一種頻率掃描反射柵天線及其抑制鏡像反射波的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于多層介質(zhì)的頻率掃描反射柵天線。 該種天線通過設(shè)計(jì)天線基底的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，起到抑制直接反射波的作用，天線增益大，掃 描范圍寬，直接反射副瓣低，可用于太赫茲成像、目標(biāo)快速檢測(cè)與跟蹤、太赫茲通信、無損探 傷等方面。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波一般是指頻率在0.iraz~loraz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(guān)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(xué)向微觀電子學(xué)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(duì)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(yīng)，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用。因此太 赫茲波可W廣泛的應(yīng)用在遙感、國±安全、無損探巧||、反恐安檢、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。其中應(yīng)用 于安全檢測(cè)領(lǐng)域的太赫茲成像技術(shù)是各個(gè)國家都在積極開展研究的技術(shù)，將太赫茲成像系 統(tǒng)放到機(jī)場(chǎng)安檢及重要場(chǎng)所的入口處，可W實(shí)現(xiàn)非接觸的安全檢測(cè)，可W透過衣服等遮擋 物探測(cè)到藏匿在人身上毒品、炸藥、槍支、b首等危險(xiǎn)違禁物品?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出的太赫茲 成像原理樣機(jī)，如美國P化實(shí)驗(yàn)室在2009年研制的0. 345T化~0. 355T化掃描H維成像 系統(tǒng)，美國JPL實(shí)驗(yàn)室在2011年研制的0.66raz~0. 69raz調(diào)頻連續(xù)波H維成像系統(tǒng)，該 些系統(tǒng)都是利用一個(gè)或多個(gè)反射面的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)二維波束掃描，成像時(shí)間長達(dá)數(shù)砂鐘，該 在實(shí)際應(yīng)用中是極為耗時(shí)的。由于頻率掃描是不同的頻率對(duì)應(yīng)空間中不同指向的波束，該 樣掃描的時(shí)間將會(huì)極大地縮短，因此利用頻率掃描的方式實(shí)現(xiàn)波束掃描是非常有應(yīng)用前景 的，但是目前尚未有人實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的頻率掃描天線。
[0003] 另一方面，F(xiàn). STEFAN JOHANSSON在1990年提出了一種頻率掃描反射柵天線。該 種反射柵天線工作的中也頻率為lOGHz，在9. 5GHz~10. 5GHz頻段內(nèi)掃描角度9°，同時(shí)直 接反射波遠(yuǎn)低于掃描主波束。反射柵天線的介質(zhì)層由四層介質(zhì)構(gòu)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(zhuǎn)化率最大，也就是直接反射波相對(duì)于掃描主波束最小。該樣的設(shè)計(jì) 方法得到的介質(zhì)層總厚度大約為四分之一波長，則每層的厚度遠(yuǎn)小于波長，如果把用該種 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(gè)微米，該在工程上是很難實(shí)現(xiàn)的， 所W需要找到新的設(shè)計(jì)方法，使天線易于加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種多層介質(zhì)抑制直接反射波的方法，并且設(shè)計(jì)一種太赫茲 頻率掃描天線，太赫茲頻段頻率掃描天線可W應(yīng)用到太赫茲成像系統(tǒng)中，使成像時(shí)間大大 縮短。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第一方面，提供一種頻率掃描反射柵天線，所采用的技 術(shù)方案是包括多個(gè)反射單元，所述反射單元是二維周期排列的反射陣列；每一反射單元包 括金屬柵條、頂層、底層和金屬底板，所述反射單元的下面是金屬底板，反射單元的上面是 金屬柵條；在金屬柵條和金屬底板之間固接有頂層和底層，金屬柵條的底部與頂層的上面 固接，底層固接于頂層的下面及金屬底板的上面之間；頂層和底層材料是不同介電常數(shù)的 多介質(zhì)層，多介質(zhì)層抑制鏡像反射波。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第二方面，提供一種抑制鏡像反射波的方法所采用的 技術(shù)方案包括步驟：
[0007] 步驟S1 ;利用電磁仿真軟件，對(duì)頻率掃描反射柵天線的頂層介電常數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 利用優(yōu)化的頂層介電常數(shù)，得到透射傳輸波束和一次反射波束的幅度和相位；
[0008] 步驟S2;構(gòu)建幾何光學(xué)模型和傳輸線模型；
[0009] 步驟S3 ;利用幾何光學(xué)模型計(jì)算在頂層內(nèi)部的透射傳輸波束的相位變化量；
[0010] 步驟S4 ;在頂層和底層的交界面，將透射傳輸波束反射成為二次反射波束；
[0011] 步驟S5 ;利用傳輸線模型計(jì)算底層與頂層之間交界面的二次反射波束相對(duì)于透 射傳輸波束的相位變化量；
[0012] 步驟S6;使底層與頂層之間交界面的二次反射波束在頂層內(nèi)部介質(zhì)傳播，獲得一 相位變化量，且底層與頂層之間交界面的二次反射波束被傳輸?shù)娇臻g，得到空間二次反射 波束，使空間二次反射波束和一次反射波束生成鏡像反射波；
[0013] 步驟S7 ;利用設(shè)定的空間二次反射波和一次反射波束的相位差，對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化，得到優(yōu)化后的底層介電常數(shù)和厚度；
[0014] 步驟S8;利用優(yōu)化后的底層介電常數(shù)和厚度，用于抑制鏡像反射波。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：
[0016] 其一，本發(fā)明的多層介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)，采用介電常數(shù)上小下大的兩層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有很 好的抑制直接反射波的效果。其二，所述頻率掃描反射柵天線，在0. 2T化附近的頻率范圍 內(nèi)，天線增益大，掃描范圍寬，具有高增益、低直接反射副瓣、掃描角度大的優(yōu)點(diǎn)。其H，所述 頻率掃描反射柵天線，可W應(yīng)用于太赫茲成像系統(tǒng)、目標(biāo)快速檢測(cè)與跟蹤、太赫茲通信、無 損探傷等方面。其四，所述頻率掃描反射柵天線，介質(zhì)厚度不會(huì)對(duì)加工工藝提出嚴(yán)苛的要 求，易于加工。
【附圖說明】
[0017] 圖1A是本發(fā)明反射柵天線的整體俯視圖；
[0018] 圖1B是本發(fā)明反射柵天線一個(gè)反射單元參數(shù)示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明反射柵天線一個(gè)反射單元的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖3是頂層介質(zhì)幾何光學(xué)模型的示意圖；
[0021] 圖4是底層介質(zhì)和金屬底板的等效傳輸線模型；
[0022] 圖5是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的天線在不同頻率處的掃描方向圖；
[0023] 圖6a至圖6e是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的其他實(shí)施例。
[0024] 1金屬柵條，2頂層，
[00巧]3底層，4金屬底板。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 圖1A為本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種基于多層介質(zhì)的頻率掃描反射柵天線的整體俯視圖， 在X方向、Y方向呈周期排列長度尺寸a和寬度尺寸b的反射柵天線；所述頻率掃描反射柵 天線包括多個(gè)反射單元Q是二維周期排列的反射陣列；所述反射單元中的每個(gè)維度的反射 單元數(shù)目大于6個(gè)。
[002引如圖2示出位于XYZ坐標(biāo)系中的本發(fā)明反射柵天線中的一個(gè)反射單元Q的立體結(jié) 構(gòu)，其中每一反射單元Q包括金屬柵條1、頂層2、底層3和金屬底板4,從反射單元Q的上面 到下面依次為金屬柵條1、低介電常數(shù)材料的頂層2、高介電常數(shù)材料的底層3、金屬底板4， 所述反射單元Q的底部是金屬底板4,所述反射單元Q的上面是金屬柵條1;在金屬柵條1 和金屬底板4之間固接有頂層2和底層3,金屬柵條1的底部與頂層2的上面固接，底層3 固接于頂層2的下面及金屬底板4的上面之間，頂層2和底層3材料采用不同介電常數(shù)的 多介質(zhì)層，多介質(zhì)層抑制鏡像反射波。圖2中示出的tl是頂層2的厚度，t2是底層3的厚 度。圖1B為一個(gè)反射單元的結(jié)構(gòu)圖，其中Di是反射柵天線的X方向的周期；化是反射柵天 線的Y方向的周期；W是金屬柵條1的寬度尺寸；L是金屬柵條1的長度尺寸。其中，所述金 屬柵條1是矩形金屬柵條或圓形金屬柵條，所述金屬柵條1的尺寸小于半個(gè)波長。
[0029] 反射柵天線的周期結(jié)構(gòu)可W將入射波束轉(zhuǎn)化為0階模和-1階模，所述0階模即為 鏡像反射波，所述-1階模即為掃描衍射波束。如圖3所示，由金屬柵條1和頂層2組成的 交界面，將入射波束生成透射傳輸波束Eit和一