CN104157985B - 应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，涉及太赫兹探测的技术领域。传统椭球透镜天线存在着可用视场较小，离轴阵列单元像质随离轴距离的增大迅速恶化的缺陷。本发明专利提出一种椭球透镜天线优化设计方法，通过综合优化椭球透镜的偏心率与扩展长度，使得给定视场区域内的像元平均增益达到最高、像元间的增益起伏达到最低。本发明具有设计方法简单易行，不受平面天线形式的限制，且对离轴阵列单元像质的改善明显等优点。

Description

应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法

技术领域

本发明涉及太赫兹探测的技术领域，具体地说是应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法。

背景技术

太赫兹焦平面阵列在太赫兹天文、医学成像和公共安全等领域有着广泛应用。太赫兹焦面阵辐射（或接收）电磁信号的形式有两种，一种是采用金属馈源喇叭阵列的方式，另一种是采用平面天线与介质透镜组合而成的准光学天线阵列。相对于馈源喇叭阵列，准光学天线的优点是阵列物理尺寸更为紧凑，制备成本更低，易于大规模集成，并可以方便地实现与探测器芯片的集成，已在太赫兹单像元探测器和多像元探测器阵列中得到成功应用。

单像元准光学天线由一块介质透镜和一个位于透镜背面中心处的平面天线（如双槽天线或螺旋天线等）组成。实际制备时，平面天线常常与探测器一起集成在独立的基片上，且基片材料与介质透镜材料一致。介质透镜通常由高介电常数的材料（如硅和砷化镓等）加工而成。根据透镜形状的不同，又可分为超半球透镜、扩展半球透镜和椭球透镜等，如图1所示。超半球透镜具有半球形曲面，焦平面到球心的距离为，其中为球半径，为透镜材料的折射率。扩展半球透镜与超半球透镜具有相同的几何形状，但焦平面到球心的距离增大为。相比而言，超半球透镜具有更小的波形畸变，其辐射特性接近完美的高斯波束，而扩展半球透镜具有更好的方向性和更高的天线增益。椭球透镜的面形为偏心率为的椭球面，扩展长度与椭球的焦距相等。椭球透镜具有与扩展半球透镜十分相似的面形，因此成像特性也与之相似，但天线增益比扩展半球透镜稍高。

对于单像元应用，传统椭球透镜和扩展半球透镜具有接近最优的成像性能，但对于焦面阵应用，上述透镜天线缺存在着缺陷，即离轴单元的成像质量（或天线增益）随离轴距离的增大而迅速恶化，这一特性导致透镜天线可用的视场范围较小，严重限制了透镜天线在大规模太赫兹焦面探测阵列中的应用。一种解决方法是为探测阵列中的每一个平面天线单独配置一块小介质透镜，即采用微透镜阵列的方式。但微透镜阵列的缺点是加工成本较高，且由于透镜尺寸一般很小，无法实现较高的天线增益。另一种增大透镜天线视场的方法是通过重新设计双槽平面天线，使得离轴像元的辐射波束在透镜表面始终沿法向方向入射。该方法可以在一定程度上提高磁场面（H面）上离轴像元的成像质量，但无法改善电场面（E面）上离轴像元的像质，且该方法只适用于双槽形式的平面天线。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种新的应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜设计方法，用于改善椭球透镜作为成像器件时的视场特性，获得所需视场内的最佳成像质量。该设计方法的主要思路是同时优化椭球透镜的偏心率和扩展长度，使得在给定视场内各像元的平均增益达到最高、像元间的一致性达到最优。该设计方法简单易行，不受平面天线形式的限制，且对离轴像质的改善明显。

本发明的椭球透镜的面型由长、短轴分别为a和b的椭圆绕z轴旋转而成。球心到焦平面的距离（扩展长度）为H，透镜材料的介电常数为。影响椭球透镜成像视场的最主要两个参数是椭球透镜的偏心率和扩展长度。通过改变偏心率可以获得不同面形的椭球透镜。当偏心率时，即得到半球面透镜；当偏心率时，即得到传统椭球透镜。不同偏心率的椭球透镜具有不同的离轴误差特性，因而表现出不同的视场大小。此外，传统扩展半球透镜和椭球透镜的扩展长度是针对中心像元优化而得到的，但对于离轴像元并非最佳选择，因此在阵列设计时需要根据视场整体要求对扩展长度重新进行优化。对于给定的视场区域，存在着一组最佳的偏心率与扩展长度的组合，使得视场内处的平均增益达到最高、像元间的增益起伏达到最低，上述最优参数的选定可以通过全局优化的方法得到。

为了解决现有的技术问题，本发明采用的技术方案为：

应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据太赫兹频段波长设置合适的平面天线的尺寸参数；

步骤二、根据椭球透镜所需的外径D设置椭球透镜的短轴长度b=1/2D；

步骤三、在和的范围内选取多个（）组合，其中，e为椭球透镜偏心率，H为扩展长度，即焦平面至椭球透镜球心的距离，n为椭球透镜材料的折射率；

步骤四、确定步骤三中选取的每一组（）组合所对应的椭球透镜的面形以及焦平面的位置：根据椭球透镜偏心率e和椭球透镜球体短轴长度b得出椭球透镜长轴a的长度，从而确定椭球透镜的面形，根据焦平面至椭球透镜球心的距离H确定焦平面的位置；

步骤五、将焦平面上视场区域内的每一个像元，分别利用物理光学算法计算其通过椭球透镜向外辐射的方向图，并根据方向图计算各像元的增益，其中N为视场内的像元总数；

步骤六、计算每一组（）组合所对应的焦平面上视场区域内的平均增益和增益起伏；

步骤七、设置增益起伏阈值；

步骤八、剔除大于增益起伏阈值的（）组合，然后选取焦平面上视场区域内平均增益最高的（）组合作为优化设计的最终参数用于制备椭球透镜天线。

基于上述的椭球透镜的优化设计方法，关于平面天线为双槽天线的进一步的优化方案为：

平面天线槽长，槽间距，槽宽。

平面天线槽长，槽间距。

在本发明中，选取了多个（）组合进行对比优化，（）组合选取的数量和密度对优化结果有很大的影响。最佳的选择是尽可能多地选择（）组合、尽可能均匀地布置（）的数值，遍历不同的（）组合，对于双槽天线，最佳槽长，以获得尽可能宽带的阻抗匹配特性，最佳槽间距，以获得尽可能对称的辐射方向图。

附图说明

图1 是超半球透镜或扩展半球透镜的机构示意图；

图2是传统椭圆透镜的结构示意图；

图3是本发明实施例的椭球透镜天线的结构示意图；

图4是本发明实施例的等高线图；

图5是本发明实施例的等高线图；

图6是本发明实施例的350GHz 8×8像元焦面阵优化后像元辐射方向图。

具体实施方式

图1至图6所示为本发明的示意图。

以下给出一个350GHz 8×8像元焦面阵的优化设计实例。

该焦面阵工作频段的中心频率为350GHz，阵列单元为双槽平面天线，单元间距为400×400微米。阵列为8×8矩形阵列，覆盖焦平面成像区域为3.2 mm×3.2 mm。透镜采用直径50mm的高阻硅椭球透镜，介电常数。在和的范围内遍历不同的（）组合，得到的平均增益分布如图4所示，得到的增益起伏分布如图5所示。设定视场内增益起伏的边界条件下，视场内平均增益的极大值出现在，处，此时，。8×8像元的远区辐射方向图如图6所示。从图中可以看出，焦面阵各像元的辐射波束具有良好的高斯特性，并且各像元间的一致性较好。由此得到最佳的椭球透镜偏心率为0.224，最佳的扩展长度为8.2mm，用此参数进行制备椭球透镜天线。

椭球透镜天线的最终设计参数如下：椭球长轴mm，短轴mm，扩展长度，双槽平面天线的槽长微米，槽间距微米，槽宽微米。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，其中，椭球透镜是由半个椭球以及与之连接的扩展部组成的扩展透镜；椭球透镜天线设计方法包括以下步骤：

步骤一、根据太赫兹频段波长λ₀设置平面天线的尺寸参数；

步骤二、根据椭球透镜所需的外径D设置椭球透镜的短轴长度b＝D/2；

其特征是：

步骤三、在0≤e≤1/n和b/n≤H≤b/(n-1)的范围内选取多个(e，H)组合，其中，e为椭球透镜偏心率，H为扩展长度，即焦平面至椭球透镜球心的距离，n为椭球透镜材料的折射率；

步骤四、确定步骤三中选取的每一组(e，H)组合所对应的椭球透镜的面形以及焦平面的位置：根据椭球透镜偏心率e和椭球透镜球体短轴长度b得出椭球透镜长轴a的长度，从而确定椭球透镜的面形，根据焦平面至椭球透镜球心的距离H确定焦平面的位置；

步骤五、将焦平面上视场区域内的每一个像元，分别利用物理光学算法计算其通过椭球透镜向外辐射的方向图，并根据方向图计算各像元的增益G_i，i＝1，…，N，其中N为视场内的像元总数；

步骤六、计算每一组(e，H)组合所对应的焦平面上视场区域内的平均增益和增益起伏ΔG＝max(G_i)-min(G_i)；

步骤七、设置增益起伏阈值；

步骤八、剔除ΔG大于增益起伏阈值的(e，H)组合，然后选取焦平面上视场区域内平均增益最高的(e，H)组合作为优化设计的最终参数用于制备椭球透镜天线。

2.根据权利要求1所述的应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，其特征是：所述的平面天线为双槽天线。

3.根据权利要求2所述的应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，其特征是：所述的平面天线槽长L＝0.29λ₀至0.31λ₀，槽间距W＝0.52L至0.56L，槽宽g＜＜λ₀。

4.根据权利要求3所述的应用于太赫兹频段焦平面阵列的椭球透镜天线设计方法，其特征是：所述的平面天线槽长L＝0.3λ₀，槽间距W＝0.54L。