8mm點聚焦透鏡天線設計

摘 要： 根據對物體毫米波信號采集的需要，設計一種工作于8 mm頻段的點聚焦透鏡天線，選用寬波束微帶天線做饋源，設計焦距大小不同的雙面透鏡，采用電磁仿真軟件CST對聚焦透鏡天線進行仿真實驗，從仿真結果可以看出，不同焦距雙面透鏡實現了預期聚焦效果且空間分辨率大小能夠滿足對物體逐點掃描的需求。

關鍵詞： 點聚焦透鏡； 微帶天線； 焦距； 空間分辨率

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0079?03

Abstract： A point?focusing lens antenna working at 8 mm frequency band was designed according to the demand for millimeter?wave signal acquisition. The double?sided lens with different focal lengths was designed by selecting the wide beam microstrip antenna as the feed source. The electromagnetic simulation software CST is used to simulate the focusing lens antenna. The simulation results show that the double?sided lens with different focal lengths can realize the expected focusing effect and high spatial resolution， which can meet the demand for point?by?point scanning of the object.

Keywords： point?focusing lens； microstrip antenna； focal length； spatial resolution

0 引 言

近年來，公共場所恐怖襲擊事件不斷增加，對隱蔽條件下的危險物品的檢測與報警已成為亟待解決的問題，當前不僅海關、鐵路、機場等場所需要安檢，在地鐵、政府以及重要的建筑機關也需要嚴格的安檢[1]，應用到公共場所的安檢設備成為世界各國重點研究的熱點問題。目前主要應用的是X射線和毫米波技術，從成像質量和環保等方面做對比，毫米波技術較容易被公眾接受。

對毫米波的采集可以通過點聚焦透鏡將物體輻射的電磁波集中到一個小的區域內[2]，形成焦斑。透鏡天線早在20世紀30年代就已經出現，近年來隨著毫米波、太赫茲等方面對透鏡的廣泛應用，其聚焦功能實現效果也越來越好。當前透鏡天線的種類很多，例如文獻[3]中利用圓錐喇叭天線作為饋源[4]，透鏡兩側的焦距相同，由喇叭天線和透鏡組成了點聚焦透鏡天線，這種透鏡通過實驗仿真能夠達到聚焦效果，但對一側遠焦點另一側近焦點的實際需要和天線的相位中心與較近焦點重合要求天線波束較寬的情況不太適應[3]。

本文根據自身需要設計的點聚焦透鏡天線由微帶天線和雙面透鏡兩部分組成[5]，利用了微帶天線波束較寬和雙面透鏡焦距不同的特點，能夠較好地實現透鏡分別與天線距離較近、與焦點較遠的設計效果，同時采用電磁仿真軟件CST對點聚焦透鏡天線進行建模仿真，驗證其點聚焦情況，整體達到了預期的效果。

1 基本原理

點聚焦透鏡天線不要求球面波經透鏡折射后轉化為平面波，而是要求經透鏡后在聚焦面上聚焦。微帶天線相位中心的位置即為透鏡一側的焦點位置。本文要求透鏡能夠聚焦且兩焦距不同，因此采用由兩個單面透鏡合成的雙面透鏡，材料選用低損耗的聚四氟乙烯。若透鏡中的介質均勻，這種透鏡稱為常數折射率透鏡，依據幾何光學原理，在這種透鏡中的射線是直線。毫米波從透鏡平面至焦點的所有射徑的電長度都相同，這是透鏡的電長度等同原理。

1.1 透鏡的設計

點聚焦單透鏡天線幾何形狀圖，如圖1所示。為透鏡曲面，是焦點到上的任意一點的距離即是透鏡的焦距，是焦點到透鏡輪廓線上任一點的距離即坐標原點在微帶天線處，是透鏡一側的厚度，為透鏡口徑直徑，透鏡周圍的媒質是空氣，透鏡介質折射率為

1.2 透鏡的分辨率

根據分辨率的Rayleigh判據，衍射斑的峰值與最小點間的距離為焦斑的半徑。由峰值的3 dB點形成的圓斑直徑即為點聚焦透鏡天線的分辨率。利用如圖1所示坐標推導出點聚焦天線在焦點處（E點）垂直于軸平面上聚焦電場的-3 dB寬度即為聚焦透鏡的分辨率[6]。

參照圖1，設計透鏡時通過調節其結構和參數，根據文獻[5]得出焦斑寬度的簡便近似公式，其中-3 dB點對應的寬度[7]為：

2 結構的設計與仿真

2.1 點聚焦透鏡的設計

本系統設計的點聚焦透鏡天線針對500 mm處的物體進行掃描，系統工作在35 GHz，根據分辨率小于30 mm的要求，結合轉臺承重10 kg以及透鏡材料選用的聚四氟乙烯密度，透鏡直徑取300 mm。根據實物制作的大小和長短等實際因素，微帶天線距透鏡距離取150 mm。

用式（1），式（2）設計，可以設計出單面透鏡A和B。透鏡A基本參數：300 mm， mm，得出厚度為45 mm；透鏡B基本參數：300 mm，500 mm，得出厚度為89 mm。將AB透鏡合并就可以得到需要的雙面透鏡。

微帶饋源設計的基本參數：天線寬度為2.8 mm，天線長度為3.4 mm，天線厚度為181.7 μm，饋源的寬度為42.8 μm。天線饋源的設計中，其相位中心到透鏡定點的距離為透鏡的焦距。

2.2 CST仿真及分析

本文采用電磁仿真軟件CST進行矩形貼片微帶天線和透鏡天線的性能仿真[8]，給出矩形貼片微帶天線加載透鏡前后性能指標的變化。

2.2.1 微帶天線的仿真

2.2.2 加載透鏡后的仿真結果

把透鏡安裝在透鏡面（焦距為150 mm的透鏡面）距離微帶天線相位中心150 mm的位置[9]，圖3（a），圖3（b）是矩形微帶天線加載雙面透鏡（ GHz，）后軸（見圖1）上的電場空間分布，經計算，透鏡的聚焦面應在804.5 mm處。透鏡仿真后的聚焦面位置約在801.5 mm的位置上，比結果提前了3 mm左右。從圖中能夠看出，當時，mm點的電場最強，增益為56.4 dB。

圖4（a）是二維分布，圖4（b）是mm面上的場分布。從圖中能夠看出聚焦透鏡在該點的聚焦效果，同時也能夠由該聚焦點的-3 dB寬度得出其分辨率為22 mm，由式（5）計算點聚焦透鏡理論上的分辨率為25 mm左右[10]。

通過上述的實驗仿真分析，點聚焦透鏡的設計理論結果和實驗仿真的結果基本上一致，達到了技術指標，可以得出點聚焦透鏡天線的設計是正確的。

3 結 語

本文采用雙曲面透鏡天線與矩形微帶天線共同組成了點聚焦透鏡天線，用電磁仿真軟件CST進行了實驗仿真并取得了良好的聚焦效果。該透鏡頻率為35 GHz，直徑為300 mm，總厚度為134 mm，距離微帶天線的相位中心150 mm，在801.5 mm的焦平面聚焦，焦斑為22 mm，與預期效果基本一致，達到了聚焦透鏡天線的設計目的。

參考文獻

[1] 趙自然.人體安檢新技術的分析與探討[J].中國安防，2012（3）：33?36.

[2] 任冬梅，劉述章，王國慶，等.8 mm點聚焦透鏡天線的工程設計[J].電子科技大學學報，2006，35（3）：328?330.

[3] 唐劍明，趙青，鄭靈，等.3 mm圓錐喇叭聚焦天線的理論與仿真[J].強激光與粒子束，2012，24（2）：436?440.

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[6] 馬平，何昌偉，劉述章.點聚焦透鏡天線分辨率的分析與測量[J].微波學報，2004，20（3）：74?76.

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[8] 朱佩濤，劉述章，任冬梅.8 mm點聚焦透鏡天線設計和分辨率分析[C]//2005年海峽兩岸三地無線科技學術會論文集.北京：北京理工大學出版社，2005：123?127.

[9] 周凱寧.透鏡可以提高毫米波天線的性能[J].無線電工程，1987（4）：84?86.

[10] 張云鵬，張毅，李恩，等.點聚焦透鏡天線焦斑附近波長延長[J].太赫茲科學與電子信息學報，2014，12（6）：846?851.