用于太赫兹成像的准光聚焦天线

用于太赫兹成像的准光聚焦天线
张雨濛，刘埇，吕昕
毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，
北京理工大学，北京，100081
摘要:基于太赫兹技术在成像方面的运用，本文以340GHz透镜天线为例，介绍了太赫兹焦平面成像应用中的准光聚焦元件的设计方法。

使用Altair FEKO电磁仿真软件对设计进行仿真及优化，从而验证设计的合理性。

关键词:太赫兹成像，准光技术，透镜天线，Altair FEKO
1 概述
太赫兹波因其具有许多优越特性[1]，受到越来越多的关注和研究。

太赫兹技术在很多领域得到广泛的应用，如生物医学领域、通信领域、公共安全领域以及军事领域等。

本文主要着眼点在于研究太赫兹波在成像方面的应用。

为了提高成像系统在观察点的空间分辨率，不仅需要较大口径的天线、较高的工作频率，还需要该天线具有聚焦特性。

其实质是对馈源天线发射的电磁波进行相位修正，以实现在观察点聚焦的功能。

衡量聚焦天线性能的主要参数包括：馈源最大可用偏焦范围、焦斑尺寸、天线增益、波束宽度、天线效率[3]-[4]等。

对于准光聚焦元件来说，大体可分为反射式和透射式两种类型[5]。

反射式元件结构简单、重量轻、设计较为成熟，但其存在光路遮挡、宽角扫描特性差等缺点，并且对于加工精度要求较高；反射式元件则不存在光路遮挡问题，并且具有良好的宽角扫描性能。

加之其设计自由度大、成本较低等因素，广泛用于成像领域。

2 设计思路
2.1 准光理论[2]与高斯截断效应
基于准光学的方法，对340GHz太赫兹透镜天线进行设计。

根据ABCD矩阵的级联性质，可采用矩阵相乘的方法研究级联网络，用于多个透镜实现聚焦功能。

ABCD矩阵法计算简便，适于求解网络和级联系统。

但其没有考虑厚透镜对电磁波相位的影响、场强分布和有限口径透镜对高斯波束的截断，因此在高频段应用误差较大，该方法更适用于薄透镜系统。

高斯波束在垂直于传播方向的平面内呈现正态分布特性，因此，有限口径的聚焦天线必然会对高斯波束产生截断，当截断电平不同时，通过聚焦天线的能量也存在差异。

聚焦天线
的半径越大，则绕射过聚焦天线的电磁波越少，系统所能获得的焦斑尺寸越小，高斯波束法的精度越高；然而，聚焦元件口径过大，会增大系统体积和重量，使系统变得笨重，并提高成本。

高斯波束在聚焦天线边缘的功率与光轴上功率之比可定义为聚焦元件对高斯波束的截断电平表示为：T E （dB ）= -20 Log(exp(-D 2/(4*ω2))) 。

为兼顾实用性与准确性，可采用截断电平位于-10dB~-20dB 之间。

2.2 准光设计思路
本文基于的设计出发点有：希望获得空间分辨率；成像距离（物距）；成像范围（H 、V 方向视域宽度）等因素。

设计思路大体可分为以下五个步骤：
1、根据系统成像距离和成像范围确定焦平面上馈源最大偏角角度。

2、根据空间分辨率大小和截断效应确定透镜尺寸。

3、根据F 数确定像距等像方聚焦特性。

4、根据聚焦特性（如增益、波束宽度）对馈源天线提出要求。

5、确定透镜的焦距（波前曲率半径）。

图1 双曲透镜原理示意图 图2 双面透镜示意图
基于光轴上光程差为零，透镜的形状要使得出射的场在垂直于轴的平面上处处同相，由等光程原理得出透镜表面轮廓为双曲面。

双面透镜使得入射球面波1变换为球面波2，如图1所示，根据需要对两个半透镜轮廓线分别设计以获得良好的波束控制效果。

340GHz 透镜天线的各物理性能及尺寸如表1所示：
表 1 透镜天线物理性能统计表
聚焦透镜材料使用聚四氟乙烯，使用双面折射透镜，其照明面及阴暗面方程如下所示： 照明面双曲线方程： (x:69.31)2
2568.793−y 22832.095=1 （x≤0）
阴暗面双曲线方程： (1010.219;x)21018306.7−y 21122683.136=1 （x ＞0） 馈源天线根据系统要求单独设计，考虑边缘照射电平-10dB~-15dB 。

3 结果分析
使用FEKO 仿真软件对设计进行验证，为节约仿真资源，馈源使用近场等效源替代，主透镜使用GO 算法对其进行仿真，建立模型如图1所示：
图 1 透镜天线模型示意图 图 2 透镜天线远场方向图
由仿真结果可知，透镜天线增益可达44.5dB,水平维和俯仰维的3dB 波束宽度均在0.5°左右，其副瓣电平在-35dB 以下，副瓣电平较低，满足设计要求。

4 结论
本文通过使用Altair 公司的电磁仿真软件FEKO 对太赫兹焦平面聚焦元件进行了设计并验证其电性能。

聚焦元件的引入使成像系统的整体特性有了进一步提升，能够满足成像所需的角分辨率。

5 参考文献
[1] 许景周,张希成.太赫兹科学技术和应用[M].北京:北京大学出版社,2007.
[2] 窦文斌.毫米波准光理论与技术[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3] 林昌禄.天线工程手册.电子工业出版社, 2006: 1068~1072
[4]约翰·克劳斯.天线.章文勋.第三版.电子工业出版社, 2006: 15~18
[5] 邓小丹.潘君骅.窦文斌. 毫米波焦面阵成像视场扩大分析. 电子学报.2003, 31(12A): 2012~2014。