CN108649344A - 一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法，其包括：步骤1)计算透镜天线组未知的外部指标；步骤2)将成像目标点放置于透镜的物平面上，以二次曲面单透镜的像平面光斑大小作为优化目标，获得优化后的透镜天线；步骤3)继续增加二次曲面单透镜的片数，继续优化增加的二次曲面单透镜，获得优化后的透镜天线组；步骤4)对步骤3)获得的透镜天线组，利用蒙特卡洛方法进行透镜天线组的公差分析，如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)‑3)；步骤5)利用电磁仿真软件FEKO将已知的馈源天线放置在像平面上，判断聚焦在物平面上的光斑直径和多波束增益差是否达到规定的要求。

Description

一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波成像天线的技术领域，特别涉及一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法。

背景技术

太赫兹被动成像原理类似于光学成像原理，由于工作频段的不同，势必在硬件的设计上存在差异，这种差异主要表现在成像系统的接收部分的形式。光学成像的研究已经有百余年的历史，这部分的技术已经成熟并在实际中应用广泛。但是可见光以及近红外系统的穿透性不好，在恶劣天气、粉尘、黑天时，成像效果明显变差，成像物体有较厚包装时，可见光乃至近红外的光波也难以穿透。因此，频率明显低于可见光及红外的太赫兹波就具有前者不具有的优势。太赫兹波的穿透性明显强于可见光及红外线，同时，太赫兹波的理论分辨率又强于毫米波成像系统。因此，这些年来，太赫兹的成像系统受到了广泛的关注。

介质透镜天线属于太赫兹成像系统的前端，其作用是改变波束的传播路径，实现波束能量的集中。透镜天线在系统中起到承上启下的作用，其接收成像物体辐射的能量，并将其能量进行集中，使得各个波束增益均匀，然后透镜天线将集中的多波束传递给成像系统的接收部分。透镜天线与传统的作为成像系统前端的反射面天线相比，透镜天线的设计自由度明显提高，并且波束均匀性比反射面天线好，适合大视场角的要求，并且透镜天线组相比反射面天线无馈源遮挡，口径较反射面天线小，因此易于加工。

目前，传统的太赫兹透镜天线的制备方法采用毫米波透镜天线的制备方法，如等光程法，但是由于等光程法只能选取垂直入射与边缘入射的波束光程相等来得到透镜天线的表达式，这种制备方法得到的透镜天线用于成像系统成像效果较差，不适用于大视场角。为了实现多波束增益的均匀一致，传统设计方法会采用迭代算法，这种方法精度明显高于前者，设计的透镜天线往往采用自由曲面的单透镜，但是对于自由曲面的单透镜的加工精度要求颇高，难以达到要求，造成成本增加。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的制备透镜天线的方法存在上述的缺陷，本发明提供了一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法，这种方法是准光理论与毫米波天线设计相结合的方法，通过二次曲面透镜组代替传统的单透镜实现大视场角下的波束均匀，利用光学透镜设计原理制备太赫兹透镜，并利用电磁软件进行校正。所述方法具体包括：

步骤1)计算透镜天线组未知的外部指标；所述外部目标包括：透镜天线组等效的口径、透镜天线组等效的焦距和透镜天线组等效的像距。

步骤2)将成像目标点放置于透镜的物平面上；其中，所述透镜为二次曲面单透镜，将步骤1)中获得的外部指标作为已知量输入，以二次曲面单透镜的像平面光斑作为优化目标，对二次曲面单透镜进行优化，获得优化后的透镜天线；

步骤3)继续增加二次曲面单透镜的片数，以透镜的像平面光斑大小作为优化目标，继续优化增加的二次曲面单透镜，获得优化后的透镜天线组；

步骤4)对步骤3)获得的透镜天线组，利用蒙特卡洛方法进行透镜天线组的公差分析，所述透镜天线组的公差包括：透镜天线组的曲率半径、厚度，透镜之间的间距、偏心和折射率误差；如果由于上述公差分析出现的偏差，造成透镜天线组性能发生重大改变，即如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)；

步骤5)利用电磁仿真软件FEKO将已知的馈源天线放置在像平面上，观测聚焦在物平面上的3dB光斑直径和波束均匀性，以波束增益下降3dB所对应的光斑直径作为太赫兹成像系统分辨率的判断指标；如果聚焦在物平面上的光斑直径小于或等于1.3cm，并且多波束增益差小于或等于1dB，则结束操作；如聚焦在物平面上的光斑直径大于1.3cm，或者多波束增益差超过1dB，则重复上述步骤1)-5)。

在上述技术方案中，所述步骤1)具体包括：在已知透镜天线组等效的物距、透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D、物平面高斯波束束腰半径的情况下，利用准光理论公式(1)：

其中，z为高斯波束起点到所在位置的距离，该距离等同于透镜天线组等效的物距S₁；ω₀为起始位置的高斯波束束腰半径；根据公式(1)获得透镜天线组所在位置的高斯波束束腰半径ω(z)，同时要求透镜天线组等效的口径D≥3ω(z)，进而得到透镜天线组等效的口径D的最小值；

随后通过透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D，得到透镜天线组等效的焦距f；

利用透镜天线组等效的物距S₁，透镜天线组等效的像距S₂和透镜天线组等效的焦距f之间的计算公式(2)；

得到透镜天线组等效的像距S₂。

在上述技术方案中，所述步骤2)中，获得优化后的透镜天线具体包括：

将步骤1)中获得的所述外部指标作为已知量输入，以像平面光斑大小作为优化目标，使得光斑大小尽量均匀一致，且透镜天线组的中心成像点的光斑半径大小是大视场角下边缘成像点的光斑半径大小的3倍以内，利用阻尼最小二乘法得到单透镜天线；所述大视场角为半张角大于等于20度；

在上述技术方案中，所述步骤3)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：在步骤(2)中得到的单透镜天线基础上，增加一个单透镜，并利用阻尼最小二乘法进行优化，观察光斑均匀性的效果，当光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3，停止增加透镜片数；如不满足，则继续增加透镜片数直到均匀性满足要求为止；

在上述技术方案中，所述步骤4)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：

在步骤3)中得到的透镜天线组的公差分析进行验证，在现有加工条件下，如果不能在公差允许范围内获得与仿真接近的性能，即如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)。

在上述技术方案中，所述步骤5)具体包括：

在步骤3)中得到的透镜天线组，利用电磁软件FEKO进行验证，将已知馈源天线放在像平面上，观测物平面的光斑大小是否优于规定指标，波束均匀性是否满足差距不超过1dB的要求。

本发明的优点在于：有机结合了光学透镜组的设计方法，实现大视场角下透镜天线波束均匀一致，并且设计透镜天线均为二次型曲面，大幅度降低了加工难度，设计的透镜天线组对于加工过程中存在的误差的要求显著低于单透镜天线，发明的透镜天线具备宽频特性，从150GHz-290GHz频率范围均可以达到预期目标。

附图说明

图1本发明的一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法方法流程图；

图2是图1的透镜天线组三维示意图；

图3是图1的透镜天线组二维示意图；

图4是透镜天线组的波束均匀性效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

现结合附图进一步说明：设计一个太赫兹波成像介质透镜天线，要求透镜天线工作物距为0.5m,工作频率为220GHz，物面上的分辨率小于15mm，根据这一指标要求，以下给出一种太赫兹波高分辨率成像介质透镜天线组的制备方法。

制备透镜天线组的主要工作为透镜曲面方程的选取和优化。透镜天线组等效的物距为S₁，透镜天线组等效的像距为S₂，透镜材料介电常数为ε，透镜天线组等效的直径为D。

透镜的双表面均采用二次曲面，为统一表述各种二次曲面，曲面方程统一表述为

其中，z’为光轴，r为子午截面坐标轴；k为conic常量；c为曲率。

如图1所示，本发明提供了一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法，这种方法是准光理论与毫米波天线设计相结合的方法，通过二次曲面透镜组代替传统的单透镜实现大视场角下的波束均匀，利用光学透镜设计原理制备太赫兹透镜，并利用电磁软件进行校正。所述方法具体包括：

步骤1)计算透镜天线组未知的外部指标；所述外部目标包括：透镜天线组等效的口径、透镜天线组等效的焦距、透镜天线组等效的像距；

步骤2)将成像目标点放置于透镜的物平面上，其中，所需透镜为二次曲面单透镜，将步骤1)中获得的所述外部指标作为已知量输入，以二次曲面单透镜的像平面光斑大小作为优化目标，优化二次曲面单透镜，获得优化后的透镜天线；

步骤3)继续增加二次曲面单透镜的片数，以透镜的像平面光斑大小作为优化目标，继续优化增加的二次曲面单透镜，获得优化后的透镜天线组；如图2和3所示，在本次实施例中，采用了3个二次曲面透镜组成的透镜天线组；

步骤4)对步骤3)获得的透镜天线组，利用蒙特卡洛方法进行透镜天线组的公差分析，所述透镜天线组的公差包括：透镜天线组的曲率半径、厚度，透镜之间的间距、偏心和折射率误差；如果由于上述公差分析出现的偏差，造成透镜天线组性能发生重大改变，即如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)；

步骤5)利用电磁仿真软件FEKO将已知的馈源天线放置在像平面上，如图4所示，观测聚焦在物平面上的3dB光斑直径和波束均匀性，以波束增益下降3dB所对应的光斑直径作为太赫兹成像系统分辨率的判断指标，即以波束增益下降3dB所对应的横坐标的距离值作为太赫兹成像系统分辨率的判断指标；如果聚焦在物平面上的光斑直径小于或等于1.3cm，并且多波束增益差小于或等于1dB，则结束操作；如聚焦在物平面上的光斑直径大于1.3cm，或者多波束增益差超过1dB，则重复上述步骤1)-5)。

在上述技术方案中，所述步骤1)具体包括：在已知透镜天线组等效的物距、透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D、物平面高斯波束束腰半径的情况下，利用准光理论公式(1)：

其中，z为高斯波束起点到所在位置的距离，该距离等同于透镜天线组等效的物距S₁；ω₀为起始位置的高斯波束束腰半径；根据公式(1)获得透镜天线组所在位置的高斯波束束腰半径ω(z)，同时要求透镜天线组等效的口径D≥3ω(z)，进而得到透镜天线组等效的口径D的最小值；其中，透镜天线组等效的口径D为80.4mm；

随后通过透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D，得到透镜天线组等效的焦距f；

利用透镜天线组等效的物距S₁，透镜天线组等效的像距S₂和透镜天线组等效的焦距f之间的计算公式(2)；

得到透镜天线组等效的像距S₂。

在上述技术方案中，所述步骤2)中，获得优化后的透镜天线具体包括：

将步骤1)中获得的所述外部指标作为已知量输入，以像平面光斑大小作为优化目标，使得光斑大小尽量均匀一致，且透镜天线组的中心成像点的光斑半径大小是大视场角下边缘成像点的光斑半径大小的3倍以内，利用阻尼最小二乘法得到单透镜天线；所述大视场角为半张角大于等于20度；

在上述技术方案中，所述步骤3)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：在步骤(2)中得到的单透镜天线基础上，增加一个单透镜，并利用阻尼最小二乘法进行优化，观察光斑均匀性的效果，当光斑均匀性达到要求时，即当光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3，停止增加透镜片数；如不满足，则继续增加透镜片数，直到当光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3；其中，在本次实施例中，得到的透镜天线组具有半角20度视场角，透镜天线组的分辨率为1.3cm，波束增益差不高于0.8dB。

在上述技术方案中，所述步骤4)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：

在步骤3)中得到的透镜天线组的公差分析进行验证，在现有加工条件下，如果不能在公差允许范围内获得与仿真接近的性能，即如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)；

在上述技术方案中，所述步骤5)具体包括：在步骤3)中得到的透镜天线组，利用电磁软件FEKO进行验证，将已知馈源天线放在像平面上，观测物平面的光斑大小是否优于规定指标，波束均匀性是否满足差距不超过1dB的要求。利用电磁仿真软件仿真馈源在物平面的光斑尺寸和分辨率，物平面的光斑尺寸与初始设计时高斯波束物面分辨率进行比较，物面分辨率为物面高斯波束束腰半径的2.36倍，如两者差距小于10％，制备完成。

本发明提供了一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法，该方法是准光理论与毫米波天线设计相结合的方法，通过二次曲面透镜组代替传统的单透镜实现大视场角下的波束均匀，并且在物平面上的-3dB光斑达到指标要求。本发明相比传统的太赫兹单透镜制备方法具有加工简单、制备方便等多方面优点，通过制备结果表明，在半角20°大视场角下，各馈源天线的多波束增益差小于0.8dB，本发明可用于太赫兹成像系统前端设计，进而可以延伸到毫米波系统。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于制备太赫兹透镜天线组的方法，其特征在于，其具体包括：

步骤1)计算透镜天线组的外部指标；所述外部目标包括：透镜天线组等效的口径、透镜天线组等效的焦距和透镜天线组等效的像距；

步骤2)将成像目标点放置于透镜的物平面上；其中，所述透镜为二次曲面单透镜，将步骤1)中获得的外部指标作为已知量输入，以二次曲面单透镜的像平面光斑作为优化目标，对二次曲面单透镜进行优化，获得优化后的透镜天线；

步骤3)继续增加二次曲面单透镜的片数，以透镜的像平面光斑大小作为优化目标，继续优化增加的二次曲面单透镜，获得优化后的透镜天线组；

步骤4)对步骤3)获得的透镜天线组，利用蒙特卡洛方法进行透镜天线组的公差分析，所述透镜天线组的公差包括：透镜天线组的曲率半径、厚度，透镜之间的间距、偏心和折射率误差；如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)；

步骤5)利用电磁仿真软件FEKO将已知的馈源天线放置在像平面上，如果聚焦在物平面上的光斑直径小于或等于1.3cm，并且多波束增益差小于或等于1dB，则结束操作；如聚焦在物平面上的光斑直径大于1.3cm，或者多波束增益差超过1dB，则重复上述步骤1)-5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：透镜天线组等效的物距、透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D、物平面高斯波束束腰半径作为已知量，利用准光理论，采用公式(1)：

其中，z为高斯波束起点到所在位置的距离，该距离等同于透镜天线组等效的物距S₁；ω₀为起始位置的高斯波束束腰半径；根据公式(1)获得透镜天线组所在位置的高斯波束束腰半径ω(z)，同时要求透镜天线组等效的口径D≥3ω(z)，进而得到透镜天线组等效的口径D的最小值；

随后通过透镜天线组等效的口径与透镜天线组等效的焦距的比值f/D，得到透镜天线组等效的焦距f；

利用透镜天线组等效的物距S₁，透镜天线组等效的像距S₂和透镜天线组等效的焦距f之间的计算公式(2)；

得到透镜天线组等效的像距S₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，获得优化后的透镜天线具体包括：将步骤1)中获得的所述外部指标作为已知量输入，以像平面光斑大小作为优化目标，使得光斑大小尽量均匀一致，且透镜天线组的中心成像点的光斑半径大小是大视场角下边缘成像点的光斑半径大小的3倍以内，利用阻尼最小二乘法得到单透镜天线；所述大视场角为半张角大于等于20度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：在步骤(2)中得到的单透镜天线基础上，增加一个单透镜，并利用阻尼最小二乘法进行优化，观察光斑均匀性的效果，如果光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3，停止增加透镜片数；如果不满足光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3，则继续增加透镜片数，直到均匀性满足光斑均匀性达到正入射与斜入射的光斑半径比小于3为止。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，获得优化后的透镜天线组具体包括：在步骤3)中得到的透镜天线组的公差分析进行验证，在现有加工条件下，如果不能在公差允许范围内获得与仿真接近的性能，即如果边缘像平面光斑直径大于中心点处像平面光斑直径的10倍以上，且波束均匀性大于3dB，则重复步骤1)-3)。