CN102427168A - 一种太赫兹波的空间馈电传输方法及其焦面阵成像结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波的空间馈电传输方法及其焦面阵成像结构，方法将射频信号通过衍射物镜和成像衍射微透镜阵列汇聚到焦面阵的一侧面上；本振信号先经等振幅波束变换衍射透镜变为平面波，再通过功率分配衍射微透镜阵列被均匀地分配并汇聚到平面肖特基混频结上；射频信号和本振信号同时加入到平面肖特基混频结中进行混频，混频后的中频信号通过共面波导传输线输出。结构中的焦面阵与辐射喇叭之间依次设有功率分配衍射微透镜阵列和等振幅波束变换衍射透镜，焦面阵背对辐射喇叭的一侧依次设有成像衍射微透镜阵列和衍射物镜。方法降低了射频信号和本振信号的损耗，提高了成像质量；结构降低了焦面阵成像结构加工制作的难度和成本。

Description

一种太赫兹波的空间馈电传输方法及其焦面阵成像结构

技术领域

本发明提供了一种用于外差式太赫兹波焦面阵成像的空间馈电传输方法及实施该方法的外差式太赫兹波焦面阵成像结构。

背景技术

太赫兹波焦面阵成像，即THz焦平面阵成像，以其不需要机械扫描即可获得高分辨率图像、积分时间不受天线扫描速度限制、可实现实时成像等突出优点而倍受人们关注。THz焦面阵的阵元接收机的工作方式有外差式和直接检波式。直接检波放大式电路结构简单，但检波器的灵敏度低。而外差式采用混频器，混频器有三个端口，这三个端口分别连接天线(射频)、本征及中频信号。外差式灵敏度高，但电路结构复杂。在THz频段，为了更好的探测到微弱信号，常采用外差式检波的方式，而外差式检波的关键问题是射频信号和本振信号如何有效低耗地传输到接收机混频器上，同时还降低焦面阵成像结构复杂度和加工制作成本和工作成本。

THz焦面阵成像的焦面阵元主要有如下几种形式：准集成号角天线阵、喇叭天线阵、缝隙端射天线阵及基片集成透镜天线阵。基片集成透镜(也叫扩展半球透镜)天线阵由一个扩展半球介质透镜和贴附于其背面的集成天线阵构成。基片集成透镜天线阵因成本相对较低且具有如下优点而得到了广泛的应用：提高增益、降低副瓣、消除THz微带天线表面波及增加机械强度等，但是，它的阵元距离过近，互耦大，影响成像分辨率和成像质量。

THz频段通常使用的微透镜阵列为折射微透镜阵列，其加工制作存在较大的困难。在THz频段，折射物镜厚度大，导致***损耗大。在THz频段常常采用折射透镜进行空间馈电传输的方法来传输本征信号，这种空间馈电传输方法存在不能保证本征信号平均分配并汇聚到焦面阵的每个阵元上的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种解决上述问题、便于实现的太赫兹波的空间馈电传输方法及其焦面阵成像结构

技术方案：一种太赫兹波的空间馈电传输方法，射频信号依次通过衍射物镜和成像衍射微透镜阵列汇聚到焦面阵的一侧面上，并被位于焦面阵上的馈源天线接收，然后经馈源天线进入到集成在馈源天线上的平面肖特基混频结上；本振信号从辐射喇叭中辐射出，再从焦面阵的另一侧面照射到馈源天线上，最终通过馈源天线进入到集成在馈源天线上的平面肖特基混频结上；所述射频信号和本振信号同时加入到平面肖特基混频结中进行混频，混频后的中频信号通过共面波导传输线输出；所述本振信号照射到焦面阵之前，先通过等振幅波束变换衍射透镜变为平面波，再通过功率分配衍射微透镜阵列被均匀地分配并汇聚到焦面阵上的馈源天线上。

射频信号通过衍射物镜聚焦到成像衍射微透镜阵列上，再通过成像衍射微透镜阵列汇聚到焦面阵的其中一侧面上，减少了射频信号的损耗；本振功率通过等振幅波束处理，变为平面波后均匀分配到功率分配微透镜阵列中的每个微透镜上，再经微透镜汇聚到焦面阵上的馈源天线上并通过馈源天线加入到平面肖特基混频结中，降低了本振信号的功率传输损耗，同时可保证本征信号被均匀地分配并聚焦到焦面阵上的每个馈源天线上。

一种实施上述太赫兹波的空间馈电传输方法的焦面阵成像结构，包括焦面阵和辐射喇叭，焦面阵与辐射喇叭之间依次设有功率分配衍射微透镜阵列和等振幅波束变换衍射透镜，焦面阵背对辐射喇叭的一侧依次设有成像衍射微透镜阵列和衍射物镜，其中成像衍射微透镜阵列和功率分配衍射微透镜阵列的背面分别紧贴在焦面阵的两侧面上。

成像衍射微透镜和衍射物镜和功率分配衍射微透镜与折射物镜相比，其厚度显著减小；成像衍射微透镜阵列与普通单个较大尺寸的扩展半球透镜相比，其尺寸显著缩小；衍射物镜和成像衍射微透镜阵列的使用有效降低了射频信号在传输过程中的损耗，同时还降低焦面阵成像结构加工制作的难度和成本。

采用等振幅波束变换衍射透镜和功率分配衍射微透镜阵列的组合来传输本征信号，与普通的采用传输线的方式来传输本征信号相比，有效降低了本征信号在传输过程中的损耗，同时还降低焦面阵成像结构加工制作的难度和成本。

所述成像衍射微透镜阵列和功率分配衍射微透镜阵列的阵列均为M×N阵列，均包括M×N个微透镜，所述焦面阵均匀划分为M×N个部分，每个部分均包括一个馈源天线、一个平面肖特基混频结和一个中频共面波导传输线，每个馈源天线均位于成像衍射微透镜阵列中对应的微透镜背面的中心，其中M≥1，N≥1。成像衍射微透镜阵列与普通的单个较大尺寸的基片集成透镜天线相比，具有减小阵元之间的互耦、提高成像***的分辨率、为后面电路留下更多的空间、降低介质损耗的优点；功率分配衍射微透镜阵列的使用可以保证本征信号被较好的汇聚到每个馈源天线上。

所述馈源天线为矩形贴片天线、对数周期天线、环缝天线和双缝隙天线中的一种。

所述衍射物镜和等振幅波束变换衍射透镜均为二元衍射透镜。二元衍射透镜与传统折射透镜相比，具有厚度薄、插损小、体积小、重量轻、结构紧凑、易于复制的优点，减小整个***的体积、重量、***损耗，从而降低了成本。

所述成像衍射微透镜阵列和功率分配衍射微透镜阵列的表面均为K个台阶的浮雕表面，其中K≥1。当K＝∞时，衍射微透镜的浮雕表面就成为光滑的球形表面。成像衍射微透镜阵列和功率分配衍射微透镜阵列的表面台阶数也可以不同。K台阶的浮雕面的设计方法，与折射微透镜阵列相比，大幅度地降低了加工制作的难度和成本。

有益效果：本发明提供的太赫兹波的空间馈电传输方法有效降低了射频信号和本振信号在传输过程中的损耗，提高了成像质量；焦面阵成像结构降低其加工制作的难度和成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为二元衍射物镜的立体图；

图3为等振幅波束变换衍射透镜的立体图；

图4为成像衍射微透镜阵列的立体图；

图5为功率分配衍射微透镜阵列的立体图；

图6为焦面阵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-6所示太赫兹波的空间馈电传输方法具体实施例为：射频信号通过衍射物镜1聚焦到5×5(即M＝5，N＝5)阵列的成像衍射微透镜阵列2上，经成像衍射微透镜阵列2中的某个微透镜进一步汇聚到焦面阵的焦面上，然后被位于焦面上的对应环缝天线接收，并最终经环缝天线进入到集成在环缝天线上的平面肖特基混频结33上。

本振信号从辐射喇叭6中照射出，先经等振幅波束变换衍射透镜5变为平面波，再通过功率分配衍射微透镜阵列4均匀地分配并汇聚到焦面阵3上的每个环缝天线上，最终通过环缝天线进入到集成在环缝天线上的平面肖特基混频结33上。

射频信号和本振信号同时加入到平面肖特基混频结33中进行混频，混频后的中频信号通过共面波导传输线31输出。

实施上述太赫兹波的空间馈电传输方法的焦面阵成像结构的具体实施例为：衍射物镜1为二元衍射物镜，二元衍射物镜的后面设有5×5(即M＝5，N＝5)阵列的成像衍射微透镜阵列2，成像衍射微透镜阵列2包括二十五个微透镜，每个微透镜面均为三(即K＝3)个台阶的浮雕面，每个微透镜的径向剖面呈等腰梯形状，两腰呈阶梯状，成像衍射微透镜阵列2的背面紧贴在焦面阵3的一侧面上，焦面阵3均匀划分为二十五个部分，每个部分包括一个馈源天线32、一个平面肖特基混频结33和一个中频共面波导传输线31，每个馈源天线32均位于对应的成像衍射微透镜阵列2中微透镜背面的中心位置，其中馈源天线32为环缝天线，衍射物镜为二元衍射透镜。

5×5阵列的功率分配衍射微透镜阵列4的背面紧贴在焦面阵3的另一侧面上，其包括二十五个微透镜，每个微透镜表面均为三个台阶的浮雕面，每个微透镜的径向剖面呈等腰梯形状，两腰呈阶梯状，功率分配衍射微透镜阵列4的后面依次为等振幅波束变换衍射透镜5和本征信号辐射喇叭6，其中等振幅波束变换衍射透镜5为二元衍射透镜。

本发明焦面阵成像结构的第二个实施例除了成像衍射微透镜阵列2和功率分配衍射微透镜阵列4的阵列为2×2(即M＝2，N＝2)，其微透镜的浮雕面台阶数为二(即K＝2)，焦面阵3均匀划分为四个部分，其他的技术特征均相同，因微透镜浮雕台阶数较少以及成像衍射微透镜阵列2和功率分配衍射微透镜阵列4的阵列较少，其效果不如成像衍射微透镜阵列2和功率分配衍射微透镜阵列4为5×5阵列且微透镜为三个台阶的浮雕面的焦面阵成像结构好。

本发明焦面阵成像结构的第三个实施例除了成像衍射微透镜阵列2和功率分配衍射微透镜阵列4的阵列为7×7(即M＝7，N＝7)，其微透镜的浮雕面台阶数为四(即K＝4)，焦面阵3均匀划分为四十九个部分，其他的技术特征均相同，其效果相对于成像衍射微透镜阵列2和功率分配衍射微透镜阵列4为5×5阵列且微透镜为三个台阶的浮雕面的焦面阵成像结构稍好。

Claims (6)

1.一种太赫兹波的空间馈电传输方法，其特征在于：射频信号依次通过衍射物镜(1)和成像衍射微透镜阵列(2)汇聚到焦面阵(3)的一侧面上，并被位于焦面阵(3)上的馈源天线(32)接收，然后经馈源天线(32)进入到集成在馈源天线(32)上的平面肖特基混频结(33)上；本振信号从辐射喇叭(6)中辐射出，再从焦面阵(3)的另一侧面照射到馈源天线(32)上，最终通过馈源天线(32)进入到集成在馈源天线(32)上的平面肖特基混频结(33)上；射频信号和本振信号同时加入到平面肖特基混频结(33)中进行混频，混频后的中频信号通过共面波导传输线(31)输出；所述本振信号照射到焦面阵(3)之前，先通过等振幅波束变换衍射透镜(5)变为平面波，再通过功率分配衍射微透镜阵列(4)被均匀地分配并汇聚到焦面阵(3)上的馈源天线(32)上。

2.一种实施权利要求1所述的太赫兹波的空间馈电传输方法的焦面阵成像结构，包括焦面阵(3)和辐射喇叭(6)，其特征在于：焦面阵(3)与辐射喇叭(6)之间依次安装有功率分配衍射微透镜阵列(4)和等振幅波束变换衍射透镜(5)，焦面阵(3)背对辐射喇叭(6)的一侧依次设有成像衍射微透镜阵列(2)和衍射物镜(1)，其中成像衍射微透镜阵列(2)和功率分配衍射微透镜阵列(4)的背面分别紧贴在焦面阵(3)的两侧面上。

3.如权利要求2所述的焦面阵成像结构，其特征在于：所述成像衍射微透镜阵列(2)和功率分配衍射微透镜阵列(4)的阵列均为M×N阵列，均包括M×N个微透镜，所述焦面阵(3)均匀划分为M×N个部分，每个部分均包括一个馈源天线(32)、一个平面肖特基混频结(33)和一个中频共面波导传输线(31)，每个馈源天线(32)均位于成像衍射微透镜阵列(2)中对应的微透镜背面的中心，其中M≥1，N≥1。

4.如权利要求3所述的焦面阵成像结构，其特征在于：所述馈源天线(32)为矩形贴片天线、对数周期天线、环缝天线和双缝隙天线中的一种。

5.如权利要求2所述的焦面阵成像结构，其特征在于：所述衍射物镜(1)和等振幅波束变换衍射透镜(5)均为二元衍射透镜。

6.如权利要求2或3所述的焦面阵成像结构，其特征在于：所述成像衍射微透镜阵列(2)和功率分配衍射微透镜阵列(4)的中每个微透镜表面均为K个台阶的浮雕面，其中K≥1。

Images