CN104701629B - 一种频率扫描反射栅天线及其抑制镜像反射波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率扫描反射栅天线，包括多个反射单元，所述反射单元二维周期排列；每一反射单元包括金属栅条、顶层、底层和金属底板，所述反射单元的下面是金属底板，反射单元的上面是金属栅条；在金属栅条和金属底板之间固接有顶层和底层，金属栅条的底部与顶层的上面固接，底层固接于顶层的下面及金属底板的上面之间；顶层和底层材料是不同介电常数的多介质层，多介质层抑制镜像反射波。本发明天线能够在0.2THz附近的频段内，实现大角度范围的扫描，且具有高增益、低镜像反射副瓣的性能。本发明亦提供一种抑制镜像反射波的方法。

Description

一种频率扫描反射栅天线及其抑制镜像反射波的方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，涉及到一种基于多层介质的频率扫描反射栅天线。这种天线通过设计天线基底的多层介质结构，起到抑制直接反射波的作用，天线增益大，扫描范围宽，直接反射副瓣低，可用于太赫兹成像、目标快速检测与跟踪、太赫兹通信、无损探伤等方面。

背景技术

太赫兹波一般是指频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，是人们研究和利用最少的频段，近十几年来引起了人们的极大关注。由于所处的频段位于微波与红外频谱之间，属于宏观电子学向微观电子学过渡的范围。太赫兹波表现出不同于其他频段电磁波的特性。比如，太赫兹波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，对纤维、衣物等非极性材料有良好的穿透性；太赫兹波光子能量小，没有类似X射线的电离效应，不会对物质产生破坏作用。因此太赫兹波可以广泛的应用在遥感、国土安全、无损探测、反恐安检、医疗诊断等领域。其中应用于安全检测领域的太赫兹成像技术是各个国家都在积极开展研究的技术，将太赫兹成像***放到机场安检及重要场所的入口处，可以实现非接触的安全检测，可以透过衣服等遮挡物探测到藏匿在人身上毒品、***、***、匕首等危险违禁物品。现在已经研制出的太赫兹成像原理样机，如美国PNL实验室在2009年研制的0.345THz～0.355THz扫描三维成像***，美国JPL实验室在2011年研制的0.66THz～0.69THz调频连续波三维成像***，这些***都是利用一个或多个反射面的转动来实现二维波束扫描，成像时间长达数秒钟，这在实际应用中是极为耗时的。由于频率扫描是不同的频率对应空间中不同指向的波束，这样扫描的时间将会极大地缩短，因此利用频率扫描的方式实现波束扫描是非常有应用前景的，但是目前尚未有人实现太赫兹频段的频率扫描天线。

另一方面，F.STEFAN JOHANSSON在1990年提出了一种频率扫描反射栅天线。这种反射栅天线工作的中心频率为10GHz，在9.5GHz～10.5GHz频段内扫描角度9°，同时直接反射波远低于扫描主波束。反射栅天线的介质层由四层介质构成，介质的介电常数选择是上层大、下层小，顶层介质上是偶极子阵列。通过优化偶极子长度、低介电常数层的厚度，使入射波到衍射波的转化率最大，也就是直接反射波相对于扫描主波束最小。这样的设计方法得到的介质层总厚度大约为四分之一波长，则每层的厚度远小于波长，如果把用这种方法用到太赫兹波段，所需要的介质层厚度大约为几十个微米，这在工程上是很难实现的，所以需要找到新的设计方法，使天线易于加工。

发明内容

本发明的目的是提出一种多层介质抑制直接反射波的方法，并且设计一种太赫兹频率扫描天线，太赫兹频段频率扫描天线可以应用到太赫兹成像***中，使成像时间大大缩短。

为达到上述目的，本发明的第一方面，提供一种频率扫描反射栅天线，所采用的技术方案是包括多个反射单元，所述反射单元是二维周期排列的反射阵列；每一反射单元包括金属栅条、顶层、底层和金属底板，所述反射单元的下面是金属底板，反射单元的上面是金属栅条；在金属栅条和金属底板之间固接有顶层和底层，金属栅条的底部与顶层的上面固接，底层固接于顶层的下面及金属底板的上面之间；顶层和底层材料是不同介电常数的多介质层，多介质层抑制镜像反射波。

为达到上述目的，本发明的第二方面，提供一种抑制镜像反射波的方法所采用的技术方案包括步骤：

步骤S1：利用电磁仿真软件，对频率扫描反射栅天线的顶层介电常数进行优化，利用优化的顶层介电常数，得到透射传输波束和一次反射波束的幅度和相位；

步骤S2：构建几何光学模型和传输线模型；

步骤S3：利用几何光学模型计算在顶层内部的透射传输波束的相位变化量；

步骤S4：在顶层和底层的交界面，将透射传输波束反射成为二次反射波束；

步骤S5：利用传输线模型计算底层与顶层之间交界面的二次反射波束相对于透射传输波束的相位变化量；

步骤S6：使底层与顶层之间交界面的二次反射波束在顶层内部介质传播，获得一相位变化量，且底层与顶层之间交界面的二次反射波束被传输到空间，得到空间二次反射波束，使空间二次反射波束和一次反射波束生成镜像反射波；

步骤S7：利用设定的空间二次反射波和一次反射波束的相位差，对介电常数进行优化，得到优化后的底层介电常数和厚度；

步骤S8：利用优化后的底层介电常数和厚度，用于抑制镜像反射波。

本发明的有益效果：

其一，本发明的多层介质基板结构，采用介电常数上小下大的两层介质结构，有很好的抑制直接反射波的效果。其二，所述频率扫描反射栅天线，在0.2THz附近的频率范围内，天线增益大，扫描范围宽，具有高增益、低直接反射副瓣、扫描角度大的优点。其三，所述频率扫描反射栅天线，可以应用于太赫兹成像***、目标快速检测与跟踪、太赫兹通信、无损探伤等方面。其四，所述频率扫描反射栅天线，介质厚度不会对加工工艺提出严苛的要求，易于加工。

附图说明

图1A是本发明反射栅天线的整体俯视图；

图1B是本发明反射栅天线一个反射单元参数示意图；

图2是本发明反射栅天线一个反射单元的立体结构图；

图3是顶层介质几何光学模型的示意图；

图4是底层介质和金属底板的等效传输线模型；

图5是实验测试的天线在不同频率处的扫描方向图；

图6a至图6e是本发明实现的其他实施例。

1金属栅条， 2顶层，

3底层， 4金属底板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1A为本发明设计的一种基于多层介质的频率扫描反射栅天线的整体俯视图，在X方向、Y方向呈周期排列长度尺寸a和宽度尺寸b的反射栅天线；所述频率扫描反射栅天线包括多个反射单元Q是二维周期排列的反射阵列；所述反射单元中的每个维度的反射单元数目大于6个。

如图2示出位于XYZ坐标系中的本发明反射栅天线中的一个反射单元Q的立体结构，其中每一反射单元Q包括金属栅条1、顶层2、底层3和金属底板4，从反射单元Q的上面到下面依次为金属栅条1、低介电常数材料的顶层2、高介电常数材料的底层3、金属底板4，所述反射单元Q的底部是金属底板4，所述反射单元Q的上面是金属栅条1；在金属栅条1和金属底板4之间固接有顶层2和底层3，金属栅条1的底部与顶层2的上面固接，底层3固接于顶层2的下面及金属底板4的上面之间，顶层2和底层3材料采用不同介电常数的多介质层，多介质层抑制镜像反射波。图2中示出的t1是顶层2的厚度，t2是底层3的厚度。图1B为一个反射单元的结构图，其中D₁是反射栅天线的x方向的周期；D₂是反射栅天线的Y方向的周期；W是金属栅条1的宽度尺寸；L是金属栅条1的长度尺寸。其中，所述金属栅条1是矩形金属栅条或圆形金属栅条，所述金属栅条1的尺寸小于半个波长。

反射栅天线的周期结构可以将入射波束转化为0阶模和-1阶模，所述0阶模即为镜像反射波，所述-1阶模即为扫描衍射波束。如图3所示，由金属栅条1和顶层2组成的交界面，将入射波束生成透射传输波束E_1t和一次反射波束E_a；所述透射传输波束E_1t在顶层2的介质内部传播一距离，生成具有相位变化的透射传输波束；在底层3与顶层2之间的交界面，将具有相位变化的透射传输波束反射到顶层2，并得到底层3与顶层2之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t，底层3与顶层2之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t在顶层2内部再次传播一距离并传输到空间，得到空间二次反射波束E_b，空间二次反射波束E_b是产生一相位变化的底层与顶层之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t；所述空间二次反射波束E_b与一次反射波束E_a产生一相位差且相互抵消，抑制镜像反射波。其中，顶层2的材料的介电常数小于底层材料的介电常数的介质；所述顶层2的介质的介电常数在2～4范围内，所述底层3的介质的介电常数在3～16范围内，底层3的介质的介电常数是顶层2的介质的介电常数的1.5～6倍，实现在180GHz～220GHz的频带范围内抑制镜像反射波的效果。

具体实施方式如下7个步骤：

步骤1：据需要的扫描角度以及设定的入射角，通过光栅方程D₁(sinθ₀+sinθ_-1)＝λ，计算出金属栅条1在x方向的周期，其中D₁为反射单元在x方向的周期，θ₀是入射波束的入射角，θ_-1是扫描衍射波束的扫描角度，λ是电磁波的波长；x方向的周期选择要满足除了-1阶高次模外，不出现其他高次模式，周期D₁要满足：

和

为了抑制栅瓣，金属栅条1在y方向的周期D2选择小于一个波长；

步骤2：利用电磁仿真软件(Ansoft HFSS)对频率扫描反射栅天线的顶层介电常数进行优化，利用优化的顶层介电常数，得到透射传输波束和一次反射波束的幅度和相位；其中：在电磁仿真软件中，将顶层2的介质设定为半无限大的介质层，优化金属栅条1的长度L、宽度W和顶层2的介质的介电常数，使透射传输波束E_1t和一次反射波束E_a的幅度之比在0.8∶1～2∶1之间；得到顶层2的介电常数在2～4之间，并且仿真得到透射传输波束E_1t的相位一次反射波束E_a的相位

步骤3：构建几何光学模型和传输线模型；

如图3所示几何光学模型表示为：透射传输波束E_1t在顶层2的介质内部沿直线传播，透射传输波束E_1t倾斜角度可由折射定律求得，透射传输波束E_1t被顶层2和底层3交界面反射，得到底层与顶层之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t，且底层与顶层之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t与透射传输波束E_1t顶层2和底层3交界面的法向对称，底层与顶层之间交界面的二次反射波束Γ₂E_1t在顶层2内沿直线传播；

如图4所示传输线模型表示为：金属底板4等效成为短路线，底层3的介质等效为长度为t₂的均匀传输线，其传输线的波阻抗为Z_2，，传输线的输入端为顶层2的介质的等效波阻抗Z₁，传输线从顶层2和底层3交界面向下看的输入阻抗为Z_in，参数表示如下：

Z₁＝ωμ₀/k_z1，Z₂＝ωμ₀/k_z2

其中ω为电磁波的角频率，μ₀为磁导率、k_z1为电磁波在顶层介质内的等效波数、k_z2为电磁波在底层3的介质内的等效波数、ε_r2为底层3的介质的相对介电常数、ε_r1为顶层2的介质的介电常数、k₀为电磁波在自由空间中的波数、Z₁为顶层2的介质的波阻抗、Z₂为底层3的介质的波阻抗；

步骤4：利用几何光学模型计算在顶层内部的透射传输波束的相位变化量；

透射传输波束E_1t在顶层2的介质内部的多次反射简化为：透射传输波束E_1t在顶层2的介质内部的传播，并被顶层2与底层3交界面反射形成底层与顶层之间交界面的二次反射波，忽略之后的多次反射，因为在顶层2的介质内部的二次反射幅度比三次、四次等反射波的幅度大很多。由几何光学模型得到透射传输波束在顶层2的介质内传播引起的相位变化量记为：

t₁为顶层2的介质的厚度、θ₀是入射波束的入射角。顶层2的介质的厚度为介质波长的四分之一，上下浮动不超过20％，使得在顶层2的介质内部传播所引起的相位变化在130°～200°之间。

步骤5：顶层2和底层3的交界面，将透射传输波束E_1t反射成为二次反射波Γ₂E_1t，其中Γ₂为底层3对透射传输波束的反射系数；

步骤6：利用传输线模型计算底层与顶层之间交界面的二次反射波相对于透射传输波束的相位变化量；从顶层2向下看的输入阻抗Z_in由传输线公式表示：

其中金属底板4的阻抗Z_l＝0，t₂为底层3的介质的厚度；由此传输线公式得到Z_in＝iZ₂tank_z2t₂，i为虚数；

底层3对透射传输波束的反射系数Γ₂表示为：

并且底层与顶层之间交界面的二次反射波相对于透射传输波束的相位变化量为反射系数的相位

步骤7：使底层与顶层之间交界面的二次反射波在顶层内部介质传播，获得一相位变化量，且底层与顶层之间交界面的二次反射波被传输到空间，得到空间二次反射波，使空间二次反射波和一次反射波束生成镜像反射波；其中：二次反射波在顶层2内部介质传播，由几何光学模型获得二次反射波Γ₂E_1t的相位变化量表示为：

底层与顶层之间交界面的二次反射波通过顶层2和金属栅条1传输到空间，并且忽略了底层与顶层之间交界面的二次反射波在顶层2和金属栅条1交界面上的相位变化，得到空间二次反射波E_b，并空间二次反射波和一次反射波束生成镜像反射波；此时在镜像反射波束的波前平面上，空间二次反射波E_b所具有的相位为与此同时一次反射波E_a在空间中传播一距离到达等相位平面，传播过程中发生的相位变化量为一次反射波E_a所具有的相位为其中

步骤8：利用设定的空间二次反射波和一次反射波束的相位差，对介电常数进行优化，得到优化后的底层介电常数和厚度；选择的底层3的不同介电常数的介质并优化，令空间二次反射波和一次反射波束的相位差在160°～200°之间，得到优化后不同底层3的介质的厚度，并且由多组介电常数和厚度，计算得到一次反射波和空间二次反射波相位差为160°～200°的频率范围，比较得到最大的频率范围所对应的介电常数和厚度，此时底层3的介质的介电常数在3～16范围内，厚度为介质波长的二分之一，上下变化不超过20％。

步骤9：利用优化后的底层3的介电常数和厚度，用于抑制镜像反射波。

作为一设计实例，我们设计了一种基于多层介质结构的太赫兹频率扫描反射栅天线。如图1A，反射栅天线的长度尺寸a为50mm，反射栅天线的宽度尺寸b为40mm，x方向有36个单元，y方向有39个单元。如图1B，金属栅条1的厚度W为0.075mm，金属栅条1的L为0.52mm。我们选择平面波或高斯波束在XOZ平面45°斜入射，由光栅方程以及步骤1)可以得到反射栅天线的x方向的周期D1为1.25mm，选择反射栅天线的Y方向的周期D2为0.9mm。

其中，顶层2的介质采用板材型号为Rogers RT/duroid 5880的高频层压板材料；

其中，选择顶层2的介质厚度为0.254mm；

其中，选择底层3的介质的介电常数分别为3、6、9、12，计算得到每个介电常数对应的厚度，然后计算每组介电常数和厚度所产生的相位差得到此相位差为160°～200°的频率范围，选择频率范围最大的那一组介电常数和厚度，从而得到底层3的介质为介电常数为12的硅材料，底层3的介质厚度为0.22mm。

图5示出实验测试的天线在不同频率处在扫描平面(XOZ平面)的归一化方向图；经仿真和测试，在0.18THz～0.22THz频率范围内，波束扫描角为13.55°，扫描主波束的增益高达38dB，直接反射副瓣比主瓣低至少9dB，超过89％的能量集中到扫描主瓣上去，可以应用于太赫兹成像***。

以上是对本发明的频率扫描天线的一个实例的描述。在其他实例中，所述频率扫描天线并不限于本实例所描述的内容。

在上述实例中，频率扫描天线两个维度包含的反射单元个数为36和39。在其他实例中，频率扫描天线的单元个数根据具体情况而定。

所述频率扫描天线两个维度的周期，即反射单元的尺寸，并不限于本实例所述的尺寸，在其他实例中，所述反射单元的长与宽，与入射波角度、所需要的频率扫描范围及工作频率有关，通过所述光栅方程得到。

所述多层介质结构的介质材料选择，不限于本实例中的Rogers RT/duroid 5880的高频层压板材料和硅，在其他实例中，可以根据本发明所述的技术方案进行调整。

所述多层介质结构的介质层数，不限于本实例中的两层，在其他实例中，可以根据需要增加层数。

图6a至图6e示出了本发明可以实现的多层介质结构部分实施例：图6a是由顶层2、中间层、底层3组成的多层介质结构；或图6b示出由顶层2、第一中间层、第二中间层、底层3组成的多层介质结构；或图6c示出由顶层2、第一中间层、第N中间层、底层3等组成可扩展的多层介质结构；或图6d示出由顶层2、底层3、顶层2交叉排列的多层介质结构；或图6e示出由多个顶层2、多个底层3交叉排列的多层介质结构等等。其中顶层2、底层3分别用一种材料，材料按照本发明的方法选取，中间层、第一中间层、第二中间层所用材料与顶层2、底层3所用材料不同，可以参考底层3的方法选取。

在对本发明的频率扫描天线经过多次试验可以证明，本发明的频率扫描天线可以实现增益大，扫描范围宽，直接反射副瓣低的目的。尤其是在太赫兹波段，其他频率扫描天线的设计方法很难实现在太赫兹波段的频率扫描，而本发明所述的设计方法能够实现太赫兹波段的频率扫描。

最后应当说明的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明所述技术方案不仅仅适用于太赫兹波段，在其他波段也适用，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种频率扫描反射栅天线，其特征在于，包括多个反射单元，所述反射单元是二维周期排列的反射阵列；每一反射单元包括金属栅条、顶层、底层和金属底板，所述反射单元的下面是金属底板，反射单元的上面是金属栅条；在金属栅条和金属底板之间固接有顶层和底层，金属栅条的底部与顶层的上面固接，底层固接于顶层的下面及金属底板的上面之间；顶层和底层的材料是不同介电常数的多介质层，其中，顶层介质的介电常数小于底层介质的介电常数；多介质层抑制镜像反射波。

2.根据权利要求1所述的频率扫描反射栅天线，其特征在于，由金属栅条和顶层组成的交界面，用于将入射波束生成透射传输波束和一次反射波束；所述透射传输波束在顶层的介质内部传播一距离，生成具有相位变化的透射传输波束；在底层与顶层之间的交界面，将具有相位变化的透射传输波束反射到顶层，并得到底层与顶层之间交界面的二次反射波束，底层与顶层之间交界面的二次反射波束在顶层内部再次传播一距离并传输到空间，得到空间二次反射波束，使空间二次反射波束和一次反射波束产生一相位差且相互抵消，抑制镜像反射波。

3.根据权利要求1所述的频率扫描反射栅天线，其特征在于，所述反射单元中的每个维度的反射单元数目大于6个。

4.根据权利要求1所述的频率扫描反射栅天线，其特征在于，所述顶层介质的介电常数在2～4范围内，所述底层介质的介电常数在3～16范围内，底层介质的介电常数是顶层介质的介电常数的1.5～6倍。

5.根据权利要求1所述的频率扫描反射栅天线，其特征在于，顶层的厚度为介质波长的四分之一，上下浮动不超过20％；底层的厚度为介质波长的二分之一，上下浮动不超过20％。

6.根据权利要求1所述的频率扫描反射栅天线，其特征在于，所述金属栅条是矩形金属栅条或圆形金属栅条，所述金属栅条的尺寸小于半个波长。

7.一种抑制镜像反射波的方法，其特征在于，所述抑制镜像反射波的步骤包括：

步骤S1：利用电磁仿真软件，对频率扫描反射栅天线的顶层介电常数进行优化，利用优化的顶层介电常数，得到透射传输波束和一次反射波束的幅度和相位；

步骤S2：构建几何光学模型和传输线模型；

步骤S3：利用几何光学模型计算在顶层内部的透射传输波束的相位变化量；

步骤S4：在顶层和底层的交界面，将透射传输波束反射成为二次反射波束；

步骤S5：利用传输线模型计算底层与顶层之间交界面的二次反射波束相对于透射传输波束的相位变化量；

步骤S6：使底层与顶层之间交界面的二次反射波束在顶层内部介质传播，获得一相位变化量，且底层与顶层之间交界面的二次反射波束被传输到空间，得到空间二次反射波束，使空间二次反射波束和一次反射波束生成镜像反射波；

步骤S7：利用设定的空间二次反射波和一次反射波束的相位差，对介电常数进行优化，得到优化后的底层介电常数和厚度；

步骤S8：利用优化后的底层介电常数和厚度，用于抑制镜像反射波。

8.根据权利要求7所述的抑制镜像反射波的方法，其特征在于，所述空间二次反射波与一次反射波的相位差在160°～200°之间。

9.根据权利要求7所述的抑制镜像反射波的方法，其特征在于，顶层介质的介电常数小于底层介质的介电常数；所述顶层介质的介电常数在2～4范围内，所述底层介质的介电常数在3～16范围内，底层介电常数为顶层介电常数的1.5～6倍，实现在180GHz～220GHz的频带范围内抑制镜像反射波的效果。

10.根据权利要求7所述的抑制镜像反射波的方法，其特征在于，顶层的厚度为介质波长的四分之一，上下浮动不超过20％；底层的厚度为介质波长的二分之一，上下浮动不超过20％。