CN106597662B - 一种太赫兹收发共用双极化准光环形器 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹收发共用双极化准光环形器，包含：发射组件，用于发射圆极化信号；第一收发共用支路，用于将发射圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，利用电磁波极化特性实现发射垂直极化信号，并接收水平极化信号；第二收发共用支路，利用电磁波极化特性实现发射水平极化信号，并接收垂直极化信号；发射接收组件，用于将第一收发共用支路发射的垂直极化信号和第二收发共用支路发射的水平极化信号合并为圆极化信号后作为雷达信号发射，并将接收到的雷达回波圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，使水平极化信号进入第一收发共用支路，使垂直极化信号进入第二收发共用支路。本发明具备收发通道隔离和同时接收双极化信息的功能。

Description

一种太赫兹收发共用双极化准光环形器

技术领域

本发明涉及太赫兹主动探测雷达技术领域，尤其涉及一种太赫兹收发共用双极化准光环形器。

背景技术

在雷达主动探测应用中，为了获取更多信息和获得更高的分辨率，需要采用更高的频率。毫米波亚毫米波技术也因此快速发展，对相关系统和器件有着迫切的需求。但是由于国内技术水平的限制，大部分研究都集中在频率100GHz以下的波段，更高频率的系统及应用比较少。随着近些年太赫兹技术的飞速发展，太赫兹主动探测雷达对环形器的需求越来越明显。然而，传统微波技术采用铁氧体制成的环形器在太赫兹频段加工技术难度很大，自由空间传输的准光环形技术成为解决该问题的一项不错的选项。

准光环行器是毫米波测试系统中的关键器件，它用于收发信号的分离，根据出射波的形式，可以分为透射式和反射式。2009年，Wylde采用永磁铁氧体制作了工作在150GHz到325GHz的透射式环行器，在30%的相对带宽上具有隔离度优于30dB、插入损耗低于2.5dB的性能。由于反射式解决了透射式存在的承受功率小、磁场不可调整、退磁等问题，有较大的实用价值，所以也得到了关注。1994年，Harris等人给出了Ka波段的反射式环行器的测试结果，在频率28-40GHz上的隔离度大于20dB，损耗小于0.04dB。另外，利用准光环形技术实现收发共用的雷达在94GHz频段已经有所应用，如目前在轨的CloudSat卫星搭载的94GHz云雷达。另外，利用准光技术也可实现双极化信息接收，如现在有单位辐射计所考虑的方案。然而，从目前获得的公开信息可知，尚未看到既具备解决收发通道共用又能够实现双极化信息接收的准光技术的报道。

发明内容

本发明提供一种太赫兹收发共用双极化准光环形器，具备收发通道隔离和同时接收双极化信息的功能，可有效地将太赫兹发射通道和接收通道集成在较小空间，大大降低系统的结构尺寸，有效利用同一反射面，实现发射信号和接收信号良好的波束匹配，同时可同时获取目标回波的垂直和极化信息，从而获取目标几何尺寸信息。

为了达到上述目的，本发明提供一种太赫兹收发共用双极化准光环形器，包含：

发射组件，用于发射圆极化信号；

第一收发共用支路，用于将发射圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，利用电磁波极化特性实现发射垂直极化信号，并接收水平极化信号；

第二收发共用支路，利用电磁波极化特性实现发射水平极化信号，并接收垂直极化信号；

发射接收组件，用于将第一收发共用支路发射的垂直极化信号和第二收发共用支路发射的水平极化信号合并为圆极化信号后作为雷达信号发射，并将接收到的雷达回波圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，使水平极化信号进入第一收发共用支路，使垂直极化信号进入第二收发共用支路。

所述的发射组件包含：第一反射镜，以及设置在第一反射镜入射光路上的圆极化发射喇叭。

所述的第一收发共用支路包含：

设置在第一反射镜的反射光路上的垂直极化栅网，该垂直极化栅网反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一反射镜的反射光线进入垂直极化栅网的一面称为垂直极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为垂直极化栅网的第二反射面；

依次设置在垂直极化栅网的透射光路上的极化转换模块和第五反射镜；

设置在垂直极化栅网的第二反射面的反射光路上的第四反射镜；

设置在第四反射镜的反射光路上的垂直极化接收喇叭。

所述的第二收发共用支路包含：

设置在垂直极化栅网的第一反射面的反射光路上的第二反射镜；

设置在第二反射镜的反射光路上的水平极化栅网，该水平极化栅网反射水平极化信号，透射垂直极化信号，将第二反射镜的反射光线进入水平极化栅网的一面称为水平极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为水平极化栅网的第二反射面；

设置在水平极化栅网的透射光路上的极化转换模块；

设置在水平极化栅网的第二反射面的反射光路上的第三反射镜；

设置在第三反射镜的反射光路上的水平极化接收喇叭。

所述的极化转换模块包含依次设置在光路上的一个或依次设置在光路上的多个法拉第旋转器该极化转换模块将水平和垂直极化信号分别转换为垂直和水平极化信号。

所述的发射接收组件包含：

设置在第五反射镜的反射光路和水平极化栅网的透射光路的交点位置的第二垂直极化栅网，该第二垂直极化栅网反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网的一面称为第二垂直极化栅网的第一反射面，将第二收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网的一面称为第二垂直极化栅网的第二反射面；

设置在第二垂直极化栅网的透射光路上的第六反射镜；

设置在第六反射镜的反射光路和第二垂直极化栅网的第二反射面的反射光路的交点位置的第七反射镜。

所述的第六反射镜M6的角度可调，当发射雷达信号时，第六反射镜M6将来自第一收发共用支路的垂直极化信号和来自第二收发共用支路的水平极化信号合并反射发射出去，当接收雷达回波时，第六反射镜M6将雷达回波信号反射至第七反射镜M7。

本发明具备收发通道隔离和同时接收双极化信息的功能，可有效地将太赫兹发射通道和接收通道集成在较小空间，大大降低系统的结构尺寸，有效利用同一反射面，实现发射信号和接收信号良好的波束匹配，同时可同时获取目标回波的垂直和极化信息，若通过适当的信号处理手段可获取目标几何尺寸信息。

附图说明

图1是本发明提供的一种太赫兹收发共用双极化准光环形器的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种太赫兹收发共用双极化准光环形器，包含：

发射组件，用于发射圆极化信号；

第一收发共用支路，利用电磁波极化特性实现发射垂直极化信号，并接收水平极化信号；

第二收发共用支路，利用电磁波极化特性实现发射水平极化信号，并接收垂直极化信号；

发射接收组件，用于将第一收发共用支路发射的垂直极化信号和第二收发共用支路发射的水平极化信号合并为圆极化信号后作为雷达信号发射，并将接收到的雷达回波圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，使水平极化信号进入第一收发共用支路，使垂直极化信号进入第二收发共用支路。

所述的发射组件包含：

第一反射镜M1；

以及设置在第一反射镜M1入射光路上的圆极化发射喇叭301。

所述的第一收发共用支路包含：

设置在第一反射镜M1反射光路上的垂直极化栅网2，该垂直极化栅网2的网格成垂直分布，该垂直极化栅网2反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一反射镜M1的反射光线进入垂直极化栅网2的一面称为垂直极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为垂直极化栅网的第二反射面；

依次设置在垂直极化栅网2的透射光路上的极化转换模块和第五反射镜M5；所述的极化转换模块将水平和垂直极化信号分别转换为垂直和水平极化信号，所述的极化转换模块包含依次设置在光路上的一个或依次设置在光路上的多个法拉第旋转器；

设置在垂直极化栅网2的第二反射面的反射光路上的第四反射镜M4；

设置在第四反射镜M4的反射光路上的垂直极化接收喇叭201。

所述的第二收发共用支路包含：

设置在垂直极化栅网2的第一反射面的反射光路上的第二反射镜M2；

设置在第二反射镜M2的反射光路上的水平极化栅网1，该水平极化栅网1的网格成水平分布，该水平极化栅网1反射水平极化信号，透射垂直极化信号，将第二反射镜M2的反射光线进入水平极化栅网1的一面称为水平极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为水平极化栅网的第二反射面；

设置在水平极化栅网1的透射光路上的极化转换模块；所述的极化转换模块将垂直和水平极化信号分别转换为水平和垂直极化信号，所述的极化转换模块包含依次设置在光路上的一个或依次设置在光路上的多个法拉第旋转器；

设置在水平极化栅网1的第二反射面的反射光路上的第三反射镜M3；

设置在第三反射镜M3的反射光路上的水平极化接收喇叭101。

所述的发射接收组件包含：

设置在第五反射镜M5的反射光路和水平极化栅网1的透射光路的交点位置的第二垂直极化栅网3，该第二垂直极化栅网3的网格成垂直分布，该第二垂直极化栅网3反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网3的一面称为第二垂直极化栅网的第一反射面，将第二收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网3的一面称为第二垂直极化栅网的第二反射面；

设置在第二垂直极化栅网3的透射光路上的第六反射镜M6，该第六反射镜M6的角度可调，当发射雷达信号时，第六反射镜M6将来自第一收发共用支路的垂直极化信号和来自第二收发共用支路的水平极化信号合并反射发射出去，当接收雷达回波时，第六反射镜M6将雷达回波信号反射至第七反射镜M7；

设置在第六反射镜M6的反射光路和第二垂直极化栅网3的第二反射面的反射光路的交点位置的第七反射镜M7。

如图1所示，本发明提供的太赫兹收发共用双极化准光环形器的工作原理如下：

在发射雷达信号时，圆极化发射喇叭301发射圆极化信号，圆极化信号经过第一反射镜M1反射后进入第一收发共用支路，反射信号到达垂直极化栅网2的第一反射面，圆极化信号中的水平极化信号H经过垂直极化栅网2透射进入第二法拉第旋转器R2，转换为垂直极化信号V，再经过第五反射镜M5的反射，到达第二垂直极化栅网3的第一反射面，圆极化信号中的垂直极化信号V反射进入第二收发共用支路，经过第二反射镜M2的反射，到达水平极化栅网1的第一反射面，垂直极化信号V经过水平极化栅网1透射进入第一法拉第旋转器R1，转换为水平极化信号H，到达第二垂直极化栅网3的第二反射面，来自第一收发共用支路的垂直极化信号V被第二垂直极化栅网3反射，到达第六反射镜M6，来自第二收发共用支路的水平极化信号H被第二垂直极化栅网3透射，到达第六反射镜M6，此时，垂直极化信号V和水平极化信号H被合并反射后发射；

在接收雷达回波时，第六反射镜M6将雷达回波信号反射至第七反射镜M7，第七反射镜M7再将雷达回波信号反射至第二垂直极化栅网3的第二反射面，雷达回波信号中的水平极化信号H经过第二垂直极化栅网3透射进入第一收发共用支路，透射信号经过第五反射镜M5的反射进入法拉第旋转器R2，转换为垂直极化信号V到达垂直极化栅网2的第二反射面，垂直极化信号V经过垂直极化栅网2反射到达第四反射镜M4，再经过第四反射镜M4的反射最终被垂直极化接收喇叭201接收，第二收发共用支路实现了对垂直极化信号的接收，雷达回波信号中的垂直极化信号V经过第二垂直极化栅网3反射进入第一收发共用支路，反射信号进入法拉第旋转器R1，转换为水平极化信号H到达水平极化栅网1的第二反射面，水平极化信号H经过水平极化栅网1反射到达第三反射镜M3，再经过第三反射镜M3的反射最终被水平极化接收喇叭101接收，第一收发共用支路实现了对水平极化信号的接收。

在本发明的一个实施过程中，其结构布局以及参数可根据具体情况设计。这里给出一种参考案例，圆极化发射喇叭301采用波纹喇叭，工作频段设定为230GHz~250GHz，其波束指向与X轴夹角为150°，波导采用WR4.3形式，喇叭口面对应的尺寸口径约为14mm范围，波纹斜边长15~35mm，波纹槽和波纹齿宽度约0.25~0.5mm；水平极化接收喇叭101的波束指向与X轴夹角取30°；垂直极化接收喇叭201的波束指向与X轴夹角60°；所有垂直极化栅网和水平极化栅网都采用金属丝材料拉丝而成，金属丝直径为0.05mm，线栅周期取0.1mm，线栅最大长度为60mm；垂直极化栅网的金属丝长边垂直于纸面，水平极化栅网的金属丝长边平行于纸面；垂直极化栅网2与X轴夹角为135°，沿Y轴方向距离反射镜M1中心距离约为79mm；水平极化栅网1与X轴夹角为60°，沿Y轴方向距离反射镜M2约为100mm；第二垂直极化栅网3与X轴夹角为45°，沿X轴方向距离反射镜M5中心约为248mm，沿Y轴方向距离法拉第旋转器R1约为88mm；所有的反射镜采用旋转椭球面，第一反射镜M1下的支撑平面与X轴夹角为30°，半长轴长约为147mm，半短轴长约为73mm，口面直径约为49mm；第二反射镜M2下的支撑平面与X轴夹角约为135°，半长轴长约为187mm，半短轴长约为132mm，口面直径约为63mm；第三反射镜M3下的支撑平面与X轴夹角约为75°，半长轴长约为136mm，半短轴长约为117mm，口面直径约为50mm；第四反射镜M4的下支撑平面与X轴夹角约为60°，半长轴长约为136mm，半短轴长约为68mm，口面直径约为50mm；第五反射镜M5的下支撑平面与X轴夹角约为135°，半长轴长约为186mm，半短轴长约为131mm，口面直径约为73mm；第六反射镜M6是Φ100的平面反射镜，角度可调，发射状态时与Y轴夹角约为135°，接收状态时与Y轴夹角约为120°；第七反射镜M6是Φ100的平面反射镜，与Y轴夹角约为105°；所有的法拉第旋转器由匹配层、铁氧体组成，匹配层相对介电常数约为3.2~5.5，铁氧体相对节点常数约为18~25，其中匹配层厚度约为0.15mm，铁氧体厚度约为2~3mm，所有的法拉第旋转器与X轴夹角约为30°，口径约为50mm。

在本发明的一个实施例中，圆极化发射喇叭301端面到第一反射镜M1中心距离约为125mm，第一反射镜M1到垂直极化栅网2的距离约79mm，垂直极化栅网2到第二反射镜M2的距离约为248mm，第二反射镜M2到水平极化栅网1的距离约为100mm，水平极化栅网1到第一法拉第旋转器R1的距离约63mm，第一法拉第旋转器R1到第二垂直极化栅网3的距离约为88mm，水平极化栅网1到第三反射镜M3中心的距离约为57mm，第三反射镜M3到水平极化接收喇叭101的距离约80mm，第二垂直极化栅网3到第五发射镜M5的距离约为248mm，第六反射镜M6沿Y轴正方向到垂直极化栅网3距离约为100mm，第七反射镜M7沿X轴负方向到第二垂直极化栅网3距离约为100mm，第五反射镜M5到第二法拉第旋转器R2的距离约为200mm，第二法拉第旋转器R2到垂直极化网栅2的距离为45~80mm，垂直极化栅网2到第四反射镜M4的距离约为60mm，第三反射镜M3到垂直极化接收喇叭201的距离约为57mm。

本发明提供的太赫兹收发共用双极化准光环形器分为第一收发共用支路和第二收发共用支路，其中第一收发共用支路用于发射垂直极化信息、接收水平极化信息以及防止发射信号泄露至水平接收喇叭，而第二收发共用支路用于实现发射水平极化信息、接收垂直极化信息以及防止发射信号泄露至垂直接收喇叭。

本发明具有以下优点：

1、采用全透射或透射+反射方式结合双极化工作方式，可充分利用信号发射能量，降低因极化引起的不可避免的3dB衰减。

2、采用反射镜、极化器结合极化旋转器，既具备接收双极化信息的功能，又具备保护接收机的功能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，包含：

发射组件，用于发射圆极化信号；

第一收发共用支路，用于将发射圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，利用电磁波极化特性实现发射垂直极化信号，并接收水平极化信号；

第二收发共用支路，利用电磁波极化特性实现发射水平极化信号，并接收垂直极化信号；

发射接收组件，用于将第一收发共用支路发射的垂直极化信号和第二收发共用支路发射的水平极化信号合并为圆极化信号后作为雷达信号发射，并将接收到的雷达回波圆极化信号分为水平极化信号和垂直极化信号，使水平极化信号进入第一收发共用支路，使垂直极化信号进入第二收发共用支路。

2.如权利要求1所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的发射组件包含：第一反射镜，以及设置在第一反射镜入射光路上的圆极化发射喇叭。

3.如权利要求2所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的第一收发共用支路包含：

设置在第一反射镜的反射光路上的垂直极化栅网，该垂直极化栅网反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一反射镜的反射光线进入垂直极化栅网的一面称为垂直极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为垂直极化栅网的第二反射面；

依次设置在垂直极化栅网的透射光路上的极化转换模块和第五反射镜；

设置在垂直极化栅网的第二反射面的反射光路上的第四反射镜；

设置在第四反射镜的反射光路上的垂直极化接收喇叭。

4.如权利要求3所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的第二收发共用支路包含：

设置在垂直极化栅网的第一反射面的反射光路上的第二反射镜；

设置在第二反射镜的反射光路上的水平极化栅网，该水平极化栅网反射水平极化信号，透射垂直极化信号，将第二反射镜的反射光线进入水平极化栅网的一面称为水平极化栅网的第一反射面，将透射光线出射的一面称为水平极化栅网的第二反射面；

设置在水平极化栅网的透射光路上的极化转换模块；

设置在水平极化栅网的第二反射面的反射光路上的第三反射镜；

设置在第三反射镜的反射光路上的水平极化接收喇叭。

5.如权利要求4所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的极化转换模块包含依次设置在光路上的一个或依次设置在光路上的多个法拉第旋转器该极化转换模块将水平和垂直极化信号分别转换为垂直和水平极化信号。

6.如权利要求5所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的发射接收组件包含：

设置在第五反射镜的反射光路和水平极化栅网的透射光路的交点位置的第二垂直极化栅网，该第二垂直极化栅网反射垂直极化信号，透射水平极化信号，将第一收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网的一面称为第二垂直极化栅网的第一反射面，将第二收发共用支路的发射信号进入第二垂直极化栅网的一面称为第二垂直极化栅网的第二反射面；

设置在第二垂直极化栅网的透射光路上的第六反射镜；

设置在第六反射镜的反射光路和第二垂直极化栅网的第二反射面的反射光路的交点位置的第七反射镜。

7.如权利要求6所述的太赫兹收发共用双极化准光环形器，其特征在于，所述的第六反射镜M6的角度可调，当发射雷达信号时，第六反射镜M6将来自第一收发共用支路的垂直极化信号和来自第二收发共用支路的水平极化信号合并反射发射出去，当接收雷达回波时，第六反射镜M6将雷达回波信号反射至第七反射镜M7。