基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線及衍射波增強方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，包括多個反射單元，所述反射單元為二維周期排列；所述多個反射單元分布在同一平面內(nèi)，每個反射單元包括多個子反射單元、介質(zhì)基板和金屬地板，在介質(zhì)基板的一側面固接金屬地板，在介質(zhì)基板的另一側面固接多個子反射單元，每個子反射單元與相鄰的子反射單元之間具有一距離，所述多個子反射單元組成平面二元結構；入射波照射到多個反射單元上，周期性排列的多個反射單元將入射波生成鏡像反射波和波束指向隨頻率變化的衍射波模式。本發(fā)明還包括一種基于平面二元結構的衍射波增強方法。本發(fā)明天線能夠在0.2THz附近的頻段內(nèi)，實現(xiàn)大角度范圍的掃描，且具有高增益、低鏡像反射副瓣的性能。
【專利說明】基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線及衍射波增強方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲【技術領域】，涉及一種基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線。
技術背景
[0002]能夠對入射波的相位或振幅進行空間周期性的調(diào)制，由系列密集、平行、等寬而又等間距的刻線構成的光學器件成為光柵。當光柵刻劃成鋸齒形的線槽面時，光柵的能量便集中在預定的方向上，這種現(xiàn)象成為閃耀，這種光柵成為閃耀光柵。
[0003]太赫茲波一般是指頻率在0.1THz?IOTHz之間的電磁波，是人們研究和利用最少的頻段，近十幾年來引起了人們的極大關注。由于所處的頻段位于微波與紅外頻譜之間，屬于宏觀電子學向微觀電子學過渡的范圍。太赫茲波表現(xiàn)出不同于其他頻段電磁波的特性。比如，太赫茲波具有很好的穿透沙塵煙霧的能力，對纖維、衣物等非極性材料有良好的穿透性；太赫茲波光子能量小，沒有類似X射線的電離效應，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用。因此太赫茲波可以廣泛的應用在遙感、國土安全、無損探測、反恐安檢、醫(yī)療診斷等領域。其中應用于安全檢測領域的太赫茲成像技術是各個國家都在積極開展研究的技術，將太赫茲成像系統(tǒng)放到機場安檢及重要場所的入口處，可以實現(xiàn)非接觸的安全檢測，可以透過衣服等遮擋物探測到藏匿在人身上毒品、炸藥、槍支、匕首等危險違禁物品。現(xiàn)在已經(jīng)研制出的太赫茲成像原理樣機，如美國PNL實驗室在2009年研制的0.345THZ?0.355THz掃描三維成像系統(tǒng)，美國JPL實驗室在2011年研制的0.66THz?0.69THz調(diào)頻連續(xù)波三維成像系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都是利用一個或多個反射面的轉動來實現(xiàn)二維波束掃描，成像時間長達數(shù)秒鐘，這在實際應用中是極為耗時的。由于頻率掃描是不同的頻率對應空間中不同指向的波束，這樣掃描的時間將會極大地縮短，因此利用頻率掃描的方式實現(xiàn)波束掃描是非常有應用前景的，但是目前尚未有人實現(xiàn)太赫茲頻段的頻率掃描反射面天線。
[0004]另外，F(xiàn).STEFAN JOHANSSON在1990年提出了一種頻率掃描反射柵天線。這種反射柵天線工作的中心頻率為10GHz，在9.5GHz?10.5GHz頻段內(nèi)掃描角度9°，同時直接反射波遠低于掃描主波束。反射柵天線的介質(zhì)層由四層介質(zhì)構成，介質(zhì)的介電常數(shù)選擇是上層大、下層小，頂層介質(zhì)上是偶極子陣列。通過優(yōu)化偶極子長度、低介電常數(shù)層的厚度，使入射波到衍射波的轉化率最大，也就是直接反射波相對于掃描主波束最小。這樣的設計方法得到的介質(zhì)層總厚度大約為波長的四分之一，則每層的厚度遠小于波長，如果把用這種方法用到太赫茲波段，所需要的介質(zhì)層厚度大約為幾十個微米，這在工程上是很難實現(xiàn)的。同樣如果像經(jīng)典的閃耀光柵那樣，直接在基底上刻槽，以現(xiàn)實的加工工藝，在太赫茲波段同樣是很難加工的，所以需要找到新的設計方法，使天線易于加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種基于平面二元結構的衍射波增強機制，并且基于此機制設計一種太赫茲頻率掃描反射面天線，太赫茲頻率掃描反射面天線可以應用到太赫茲成像、太赫茲通信、無損檢測、目標快速識別和跟蹤等領域。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的第一方面，提供一種基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線所采用的技術方案包括:多個反射單元，所述反射單元為二維周期排列；所述多個反射單元分布在同一平面內(nèi)，每個反射單元包括多個子反射單元、介質(zhì)基板和金屬地板，在介質(zhì)基板的一側面固接金屬地板，在介質(zhì)基板的另一側面固接多個子反射單元，每個子反射單元與相鄰的子反射單元之間具有一距離，所述多個子反射單元組成平面二元結構；入射波照射到多個反射單元上，周期性排列的多個反射單元將入射波生成鏡像反射波和波束指向隨頻率變化的衍射波模式。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明的第二方面，提供基于平面二元結構的衍射波增強方法，該方法包括步驟如下:
[0008]步驟S1:將基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線中的每個反射單元分成N個子反射單元；
[0009]步驟S2:選擇 不同子反射單元的尺寸，使相鄰子反射單元之間的衍射波模式的反射相位差恒定；
[0010]步驟S3:根據(jù)衍射波模式的反射相位差調(diào)節(jié)相鄰子反射單元的間距，使每個子反射單元的衍射波模式同相疊加，實現(xiàn)入射波束到衍射掃描波束的增強。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:其一，多個反射單元在介質(zhì)層的表面，介質(zhì)不用做的非常薄，非常易于加工。其二，基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，在0.2THz左右的頻段內(nèi)，實現(xiàn)高增益、大掃描角度、低直接反射副瓣，可以應用于太赫茲成像系統(tǒng)、目標快速檢測與跟蹤、太赫茲通信、無損探傷、目標快速識別和跟蹤等方面。其三，引入基于平面二元結構的衍射波增強方法，實現(xiàn)了掃描波束高效轉化，使掃描波束能量占據(jù)總能量的絕大部分，滿足不同場合的應用需求，為此類平面反射式的頻率掃描反射面天線提供了通用的設計指導。其四，引入基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，易于擴展到其他頻段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線的一個周期單元示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線的二元陣列結構示意圖；
[0015]圖4是天線的輻射方向圖；
[0016]圖5是天線的鏡像波束抑制效果圖。
[0017]A反射單元，I第一子反射單元，2第二子反射單元，
[0018]3第三子反射單元， 4介質(zhì)基板，5金屬地板。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。[0020]圖1是本發(fā)明的基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線實物圖，包括多個反射單元A，所述反射單元A為二維周期排列；所述多個反射單元A分布在同一平面內(nèi)，入射波照射到多個反射單元A上，周期性排列的多個反射單元A將入射波生成鏡像反射波和波束指向隨頻率變化的衍射波模式；圖2示出本發(fā)明的頻率掃描反射面天線中每個反射單元的結構示意圖，每個反射單元A包括多個子反射單元1、2、3、介質(zhì)基板4和金屬地板5,在介質(zhì)基4板的一側面固接金屬地板5,在介質(zhì)基板4的另一側面固接多個子反射單元1、2、3，每個子反射單元與相鄰的子反射單元之間具有一距離，所述多個子反射單元1、2、3組成平面二元結構。
[0021]本發(fā)明提供的基于平面二元結構的衍射波增強方法，該方法包括步驟如下:
[0022]步驟S1:將基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線中的每個反射單元A分成N個子反射單元；
[0023]步驟S2:選擇不同子反射單元的尺寸，使相鄰子反射單元之間的衍射波模式的反射相位差恒定；
[0024]步驟S3:根據(jù)衍射波模式的反射相位差調(diào)節(jié)相鄰子反射單元的間距，使每個子反射單元的衍射波模式同相疊加，實現(xiàn)入射波束到衍射掃描波束的增強。
[0025]根據(jù)上述的基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線和基于平面二元結構的衍射波增強方法中所述子反射單元1、2、3是不同尺寸的I字形金屬片或H字形金屬片，多個子反射單元1、2、3之間距離根據(jù)不同子反射單元的尺寸確定。所述二維周期中每個維度的反射單元數(shù)目大于6個。所述子反射單元1、2、3的I字形和H字形金屬片不同尺寸對應著衍射波模式的不同的反射相位，所述I字形和H字形金屬片的尺寸小于半個波長。
[0026]相鄰子反射單元之 間的距離d與相鄰子反射單元衍射波模式的反射相位差Φ之
間的關系為'd =冬~P，其中P為周期。
In
[0027]多個子反射單元具有相同結構和不同尺寸且尺寸小于半個波長，要滿足在較寬頻帶內(nèi)衍射波模式的反射相位差恒定,相位差由仿真軟件求得。由電磁仿真軟件Ansoft HFSS計算不同尺寸的子反射單元的衍射波模式的反射相位，從中選擇N個不同尺寸的子反射單元，使相鄰子反射單元之間的衍射波模式的反射相位差恒定；反射單元A有一層介質(zhì)基板4的支撐。
[0028]按照本發(fā)明的思想，所述子反射單元數(shù)目可以變化。為達到波束掃描的目的，通過光柵方程計算出多個反射單元在X方向的周期，此周期選擇要滿足除了 -1階高次模外，不出現(xiàn)其他高次模式；為了抑制柵瓣，多個反射單元在y方向的周期選擇小于半個波長；
[0029]已知的入射波入射角Θ i，所需要的衍射波掃描角P，自由空間中的波數(shù)k，由光柵方程初(sing.+Sin^ = 2;r ,可得反射單元重復周期ρ。
[0030]以入射波入射角Qi方向入射的波，在衍射波掃描角口方向，相鄰子反射單元1、2、3的反射相位差為Φ i Φ2，子反射單元I和子反射單元2之間的距離為4 =^P，子反射單元
2和子反射單元3之間的距離為之令P，這樣根據(jù)光柵方程相鄰子反射單元的出射波束在


In
衍射方向同相疊加，掃描衍射波模式加強，形成衍射增強機制。
[0031]所述一層介質(zhì)基板4的介電常數(shù)一般在1.5~8之間，介質(zhì)基板4的厚度約為介質(zhì)中波長的1/3?1/5，這樣可以使子反射單元有平緩變化的反射相位分布，有利于提高帶寬。
[0032]作為一設計實例，我們設計了一種基于平面反射式二元閃耀光柵的太赫茲頻率掃描反射面天線。在0.18THz?0.22THz的頻率范圍內(nèi)，波束掃描角為15.4°。如圖3，所述子反射單元1、2、3的尺寸，子反射單元的寬度w = 0.06mm,子反射單元的長度L1 = 0.44mm,L2 = 0.24mm, L3 = 0.14mm, L4 = 0.48mm, L5 = 0.12mm,相鄰子反射單元之間的距離 Cl1 =
0.22mm，d2 = 0.51mm。
[0033]我們選擇平面波或高斯波束在XOZ平面50°斜入射，由光柵方程可以得到反射柵X方向的周期P為1.24mm,選擇Y方向周期Dy為0.6mm。介質(zhì)基板4采用Rogers5880高頻板。介質(zhì)基板4厚度為0.254mm,如圖1,反射柵天線的尺寸長為50mm,寬為50mm, x方向有36個單元，y方向有75個單元。如圖4，給出了 0.18THz?0.22THz的輻射方向圖，可以看出天線實現(xiàn)了從-20°?-35.4°的掃描。如圖5，給出了 185GHz、200GHz、215GHz處實驗和仿真的掃描波束與鏡像波束的比較，可以看出天線的鏡像波束遠低于衍射掃描波束，入射波到掃描波束的轉化效率高于96%，從而印證了衍射增強機制的正確性。
[0034]以上是對本發(fā)明的頻率掃描反射面天線的一個實例的描述。在其他實例中，所述頻率掃描反射面天線并不限于該實例所描述的內(nèi)容。
[0035]在上述實例中，所述反射單元A并不限于本實例所述的尺寸，在其他實例中，所述反射單元A的長與寬，與入射波角度、所需要的頻率掃描范圍及工作頻率有關，通過所述光柵方程得到。
[0036]在上述實例中，所述子反射單元的形狀不限于本實例的‘I’字和‘H’字形，在其他實例中可以根據(jù)需要調(diào)整，只要滿足在較寬頻帶內(nèi)衍射波模式的反射相位差恒定的條件即可。
[0037]在上述實例中，所述子反射單元的形狀為‘I’和‘H’形，不限于本實例的尺寸，在其他實例中可以根據(jù)需要調(diào)整。
[0038]在上述實例中，所述反射單元A包含子反射單元的數(shù)目，不限于本實例中的3個，在其他實例中，可以根據(jù)需要調(diào)整，但要滿足相鄰子反射單元距離與衍射波模式的反射相位差的關系。
[0039]所述一層介質(zhì)基板4的介電常數(shù)、厚度不限于本實例所給的具體參數(shù)，在其他實例中，所述介質(zhì)基板4可以選擇其他材料，也可以選擇多層介質(zhì)基板4，但應保證介質(zhì)層總厚度為介質(zhì)中波長的1/3?1/5。
[0040]在上述實例中，天線兩個維度各包含36、75個單元。在其他實例中，天線單元數(shù)目根據(jù)具體情況而定，不限于本實例的數(shù)目。
[0041 ] 在對本發(fā)明的頻率掃描反射面天線經(jīng)過多次試驗可以證明，本發(fā)明的頻率掃描反射面天線可以實現(xiàn)增益大，掃描范圍寬，直接反射副瓣低的目的。尤其是在太赫茲波段，其他頻率掃描反射面天線的設計方法很難實現(xiàn)在太赫茲波段的頻率掃描，而本發(fā)明所述的設計方法能夠實現(xiàn)太赫茲波段的頻率掃描。
[0042]最后應當說明的是，以上實例僅用于說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，本發(fā)明所述技術方案不僅僅適用于太赫茲波段，在其他波段也適用，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者同等替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍中。
【權利要求】
1.一種基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，包括多個反射單元，所述反射單元為二維周期排列；所述多個反射單元分布在同一平面內(nèi)，每個反射單元包括多個子反射單元、介質(zhì)基板和金屬地板，在介質(zhì)基板的一側面固接金屬地板，在介質(zhì)基板的另一側面固接多個子反射單元，每個子反射單元與相鄰的子反射單元之間具有一距離，所述多個子反射單元組成平面二元結構；入射波照射到多個反射單元上，周期性排列的多個反射單元將入射波生成鏡像反射波和波束指向隨頻率變化的衍射波模式。
2.根據(jù)權利要求1所述基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，所述子反射單元是不同尺寸的I字形金屬片或H字形金屬片，多個子反射單元之間距離根據(jù)不同子反射單元的尺寸確定。
3.根據(jù)權利要求1所述基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，所述二維周期中每個維度的反射單元數(shù)目大于6個。
4.根據(jù)權利要求1所述基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的介電常數(shù)在1.5~8之間,介質(zhì)基板的厚度為介質(zhì)中波長的1/3~1/5。
5.根據(jù)權利要求1所述基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，所述子反射單元的I字形 和H字形金屬片不同尺寸對應著衍射波模式的不同的反射相位，所述I字形和H字形金屬片的尺寸小于半個波長。
6.根據(jù)權利要求1所述基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線，其特征在于，相鄰子反射單元之間的距離d與相鄰子反射單元衍射波模式的反射相位差Φ之間的關系為:
，其中P為周期。
7.一種基于平面二元結構的衍射波增強方法，其特征在于，該方法包括步驟如下: 步驟S1:將基于平面二元結構的頻率掃描反射面天線中的每個反射單元分成N個子反射單元； 步驟S2:選擇不同子反射單元的尺寸，使相鄰子反射單元之間的衍射波模式的反射相位差恒定； 步驟S3:根據(jù)衍射波模式的反射相位差調(diào)節(jié)相鄰子反射單元的間距，使每個子反射單元的衍射波模式同相疊加，實現(xiàn)入射波束到衍射掃描波束的增強。
8.根據(jù)權利要求7所述基于平面二元結構的衍射波增強方法，其特征在于，多個子反射單元具有相同結構和不同尺寸且尺寸小于半個波長，要滿足在較寬頻帶內(nèi)衍射波模式的反射相位差恒定，相位差由仿真軟件求得。
9.根據(jù)權利要求7所述基于平面二元結構的衍射波增強方法，其特征在于，所述反射單元有一層介質(zhì)基板的支撐。
10.根據(jù)權利要求8所述基于平面二元結構的衍射波增強方法，其特征在于，所述介質(zhì)基板的介電常數(shù)在1.5~8之間,介質(zhì)基板的厚度為介質(zhì)中波長的1/3~1/5。
【文檔編號】H01Q19/10GK103715516SQ201410029391
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權日:2014年1月22日
【發(fā)明者】李世超, 李超, 張曉娟, 方廣有 申請人:中國科學院電子學研究所