8mm点聚焦透镜天线设计

1、8mm 点聚焦透镜天线设计摘要：根据对物体毫米波信号采集的需要，设计一种工 作于 8 mm 频段的点聚焦透镜天线，选用宽波束微带天线做 馈源，设计焦距大小不同的双面透镜， 采用电磁仿真软件 CST 对聚焦透镜天线进行仿真实验，从仿真结果可以看出，不同 焦距双面透镜实现了预期聚焦效果且空间分辨率大小能够 满足对物体逐点扫描的需求。关键词：点聚焦透镜；微带天线；焦距；空间分辨率 中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2016 ） 11?0079?03Abstract ： A point?focusing lens antenna working a

2、t 8 mm frequency band was designed according to the demand for millimeter?wave signal acquisition. The double?sided lens with different focal lengths was designed by selecting the wide beam microstrip antenna as the feed source. The electromagnetic simulation software CST is used to simulate the foc

3、using lens antenna. The simulation results show that the double?sided lens with different focal lengths can realize the expected focusing effect and high spatial resolution ， which can meet the demand for point?by?point scanning of the object.Keywords： point?focusing lens ； microstrip antenna ；focal

4、 length ； spatial resolution0 引言 近年来，公共场所恐怖袭击事件不断增加，对隐蔽条件 下的危险物品的检测与报警已成为亟待解决的问题，当前不 仅海关、铁路、机场等场所需要安检，在地铁、政府以及重 要的建筑机关也需要严格的安检 1 ，应用到公共场所的安检 设备成为世界各国重点研究的热点问题。目前主要应用的是 X 射线和毫米波技术，从成像质量和环保等方面做对比，毫 米波技术较容易被公众接受。对毫米波的采集可以通过点聚焦透镜将物体辐射的电 磁波集中到一个小的区域内 2 ，形成焦斑。 透镜天线早在 20 世纪 30 年代就已经出现，近年来随着毫米波、太赫兹等方 面对透镜的广

5、泛应用，其聚焦功能实现效果也越来越好。当 前透镜天线的种类很多， 例如文献 3 中利用圆锥喇叭天线作 为馈源 4 ，透镜两侧的焦距相同，由喇叭天线和透镜组成了 点聚焦透镜天线，这种透镜通过实验仿真能够达到聚焦效果， 但对一侧远焦点另一侧近焦点的实际需要和天线的相位中 心与较近焦点重合要求天线波束较宽的情况不太适应 3 。本文根据自身需要设计的点聚焦透镜天线由微带天线 和双面透镜两部分组成 5 ，利用了微带天线波束较宽和双面 透镜焦距不同的特点，能够较好地实现透镜分别与天线距离 较近、与焦点较远的设计效果，同时采用电磁仿真软件 CST 对点聚焦透镜天线进行建模仿真，验证其点聚焦情况，整体 达到了

6、预期的效果。1 基本原理 点聚焦透镜天线不要求球面波经透镜折射后转化为平 面波，而是要求经透镜后在聚焦面上聚焦。微带天线相位中 心的位置即为透镜一侧的焦点位置。本文要求透镜能够聚焦 且两焦距不同，因此采用由两个单面透镜合成的双面透镜， 材料选用低损耗的聚四氟乙烯。若透镜中的介质均匀，这种 透镜称为常数折射率透镜，依据几何光学原理，在这种透镜 中的射线是直线。毫米波从透镜平面至焦点的所有射径的电 长度都相同，这是透镜的电长度等同原理。1.1 透镜的设计点聚焦单透镜天线几何形状图，如图 1 所示。为透镜曲 面，是焦点到上的任意一点的距离即是透镜的焦距，是焦点 到透镜轮廓线上任一点的距离即坐标原点在

7、微带天线处，是 透镜一侧的厚度， 为透镜口径直径， 透镜周围的媒质是空气， 透镜介质折射率为1.2 透镜的分辨率根据分辨率的 Rayleigh 判据，衍射斑的峰值与最小点间 的距离为焦斑的半径。 由峰值的 3 dB 点形成的圆斑直径即为 点聚焦透镜天线的分辨率。利用如图 1 所示坐标推导出点聚焦天线在焦点处（E点）垂直于轴平面上聚焦电场的-3 dB宽度即为聚焦透镜的分辨率 6。参照图 1，设计透镜时通过调节其结构和参数，根据文献5得出焦斑宽度的简便近似公式，其中 -3 dB点对应的宽度7为：2 结构的设计与仿真2.1 点聚焦透镜的设计本系统设计的点聚焦透镜天线针对 500 mm 处的物体进 行

8、扫描，系统工作在 35 GHz,根据分辨率小于 30 mm的要 求，结合转台承重 10 kg 以及透镜材料选用的聚四氟乙烯密 度，透镜直径取300 mm。根据实物制作的大小和长短等实 际因素，微带天线距透镜距离取 150 mm。用式（1），式（2）设计，可以设计出单面透镜 A和B。 透镜A基本参数：300 mm， mm，得出厚度为 45 mm ;透 镜B基本参数：300 mm，500 mm，得出厚度为 89 mm。将 AB 透镜合并就可以得到需要的双面透镜。微带馈源设计的基本参数：天线宽度为2.8 mm，天线长度为3.4 mm，天线厚度为181.7卩m，馈源的宽度为42.8卩 m。天线馈源的设

9、计中，其相位中心到透镜定点的距离为透 镜的焦距。2.2 CST仿真及分析本文采用电磁仿真软件 CST进行矩形贴片微带天线和透 镜天线的性能仿真 8，给出矩形贴片微带天线加载透镜前后性能指标的变化2.2.1 微带天线的仿真2.2.2 加载透镜后的仿真结果 把透镜安装在透镜面（焦距为 150 mm 的透镜面）距离 微带天线相位中心 150 mm的位置9，图3 （a）,图3 （ b） 是矩形微带天线加载双面透镜（GHz,后轴（见图1） 上的电场空间分布，经计算，透镜的聚焦面应在 804.5 mm 处。 透镜仿真后的聚焦面位置约在 801.5 mm 的位置上，比结果 提前了 3 mm 左右。从图中能够

10、看出，当时， mm 点的电场 最强，增益为 56.4 dB。图4（a）是二维分布，图4（ b）是mm面上的场分布。从图中能够看出聚焦透镜在该点的聚焦效果，同时也能够由该聚焦点的-3 dB宽度得出其分辨率为 22 mm，由式（5）计 算点聚焦透镜理论上的分辨率为 25 mm 左右10。通过上述的实验仿真分析，点聚焦透镜的设计理论结果 和实验仿真的结果基本上一致，达到了技术指标，可以得出 点聚焦透镜天线的设计是正确的。3 结语本文采用双曲面透镜天线与矩形微带天线共同组成了点聚焦透镜天线，用电磁仿真软件CST进行了实验仿真并取得了良好的聚焦效果。该透镜频率为35 GHz,直径为300 mm， 总厚度

11、为134 mm，距离微带天线的相位中心150 mm，在801.5 mm 的焦平面聚焦， 焦斑为 22 mm ，与预期效果基本一 致，达到了聚焦透镜天线的设计目的。参考文献1 赵自然 .人体安检新技术的分析与探讨J. 中国安防，2012（3）：33?36.2 任冬梅，刘述章，王国庆，等.8 mm点聚焦透镜天线的工程设计 J .电子科技大学学报， 2006， 35（3）：328?330.3 唐剑明， 赵青， 郑灵， 等.3 mm 圆锥喇叭聚焦天线的 理论与仿真 J .强激光与粒子束， 2012， 24（ 2）：436?440 .4 殷力凡.毫米波介质透镜天线的研究D.南京：南京理 工大学， 2005.5 孙兵，江国泰，陈志宏，等 .聚束透镜在微波热疗中 的应用J.中国科学：技术科学，2011，41（ 1）： 32?37.6 马平，何昌伟，刘述章 .点聚焦透镜天线分辨率的分析与测量J微波学报，2004，20（ 3）： 74?76.7 吕善伟，张岩，余慧龙，等 .聚焦透镜天线焦斑宽度估算J北京航空航天大学学报，2008，34（ 5）： 560?563.8 朱佩涛， 刘述章， 任冬梅 .8 mm