8mm點(diǎn)聚焦透鏡天線設(shè)計(jì)

摘 要： 根據(jù)對(duì)物體毫米波信號(hào)采集的需要，設(shè)計(jì)一種工作于8 mm頻段的點(diǎn)聚焦透鏡天線，選用寬波束微帶天線做饋源，設(shè)計(jì)焦距大小不同的雙面透鏡，采用電磁仿真軟件CST對(duì)聚焦透鏡天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從仿真結(jié)果可以看出，不同焦距雙面透鏡實(shí)現(xiàn)了預(yù)期聚焦效果且空間分辨率大小能夠滿足對(duì)物體逐點(diǎn)掃描的需求。

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)聚焦透鏡； 微帶天線； 焦距； 空間分辨率

中圖分類號(hào)： TN820.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chǎng)所恐怖襲擊事件不斷增加，對(duì)隱蔽條件下的危險(xiǎn)物品的檢測(cè)與報(bào)警已成為亟待解決的問題，當(dāng)前不僅海關(guān)、鐵路、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所需要安檢，在地鐵、政府以及重要的建筑機(jī)關(guān)也需要嚴(yán)格的安檢[1]，應(yīng)用到公共場(chǎng)所的安檢設(shè)備成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)問題。目前主要應(yīng)用的是X射線和毫米波技術(shù)，從成像質(zhì)量和環(huán)保等方面做對(duì)比，毫米波技術(shù)較容易被公眾接受。

對(duì)毫米波的采集可以通過點(diǎn)聚焦透鏡將物體輻射的電磁波集中到一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)[2]，形成焦斑。透鏡天線早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)出現(xiàn)，近年來隨著毫米波、太赫茲等方面對(duì)透鏡的廣泛應(yīng)用，其聚焦功能實(shí)現(xiàn)效果也越來越好。當(dāng)前透鏡天線的種類很多，例如文獻(xiàn)[3]中利用圓錐喇叭天線作為饋源[4]，透鏡兩側(cè)的焦距相同，由喇叭天線和透鏡組成了點(diǎn)聚焦透鏡天線，這種透鏡通過實(shí)驗(yàn)仿真能夠達(dá)到聚焦效果，但對(duì)一側(cè)遠(yuǎn)焦點(diǎn)另一側(cè)近焦點(diǎn)的實(shí)際需要和天線的相位中心與較近焦點(diǎn)重合要求天線波束較寬的情況不太適應(yīng)[3]。

本文根據(jù)自身需要設(shè)計(jì)的點(diǎn)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(diǎn)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)透鏡分別與天線距離較近、與焦點(diǎn)較遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)效果，同時(shí)采用電磁仿真軟件CST對(duì)點(diǎn)聚焦透鏡天線進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證其點(diǎn)聚焦情況，整體達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 基本原理

點(diǎn)聚焦透鏡天線不要求球面波經(jīng)透鏡折射后轉(zhuǎn)化為平面波，而是要求經(jīng)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(cè)的焦點(diǎn)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(gè)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(zhì)均勻，這種透鏡稱為常數(shù)折射率透鏡，依據(jù)幾何光學(xué)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(diǎn)的所有射徑的電長(zhǎng)度都相同，這是透鏡的電長(zhǎng)度等同原理。

1.1 透鏡的設(shè)計(jì)

點(diǎn)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(diǎn)到上的任意一點(diǎn)的距離即是透鏡的焦距，是焦點(diǎn)到透鏡輪廓線上任一點(diǎn)的距離即坐標(biāo)原點(diǎn)在微帶天線處，是透鏡一側(cè)的厚度，為透鏡口徑直徑，透鏡周圍的媒質(zhì)是空氣，透鏡介質(zhì)折射率為

1.2 透鏡的分辨率

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

參照?qǐng)D1，設(shè)計(jì)透鏡時(shí)通過調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]得出焦斑寬度的簡(jiǎn)便近似公式，其中-3 dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的寬度[7]為：

2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 點(diǎn)聚焦透鏡的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的點(diǎn)聚焦透鏡天線針對(duì)500 mm處的物體進(jìn)行掃描，系統(tǒng)工作在35 GHz，根據(jù)分辨率小于30 mm的要求，結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)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(jù)實(shí)物制作的大小和長(zhǎng)短等實(shí)際因素，微帶天線距透鏡距離取150 mm。

用式（1），式（2）設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)出單面透鏡A和B。透鏡A基本參數(shù)：300 mm， mm，得出厚度為45 mm；透鏡B基本參數(shù)：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(shè)計(jì)的基本參數(shù)：天線寬度為2.8 mm，天線長(zhǎng)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(shè)計(jì)中，其相位中心到透鏡定點(diǎn)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(jìn)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(biāo)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(jié)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(chǎng)空間分布，經(jīng)計(jì)算，透鏡的聚焦面應(yīng)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(jié)果提前了3 mm左右。從圖中能夠看出，當(dāng)時(shí)，mm點(diǎn)的電場(chǎng)最強(qiáng)，增益為56.4 dB。

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

通過上述的實(shí)驗(yàn)仿真分析，點(diǎn)聚焦透鏡的設(shè)計(jì)理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果基本上一致，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，可以得出點(diǎn)聚焦透鏡天線的設(shè)計(jì)是正確的。

3 結(jié) 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(diǎn)聚焦透鏡天線，用電磁仿真軟件CST進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(yù)期效果基本一致，達(dá)到了聚焦透鏡天線的設(shè)計(jì)目的。

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