CN108123229B - 高阶模频控波束扫描反射器件及太赫兹成像*** - Google Patents

高阶模频控波束扫描反射器件及太赫兹成像*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高阶模频控波束扫描反射器件，包括呈二维周期排列的多个反射单元，所述反射单元包含多个子反射单元，介质基板和金属地板，所述介质基板的底面固接金属地板，顶面分布多个子反射单元。入射波入射到反射单元，激励随频率变化的高阶衍射波。此外，本发明还公开了一种太赫兹成像***，包括所述高阶模频控波束扫描反射器件。本发明能抑制镜像反射波，增强衍射波束，并扩大了波束扫描角范围，具有高增益、宽角谱和低镜像反射副瓣的性能。

Description

高阶模频控波束扫描反射器件及太赫兹成像***
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种高阶模频控波束扫描反射器件，还涉及一种太赫兹成像***。
背景技术
太赫兹波一般是指频率在0.1THz～10THz(波长在3mm-30μm)之间的电磁波，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，具有宽频带、穿透性、高分辨、指纹谱的特性。
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。为缩短成像时间，需要采用电控波束扫描方式，而不是机械扫描方式。
常用的电控波束扫描有相控阵扫描以及频控波束扫描。传统的移相器在太赫兹频段很难实现，通常采用频控波束扫描方式。频控波束扫描是不同的频率对应空间中不同指向的波束，通常采用漏波体制，但是由于需要金属波导，尺寸相对较大；另外一种就是基于二维周期结构的频控波束扫描器件，平面波入射激励出不同模式的衍射波作为扫描波束，这样扫描的时间将会极大地缩短，因此利用二维周期结构实现波束扫描是非常有应用前景的。
本发明采用二维周期结构，传播的电磁波是空间谐波叠加的产物。目前，该结构实现频率扫描多见于一阶模的反射栅频控波束扫描器件，由于相同带宽高阶模的扫描范围要比低阶模大，如何设计高阶模反射栅频控波束扫描器件，并且有效的降低镜像反射波就变成值得研究的一个问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种高阶模频控波束扫描反射器件和太赫兹成像***，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种高阶模频控波束扫描反射器件，包括呈二维周期排列的多个反射单元，所述反射单元包含多个子反射单元，所述周期表示为p，与高阶模波束的高次模式m、照射到反射单元的入射波波长λ及入射角θi之间满足如下关系：
Figure GDA0002483973650000021
其中m为小于-1的整数。
优选地，所述反射单元还包括介质基板和金属地板，所述介质基板的底面固接金属地板，顶面分布所述子反射单元。
优选地，在反射单元的二维平面中，与周期方向垂直的长度q≤1/2λ。
优选地，所述入射波可以为高斯波束或平面波。
优选地，第n个和第n+1个子反射单元的间距dn、第n个子反射单元的衍射相位为φn，满足如下关系：
(φn+1-φn-2jπ)p＝2πdn，其中j为整数，n为正整数。
优选地，所述多个子反射单元可以为两个子反射单元。
优选地，所述高阶模波束可以为二阶模波束。
本发明还提供了一种太赫兹成像***，包括上述方案中的高阶模频控波束扫描反射器件。
(三)有益效果
1、本发明采用二维周期排列结构，由入射波激励出高阶模扫描波束，实现了不同模式波束作为扫描波束的可能性。
2、本发明通过调整入射角，改变频率，抑制反射波，增强高阶衍射波，同时扩大波束扫描范围，实现了宽角谱，缩短了扫描时间。
3、本发明可以应用于太赫兹领域，还可以扩展到其他频段。
附图说明
图1是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的示意图；
图2是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的一个反射单元结构示意图；
图3是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的一个反射单元的平面图；
图4是本发明的一个实施例的高阶模频控波束扫描反射器件扫描光路示意图；
图5是本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的衍射角实测结果图；
图6是本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的二阶模扫描方向图；
图7是本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的辐射方向图；
图8是本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的镜像波束抑制效果图；
图9是本发明一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的二阶模扫描波束的转换效率图。
具体实施方式
目前，采用二维周期结构实现频率扫描多见于一阶模的反射栅频控波束扫描器件，由于相同带宽高阶模的扫描范围要比低阶模大，如何设计高阶模反射栅频控波束扫描器件，并且有效的降低镜像反射波就变成值得研究的一个问题。
本发明提供了一种高阶模频控波束扫描反射器件，将入射波即平面波或高斯波束入射到所述器件上，在频率控制下激励出不同模式的高阶衍射波，高阶模波束与入射波在法线的同侧。所述高阶模频控波束扫描反射器件包括呈二维周期排列的多个反射单元，所述反射单元包含多个子反射单元，所述周期表示为p，与高阶模波束的高次模式m、照射到反射单元的入射波波长λ及入射角θi之间满足如下关系：
Figure GDA0002483973650000041
其中m为小于-1的整数。
所述反射单元还包括介质基板和金属地板，所述介质基板的底面固接金属地板，顶面分布所述子反射单元。
在反射单元的二维平面中，与周期方向垂直的长度q≤1/2λ，从而抑制栅瓣。
第n个和第n+1个子反射单元的间距dn、第n个子反射单元的衍射相位为φn，满足如下关系：
(φn+1-φn-2jπ)p＝2πdn，其中j为整数，n为正整数。
具体地，所述多个子反射单元可以为两个子反射单元。
具体地，所述高阶模波束可以为二阶模波束。
另外，本发明还提供了一种太赫兹成像***，包括上述方案中的高阶模频控波束扫描反射器件，所述器件基于二维周期结构，采用频控波束扫描方式，将入射光分离出不同模式的高阶模光束，实现宽角谱扫描，有效降低镜像反射波，实现太赫兹成像的高效、方便的应用。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
二维周期结构传播的电磁波是空间谐波叠加而成的，不同空间谐波分为快波和慢波，只有快波才可以辐射出去，快波的横向传播常数满足
Figure GDA0002483973650000042
其中θi是入射角，k0是波数，p是周期长度，m是波模式。因此m小于等于0时的模式一定是快波可以辐射出去，正数阶模式的波很难辐射，故本例中高阶模式指的是负数高阶模式。
为达到波束扫描的目的，通过光栅方程计算出多个反射单元在x方向的周期，本发明的实施例选择的周期要满足除了-2阶高次模(二阶模)外，不出现其他更高次模式；为了抑制栅瓣，多个反射单元在y方向的长度选择小于半个波长，在上述实例中，选用的高阶模式不仅限于二阶模，可以根据需要选用任何模式，分析方法具有共通性。
具体的为，选择平面波或高斯波束在xoz平面55°斜入射，由光栅方程可以得到反射栅x方向的周期p为2.25mm，选择y方向长度q为0.8mm。
已知入射波入射角θi，高阶模衍射波出射角θ，自由空间中的波数k，由光栅方程kp(sinθi+sinθ)＝2nπ，可得反射单元周期p满足：
Figure GDA0002483973650000051
所述子反射单元1、2的不同尺寸对应着二阶模衍射波的不同衍射相位
Figure GDA0002483973650000052
衍射相位由仿真软件HFSS计算S11参数求得。相邻子反射单元1、2之间的距离d1与其子反射单元二阶模衍射波的衍射相位之间的关系为：
Figure GDA0002483973650000053
其中p为周期长度。根据光栅方程，相邻子反射单元的衍射扫描波束在衍射方向同相叠加，衍射波模式得到加强。在上述实例中，所述反射单元A包含子反射单元的数目，不限于本实例中的2个，在其他实例中，可以根据需要调整，但要满足相邻子反射单元距离与衍射波模式的反射相位差的关系。
图1是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的示意图，如图1所示，所述器件包括多个反射单元A，所述反射单元A呈二维周期排列；所述多个反射单元A分布在同一平面内，入射波照射到多个反射单元A上，周期性排列的多个反射单元A将入射波生成镜像反射波、一阶模波束和波束指向随频率变化的二阶模衍射波。所述器件长为50mm，宽为50mm，x方向有20个单元，y方向有50个单元。
图2是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的一个反射单元结构示意图，如图2所示，每个反射单元A包括2个子反射单元1、2，介质基板3和金属地板4，在介质基板3的一侧面固接金属地板4，在介质基板3的另一侧面固接2个子反射单元1、2，每个子反射单元与相邻的子反射单元之间具有一定距离，所述多个子反射单元1、2组成平面二元结构，所述子反射单元的形状可以为“工”字形、“H”字形或者其他形状的金属片，只要满足在较宽频带内衍射波模式的反射相位差恒定的条件即可，所述子反射单元1、2的尺寸为：子反射单元的宽度w＝0.28mm，子反射单元的长度L1＝0.4mm，L2＝0.3mm，相邻子反射单元之间的距离d＝1mm；所述介质基板3采用Rogers5880高频板，厚度0.254mm，所述介质基板3的介电常数、厚度不限于本实例所给的具体参数，在其他实例中，所述介质基板3可以选择其他材料，也可以选择多层介质基板。
图3是本发明实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的一个反射单元的平面图，所述反射单元的周期p为2.25mm，反射单元在二维排列平面与周期方向垂直的y方向的长度q为0.8mm，所述反射单元A并不限于本实例所述的尺寸，在其他实例中，所述反射单元A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。
图4是本发明的一个实施例的高阶模频控波束扫描反射器件的光路示意图，如图4所示，入射波为平面波或高斯波束，照射到反射单元表面，激励起二阶模衍射波束与其他低阶模波束，包括零阶模波束即直接反射波，高阶模衍射波束指向会随着频率的变化而变化，而且高阶模衍射波出射方向与入射波方向在法线同侧。
本发明的一个实施例，具体工作频率为180GHz-220GHz，即在0.18THz～0.22THz的频率范围内扫描，天线两个维度包含20×50个单元。在其他实例中，天线单元数目根据具体情况而定，不限于本实例的数目，所述频率扫描天线并不限于该实例所描述的内容，所述工作频率可扩展到其他频段。图5为本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的二阶模衍射角实测结果图，如图5所示，在180GHz-220GHz的频率范围内，仿真、理论和测量得到的二阶模波束扫描角度很吻合，范围为-23.14°～-41.48°，因此二阶模扫描角范围为18.34°。
图6是本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的实测二阶模扫描方向图，如图6所示，可以看出当频率从180GHz变化到220GHz时，天线实现了-23.14°～-41.48°的角度扫描。
图7为高阶模频控波束扫描反射器件的辐射方向图，从左到右代表着二阶模衍射方向图，一阶模衍射方向图以及直接反射波方向图。可以看出二阶模衍射波实现了-23.14°～-41.48°的角度扫描，一阶模衍射波集中在4.6°～12.4°范围内，两种模式的波隔开了一个很大的角度，这方便利用二阶模衍射波作为扫描波束应用在太赫兹成像***中。
图8为本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的实测镜像波束抑制效果图，图8给出了180GHz-220GHz的二阶模作为扫描波束，实测衍射波对镜像反射波的抑制效果，可以看出二阶模衍射波要高出镜像反射波10dB以上,说明衍射波增强方法具有实用性。
图9为本发明的一个实施例的180GHz-220GHz高阶模频控波束扫描反射器件的二阶模扫描波束转换效率图，可以看出反射器件将入射波转换到二阶模扫描波束的效率最高高达92％，平均转换效率即转换效率平均值高达88.46％，完全满足实际需求。
在对本发明的二阶模反射频控波束扫描器件经过多次试验可以证明，本发明的二阶模反射型频控波束扫描器件可以实现增益大，扫描范围宽，直接反射副瓣低的目的。
此外，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种太赫兹成像***，包括上述方案中的高阶模频控波束扫描反射器件，所述器件基于二维周期结构，采用频控波束扫描方式，将入射光分离出不同模式的高阶模光束，实现宽角谱扫描，有效降低镜像反射波，实现太赫兹成像的高效、方便的应用。太赫兹成像***所利用的光子能量低，对生物组织不会产生光损伤及光致电离效应，本发明实施例的***可以是生物医学和无损探测领域的成像***；而且太赫兹波能够穿透衣物、塑料等非极性材料，本发明实施例的***还可以是安检成像***；另外，太赫兹波段的波长短，探测分辨率高，本发明实施例的***可以是航天和空间遥感领域的成像***。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高阶模频控波束扫描反射器件，包括呈二维周期排列的多个反射单元，所述反射单元包含多个子反射单元，其特征在于，
所述周期表示为p，与高阶模波束的高次模式m、入射到反射单元的入射波波长λ及入射角θi之间满足如下关系：
Figure FDA0002530352430000011
其中m为小于-1的整数；
所述反射单元的形状只要满足在较宽频带内衍射波模式的反射相位差恒定的条件即可；
所述反射单元还包括介质基板和金属地板，所述介质基板的底面固接金属地板，顶面分布所述子反射单元。
2.根据权利要求1所述的高阶模频控波束扫描反射器件，其特征在于，在反射单元的二维平面中，与周期方向垂直的长度q≤1/2λ。
3.根据权利要求1所述的高阶模频控波束扫描反射器件，其特征在于，所述入射波为高斯波束或平面波。
4.根据权利要求1所述的高阶模频控波束扫描反射器件，其特征在于，第n个和第n+1个子反射单元的间距dn、第n个子反射单元的衍射相位为φn，满足如下关系：
(φn+1-φn-2jπ)p＝2πdn，其中j为整数，n为正整数。
5.根据权利要求1所述的高阶模频控波束扫描反射器件，其特征在于，所述多个子反射单元为两个子反射单元。
6.根据权利要求1所述的高阶模频控波束扫描反射器件，其特征在于，所述高阶模波束为二阶模波束。
7.一种太赫兹成像***，其特征在于，包括权利要求1-6任一所述的高阶模频控波束扫描反射器件。
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