CN102508242B - 微波波束聚焦旋转扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波波束聚焦旋转扫描装置,包括喇叭天线(1)、弯月形透镜(2)、偏焦聚焦天线(3)及调焦板(4),喇叭天线(1)、弯月形透镜(2)、偏焦聚焦天线(3)及调焦板(4)四者共轴设置,喇叭天线(1)设置在弯月形透镜(2)的上方,弯月形透镜(2)的底部与偏焦聚焦天线(3)的上端面接触,调焦板(4)设置在偏焦聚焦天线(3)的下方。本发明采用上述结构,整体结构简单、体积小,便于实现,且采用本发明能方便的对电磁波进行偏焦、聚焦及焦点移动。
Description
技术领域
本发明涉及微波成像检测,具体是微波波束聚焦旋转扫描装置。
背景技术
在微波成像检测中,系统对天线增益的要求通常较高,然而单一的天线通常难以满足要求,为了提高天线的增益,通常采用相控阵天线的形式实现高增益。相控阵天线是通过控制天线阵单元的馈电相位和幅度,从而实现高增益和聚焦的目的,并将更多的能量聚集到要检测的目标上。但是,实现相控阵天线的结构比较复杂,而且相控阵天线需要复杂的馈电网络,这些都增加了结构的复杂性。同时,相控阵天线的聚集焦点比较固定,实现聚焦焦点的移动需要复杂的相位控制,这些都增加了系统的不可靠性。
依据光学成像原理可以对波束聚焦,将该原理应用于电磁波领域,便得到了介质透镜的概念,当电磁波穿过介质透镜时,主波束将会被有效的聚焦,因而提高了天线的增益。介质透镜理论在天线的应用已经十分的广泛,随着对该技术的长期研究和开发,介质透镜的形式已经有了很多结构形式,构成透镜的材料可以是均匀的介质,也可以是金属栅网或金属片等组成的周期性结构,结构既可以是透镜形的,也可以是平板型的。介质透镜虽然可以聚焦,但是实现介质通常需要占用很大体积,而且介质材料会对电磁波产生较大的反射。
在微波检测中,为了提高检测的灵敏度和准确性,要求天线的增益系数尽可能的大,电磁波尽可能的被聚合、同时电磁波在天线的经过不同传输介质后最终进入接收天线的过程中,在不同介质的分界面上引起的反射、折射、散射尽可能的小。同时为了检测的需要,还需要天线的聚焦波束可以改变,目前的实现办法是移动馈源的位置实现偏焦点的偏移。聚焦的透镜采用金属栅网或金属片等组成的周期性结构来实现,此种结构实现起来比较复杂,对加工精度也要求比较高。均匀介质的透镜虽然可以实现聚焦,但是体积结构比较大,不利于系统的小型化。同时,采取移动馈源的方法对介质透镜聚焦焦点实现偏焦移动,这不仅增加了系统的复杂性,而且馈源的移动还会影响聚焦的效果,同时聚焦焦点的移动也比较难以控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供了一种结构简单、体积小,且便于偏焦、聚焦及焦点移动的微波波束聚焦旋转扫描装置。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现:微波波束聚焦旋转扫描装置,包括发射出线极化球面电磁波的喇叭天线、将球面电磁波转换为准平面电磁波的弯月形透镜、将准平面电磁波形成聚束波束的偏焦聚焦天线及用于平移聚束波束的调焦板,所述喇叭天线、弯月形透镜、偏焦聚焦天线及调焦板四者共轴设置,所述喇叭天线设置在弯月形透镜的上方,所述弯月形透镜的底部与偏焦聚焦天线的上端面接触,所述调焦板设置在偏焦聚焦天线的下方。
所述调焦板的下方设置有聚焦平板,所述聚焦平板与调焦板共轴设置。其中,聚焦平板用于承载被检测物。
所述弯月形透镜的上端面内凹构成球面,其下端面构成椭球面。
所述偏焦聚焦天线为圆形的偏焦聚焦介质透镜,所述偏焦聚焦介质透镜的下端面构成有圆心偏离中心轴的一个圆形介质凸透镜、与圆形介质凸透镜共圆心的多个锯齿环和多个锯齿弧,多个锯齿环设置在圆形介质凸透镜与锯齿弧之间,锯齿环的半径大于圆形介质凸透镜的半径,圆形介质凸透镜至锯齿弧之间的锯齿环的半径依次增加,锯齿环至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧的半径依次增加;所述圆形介质凸透镜下凸的中央部位、多个锯齿环的底端及多个锯齿弧的底端的水平位置相同,圆形介质凸透镜至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧和锯齿环的渐变并依次增加,偏焦聚焦介质透镜的聚焦轴穿过圆形介质凸透镜的圆心。
所述锯齿环和锯齿弧均由竖直端面及与竖直端面连接的弧形曲面构成,竖直端面相对弧形曲面靠近圆心。
所述偏焦聚焦介质透镜设有沿其中心轴的开孔。如此,偏焦聚焦天线可以绕其中心轴旋转。
作为优选,所述弯月形透镜、偏焦聚焦天线及调焦板均由聚四氟乙烯制成。聚四氟乙烯便于加工、价格低、不易损坏、坚固耐用,且聚四氟乙烯的介电常数较低,对微波的反射影响较小,因此适合作为介质透镜的材料。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:(1)本发明包括喇叭天线、弯月形透镜、偏焦聚焦天线、调焦板及聚焦平板,整体结构简单、体积小,便于实现,本发明喇叭天线发出的线极化球面电磁波经过弯月形透镜后转换为准平面电磁波(类似平面电磁波),准平面电磁波经过偏焦聚焦天线后形成聚束波束并对聚束波束偏移和旋转,聚束波束经过调焦板平移后在聚焦平板的被检测物上聚焦,通过微调调焦板的厚度,则可对聚焦的焦点进行上下移动,本发明实现偏焦聚焦和焦点移动方便。
(2)本发明的偏焦聚焦天线为圆形的偏焦聚焦介质透镜,偏焦聚焦介质透镜的下端面构成有锯齿环和锯齿弧,通过锯齿环和锯齿弧对准平面电磁波进行偏移,能减小对偏焦聚焦介质透镜的厚度需求,且可通过旋转偏焦聚焦天线实现波束旋转。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图;
图2为本发明实施例中偏焦聚焦介质透镜经过中心轴和聚焦轴的纵剖视图;
图3为锯齿环和锯齿弧在偏焦聚焦介质透镜下端面的分布结构示意图;
图4为曲面介质透镜经过中心轴的纵剖视图;
图5为菲涅尔平板介质透镜曲线修正原理图;
图6为菲涅尔平板介质透镜经过中心轴的纵剖视图。
附图中附图标记所对应的名称为:1、喇叭天线,2、弯月形透镜,3、偏焦聚焦天线,4、调焦板,5、聚焦平板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例:
如图1、图2及图3所示,微波波束聚焦旋转扫描装置,包括喇叭天线1、弯月形透镜2、偏焦聚焦天线3、调焦板4及聚焦平板5,其中,喇叭天线1、弯月形透镜2、偏焦聚焦天线3、调焦板4及聚焦平板5五者共轴设置。喇叭天线1设置在弯月形透镜2的上方,其用于发射出线极化球面电磁波,喇叭天线1是整个扫描装置的微波源,为整个装置提供微波能量,当喇叭天线1位于焦距以内并且改变位置时,其可以调整波束的方向。弯月形透镜2的上端面内凹构成球面,其下端面构成椭球面,弯月形透镜2的底部与偏焦聚焦天线3的上端面接触,弯月形透镜2用于将球面电磁波转换为准平面电磁波(类似平面电磁波),偏焦聚焦天线3将准平面电磁波形成聚束波束和波束偏移,偏焦聚焦天线和弯月形透镜之间可以相互转动,旋转偏焦聚焦天线便可以方便的实现偏焦焦点圆周扫描。调焦板4设置在偏焦聚焦天线3下方,其厚度约为介质波长的二分之一,其用于平移聚束波束,聚焦平板5则设置在调焦板4下方并用于承载被检测物。弯月形透镜2、偏焦聚焦天线3及调焦板4均由聚四氟乙烯制成。
偏焦聚焦天线3为圆形的偏焦聚焦介质透镜,偏焦聚焦介质透镜的下端面构成有圆形介质凸透镜、锯齿环及锯齿弧,圆形介质凸透镜的数量为一个,其圆心偏离偏焦聚焦介质透镜的中心轴,锯齿环和锯齿弧的数量都为多个,且锯齿环和锯齿弧与圆形介质凸透镜的圆心相同。多个锯齿环设置在圆形介质凸透镜与锯齿弧之间,锯齿环的半径大于圆形介质凸透镜的半径,圆形介质凸透镜至锯齿弧之间的锯齿环的半径依次增加,锯齿环至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧的半径依次增加,即圆形介质凸透镜、多个锯齿环及多个锯齿弧在偏焦聚焦介质透镜下端面由内向外设置。圆形介质凸透镜的下端面下凸构成弧形的曲面,圆形介质凸透镜下凸的中央部位、多个锯齿环的底端及多个锯齿弧的底端的水平位置相同,圆形介质凸透镜至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧和锯齿环的角度渐变并依次增加,偏焦聚焦介质透镜的聚焦轴穿过圆形介质凸透镜的圆心。所述偏焦聚焦介质透镜设有沿其中心轴的开孔,使得偏焦聚焦介质透镜可以绕其中心轴旋转,因此,旋转偏焦聚焦介质透镜,聚焦焦点也绕中心轴旋转。
锯齿环和锯齿弧均由竖直端面及与竖直端面连接的弧形曲面构成,竖直端面相对弧形曲面靠近圆心,即每个锯齿环和每个锯齿弧靠近圆心的面为竖直端面,而远离圆心的端面为弧形曲面。其中,竖直端面垂直水平面。
偏焦聚焦天线3的偏焦聚焦功能是通过偏焦聚焦介质透镜实现的,为了减小透镜的体积,采用了菲涅尔原理对介质透镜进行设计,设计分为两个步骤:首先设计出具有聚焦功能的菲涅尔平板介质透镜,然后在距离聚焦轴为d处取为圆心,取半径为 r 截取菲涅尔平板介质透透镜形成偏焦聚焦介质透镜,因此聚焦的焦点会偏离中心轴,实现偏焦聚焦的目的。菲涅尔透镜的原理是对曲面介质透镜进行分段,然后将分段的锯齿平移,使锯齿的顶端齿在同一个面上,其中,菲涅尔平板介质透镜由一组锯齿环组成,其特点是每个外齿环与内齿环的角度是渐变的,且外齿的角度大于内齿的角度,每段锯齿环都将电磁波折射到一个焦点上。偏焦聚焦介质透镜的聚焦焦点在聚焦轴上,离中心轴的距离为d。
如图4所示,在设计菲涅尔平板介质透镜时先设计出曲面介质透镜,设曲面介质透镜的轴线与电磁波传播的方向平行,因此当电磁波照射到透镜表面时,不改变传播方向,继续平行传播。当电磁波由介质(介电常数为 )进入空气时,将在介质表面发生折射,折射率为
根据等光程原理(),给定介质透镜的焦距 f ,则可以计算出介质透镜截面的曲线方程。其中,附图设定中心轴为X轴,垂直中心轴并经过曲面介质透镜下凸底部的轴为Y轴,设P点的坐标为(x ,y),则曲面的曲线方程为:
(2)
根据方程2 可以确定曲面介质透镜的曲面。
如图5所示,在微波频段上,由于微波的波长远大于可见光的波长,因此,介质厚度引入的相位误差不可避免,因此,为使所有的锯齿具有相同的焦点,需要对曲率进行补偿,实现菲涅尔平面介质透镜。修正菲涅尔平面介质透镜的设计步骤如下:
重复步骤3-4,
微波波束聚焦旋转扫描装置工作时:喇叭天线1发射出的线极化球面电磁波经过弯月形透镜2后转换成准平面电磁波(类似平面电磁波),准平面电磁波经过偏焦聚焦天线3后形成聚束波束,聚束波束经过调焦板4后在聚焦平板5上聚焦,通过微调调焦板4的厚度,可以对焦点进行移动,旋转偏焦聚焦介质透镜,聚焦焦点可以绕中心轴旋转。
如上所述,则能很好的实现本发明。
Claims (6)
1.微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:包括发射出线极化球面电磁波的喇叭天线(1)、将球面电磁波转换为准平面电磁波的弯月形透镜(2)、将准平面电磁波形成聚束波束的偏焦聚焦天线(3)及用于平移聚束波束的调焦板(4),所述喇叭天线(1)、弯月形透镜(2)、偏焦聚焦天线(3)及调焦板(4)四者共轴设置,所述喇叭天线(1)设置在弯月形透镜(2)的上方,所述弯月形透镜(2)的底部与偏焦聚焦天线(3)的上端面接触,所述调焦板(4)设置在偏焦聚焦天线(3)的下方;所述偏焦聚焦天线(3)为圆形的偏焦聚焦介质透镜,所述偏焦聚焦介质透镜的下端面构成有圆心偏离中心轴的一个圆形介质凸透镜、与圆形介质凸透镜共圆心的多个锯齿环和多个锯齿弧,多个锯齿环设置在圆形介质凸透镜与锯齿弧之间,锯齿环的半径大于圆形介质凸透镜的半径,圆形介质凸透镜至锯齿弧之间的锯齿环的半径依次增加,锯齿环至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧的半径依次增加;所述圆形介质凸透镜下凸的中央部位、多个锯齿环的底端及多个锯齿弧的底端的水平位置相同,圆形介质凸透镜至偏焦聚焦介质透镜下端面边缘之间的锯齿弧和锯齿环的角度渐变并依次增加,偏焦聚焦介质透镜的聚焦轴穿过圆形介质凸透镜的圆心。
2.根据权利要求1所述的微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:所述调焦板(4)的下方设置有聚焦平板(5),所述聚焦平板(5)与调焦板(4)共轴设置。
3.根据权利要求1所述的微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:所述弯月形透镜(2)的上端面内凹构成球面,其下端面构成椭球面。
4.根据权利要求1所述的微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:所述锯齿环和锯齿弧均由竖直端面及与竖直端面连接的弧形曲面构成,竖直端面相对弧形曲面靠近圆心。
5.根据权利要求1所述的微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:所述偏焦聚焦介质透镜设有沿其中心轴的开孔。
6.根据权利要求1~5任一项所述的微波波束聚焦旋转扫描装置,其特征在于:所述弯月形透镜(2)、偏焦聚焦天线(3)及调焦板(4)均由聚四氟乙烯制成。
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