有了，從而徹底避免了饋源的遮擋問題。
3、波束波導饋電和頻率選擇面的選擇使饋源的設計得到了簡化，S、X、Ka頻段饋源可以分別按照系統給定的指標進行最佳設計。
4、射頻組件和各種高頻設備都是安裝在地下工作間中的，從而使其工作環境得到了保障，也就是說系統的幅相特性得到了保證。
波束波導系統通常分為對稱型波束波導和非對稱型波束波導。一般情況下，對稱型波束波導套用的比較多。波束波導傳輸系統能夠將饋源發出的旋轉對稱波束傳輸到卡塞格倫天線的焦點處，是依靠兩個曲面反射鏡的物理參數的正確配置及相對位置的正確布局來實現的。根據Mizusawa和Kitsukegawad推導出的結論：第一、兩個曲面反射鏡的四個焦點必須共線；第二、第二枚反射鏡的離心率必須等於第一枚反射鏡的離心率或者互為倒數。
