[發明專利]應用于太赫茲頻段焦平面陣列的橢球透鏡天線設計方法

有效

• 申請號: 201410372798.2
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104157985A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 婁錚;史生才;繆巍;劉冬
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: H01Q19/06
• 分類號: H01Q19/06;H01Q15/08
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明涉及太赫茲探測的技術領域，具體地說是應用于太赫茲頻段焦平面陣列的橢球透鏡天線設計方法。

背景技術

太赫茲焦平面陣列在太赫茲天文、醫學成像和公共安全等領域有著廣泛應用。太赫茲焦面陣輻射（或接收）電磁信號的形式有兩種，一種是采用金屬饋源喇叭陣列的方式，另一種是采用平面天線與介質透鏡組合而成的準光學天線陣列。相對于饋源喇叭陣列，準光學天線的優點是陣列物理尺寸更為緊湊，制備成本更低，易于大規模集成，并可以方便地實現與探測器芯片的集成，已在太赫茲單像元探測器和多像元探測器陣列中得到成功應用。

單像元準光學天線由一塊介質透鏡和一個位于透鏡背面中心處的平面天線（如雙槽天線或螺旋天線等）組成。實際制備時，平面天線常常與探測器一起集成在獨立的基片上，且基片材料與介質透鏡材料一致。介質透鏡通常由高介電常數的材料（如硅和砷化鎵等）加工而成。根據透鏡形狀的不同，又可分為超半球透鏡、擴展半球透鏡和橢球透鏡等，如圖1所示。超半球透鏡具有半球形曲面，焦平面到球心的距離為???????????????????????????????????????????????，其中為球半徑，為透鏡材料的折射率。擴展半球透鏡與超半球透鏡具有相同的幾何形狀，但焦平面到球心的距離增大為。相比而言，超半球透鏡具有更小的波形畸變，其輻射特性接近完美的高斯波束，而擴展半球透鏡具有更好的方向性和更高的天線增益。橢球透鏡的面形為偏心率為的橢球面，擴展長度與橢球的焦距相等。橢球透鏡具有與擴展半球透鏡十分相似的面形，因此成像特性也與之相似，但天線增益比擴展半球透鏡稍高。

對于單像元應用，傳統橢球透鏡和擴展半球透鏡具有接近最優的成像性能，但對于焦面陣應用，上述透鏡天線缺存在著缺陷，即離軸單元的成像質量（或天線增益）隨離軸距離的增大而迅速惡化，這一特性導致透鏡天線可用的視場范圍較小，嚴重限制了透鏡天線在大規模太赫茲焦面探測陣列中的應用。一種解決方法是為探測陣列中的每一個平面天線單獨配置一塊小介質透鏡，即采用微透鏡陣列的方式。但微透鏡陣列的缺點是加工成本較高，且由于透鏡尺寸一般很小，無法實現較高的天線增益。另一種增大透鏡天線視場的方法是通過重新設計雙槽平面天線，使得離軸像元的輻射波束在透鏡表面始終沿法向方向入射。該方法可以在一定程度上提高磁場面（H面）上離軸像元的成像質量，但無法改善電場面（E面）上離軸像元的像質，且該方法只適用于雙槽形式的平面天線。

發明內容

針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種新的應用于太赫茲頻段焦平面陣列的橢球透鏡設計方法，用于改善橢球透鏡作為成像器件時的視場特性，獲得所需視場內的最佳成像質量。該設計方法的主要思路是同時優化橢球透鏡的偏心率和擴展長度，使得在給定視場內各像元的平均增益達到最高、像元間的一致性達到最優。該設計方法簡單易行，不受平面天線形式的限制，且對離軸像質的改善明顯。

本發明的橢球透鏡的面型由長、短軸分別為a和b的橢圓繞z軸旋轉而成。球心到焦平面的距離（擴展長度）為H，透鏡材料的介電常數為。影響橢球透鏡成像視場的最主要兩個參數是橢球透鏡的偏心率和擴展長度。通過改變偏心率可以獲得不同面形的橢球透鏡。當偏心率時，即得到半球面透鏡；當偏心率時，即得到傳統橢球透鏡。不同偏心率的橢球透鏡具有不同的離軸誤差特性，因而表現出不同的視場大小。此外，傳統擴展半球透鏡和橢球透鏡的擴展長度是針對中心像元優化而得到的，但對于離軸像元并非最佳選擇，因此在陣列設計時需要根據視場整體要求對擴展長度重新進行優化。對于給定的視場區域，存在著一組最佳的偏心率與擴展長度的組合，使得視場內處的平均增益達到最高、像元間的增益起伏達到最低，上述最優參數的選定可以通過全局優化的方法得到。

為了解決現有的技術問題，本發明采用的技術方案為：

應用于太赫茲頻段焦平面陣列的橢球透鏡天線設計方法，包括以下步驟：

步驟一、根據太赫茲頻段波長設置合適的平面天線的尺寸參數；

步驟二、根據橢球透鏡所需的外徑D設置橢球透鏡的短軸長度b=1/2D；

步驟三、在和的范圍內選取多個（）組合，其中，e為橢球透鏡偏心率，H為擴展長度，即焦平面至橢球透鏡球心的距離，n為橢球透鏡材料的折射率；