CN114465019A - 收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线 - Google Patents

收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线，包括主反射面、副反射面、发射馈源及接收阵元馈源阵列；主反射面的对称轴经过处设有第一开口，主反射面和副反射面共轴，主反射面的焦点与副反射面的一个焦点重合，接收阵元馈源阵列位于主反射面的另一侧，接收阵元馈源阵列与第一开口之间相距第一距离。本发明卡塞格伦天线具有收发一体的性能，即同一天线既能实现信号的发送又能实现信号的接收，结构紧凑，容易小型化制造，由于具有负的馈源前伸量，能够改善馈源偏焦时产生的增益下降和波束变宽的问题，能获得高增益和窄主瓣宽度，有利于实现高精度实孔径成像等任务。本发明广泛应用于天线，主动太赫兹成像技术领域。

Description

收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是一种收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线。
背景技术
卡塞格伦天线又称卡式天线，是一种双反射面天线，其可以等效成具有长焦距的抛物面天线，同时又将抛物面天线的前馈方式改为后馈方式，并且卡塞格伦天线发射信号受到的空间衰耗比抛物面天线小，因此相比抛物面天线能达到更高的效率。卡塞格伦天线的结构紧凑，制作起来比较方便。卡塞格伦天线可以应用在微波、太赫兹波(频率在0.1-10THz范围内，波长介于0.03-3mm之间的电磁波)通信、成像、探测等领域。
太赫兹波具有波长短、波束窄、穿透性好的特点，容易完成高分辨率成像、微小目标探测和复杂环境下的目标探测等任务，而其要求天线具有较高的增益。现有的卡塞格伦天线应用单探测器馈源时，尚且容易获得满意的效果，但是应用于实孔径成像等过程时，往往需要使用多探测器组成的接收阵元馈源阵列，对于现有的卡塞格伦天线而言，高增益、紧凑尺寸、窄主瓣几乎是相互矛盾的，例如，当追求高增益时，往往只能获得较窄的主瓣，难以覆盖多探测器组成的接收阵元馈源阵列。
发明内容
针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线，包括：
主反射面；所述主反射面的表面形状为旋转抛物面；所述主反射面的对称轴经过处设有第一开口；
副反射面；所述副反射面面向所述主反射面的一侧的表面形状为旋转双曲面，所述副反射面的另一侧的表面形状为旋转抛物面；
所述主反射面和所述副反射面共轴，所述副反射面位于所述主反射面的焦点所在一侧，所述主反射面的焦点与所述副反射面的一个焦点重合；
发射馈源；所述发射馈源位于所述副反射面的旋转抛物面的焦点处；
接收阵元馈源阵列；所述接收阵元馈源阵列位于所述主反射面的另一侧，所述接收阵元馈源阵列与所述第一开口之间相距第一距离，所述接收阵元馈源阵列可通过所述第一开口接收所述副反射面反射的信号。
进一步地，所述卡塞格伦天线还包括：
支撑结构；所述支撑结构用于连接所述主反射面和所述副反射面，使所述主反射面和所述副反射面之间的相对位置固定。
进一步地，所述支撑结构为多根支杆，所述支杆的一端连接所述主反射面的边缘，所述支杆的另一端连接所述副反射面的边缘。
进一步地，所述副反射面的放大率为1-10。
进一步地，所述副反射面的表面形状对应的曲面方程为
Figure BDA0003460098360000021
进一步地，所述卡塞格伦天线还包括：
调整结构；所述调整结构用于连接所述主反射面和所述接收阵元馈源阵列，使所述接收阵元馈源阵列与所述第一开口之间相距第一距离。
进一步地，所述调整结构为垫片；所述垫片的厚度为所述第一距离；所述垫片可充放气，当所述垫片充气，所述垫片的厚度增大，当所述垫片放气，所述垫片的厚度减小。
进一步地，所述调整结构为伸缩杆，所述伸缩杆的长度为所述第一距离；所述伸缩杆的长度可调。
本发明的有益效果是：实施例中的卡塞格伦天线具有收发一体的性能，即同一天线既能实现信号的发送又能实现信号的接收，结构紧凑，容易小型化制造；实施例中的卡塞格伦天线具有负的馈源前伸量，能够改善馈源偏焦时产生的增益下降和波束变宽的问题，从而在应用接收阵元馈源阵列时仍能获得令人满意的高增益和窄主瓣宽度，有利于实现高精度实孔径成像等任务；同时，副反射面另一侧同时作为发射天线，收发天线具有相同的旋转对称轴，降低了后期成像算法的设计难度。
附图说明
图1为实施例中卡塞格伦天线的结构图；
图2为实施例中主反射面和副反射面的结构图；
图3为实施例中单个太赫兹探测器馈源的方向图；
图4为实施例中接收阵元馈源阵列、主反射面和副反射面之间的相对位置示意图；
图5为实施例中卡塞格伦天线的结构图；
图6为实施例中在馈源偏馈情况下对副反射面放大率进行仿真扫参所得到的天线方向图；
图7和图8为实施例中弹跳射线法对卡塞格伦天线仿真所得到的天线方向图。
具体实施方式
本实施例中，卡塞格伦天线的结构如图1所示，包括主反射面、副反射面、发射馈源、接收阵元馈源阵列、支撑结构，其中支撑结构包括多根支杆，各根支杆的一端连接主反射面的边缘，另一端连接副反射面的边缘，使得主反射面与副反射面之间的相对位置固定。
发射馈源位于副反射面的背向主反射面的一侧，即位于副反射面的旋转抛物面一侧，具体地，发射馈源位于副反射面的旋转抛物面的焦点处。参照图1，可以在主反射面上安装发射波导法兰，发射波导法兰与发射馈源之间通过发射波导连接。发射波导法兰、发射波导、发射馈源以及副反射面的旋转抛物面一侧组成了本天线中的信号发射结构。
接收阵元馈源阵列、主反射面以及副反射面的旋转双曲面面一侧组成了本天线中的信号接收结构。
通过设置信号发射结构和信号接收结构，实现了收发一体的卡塞格伦天线，其结构紧凑，容易小型化制造。
参照图2，主反射面的表面形状为旋转抛物面，副反射面面向主反射面的一侧的表面形状为旋转双曲面，副反射面另一侧的表面形状为旋转抛物面，主反射面和副反射面共轴，即主反射面的旋转轴和副反射面的旋转轴在同一直线，副反射面位于主反射面的焦点所在一侧，主反射面的焦点与副反射面的一个焦点重合。
主反射面和副反射面分别为抛物线和双曲线绕轴F1F2旋转而成，抛物面与双曲面有一个共同的焦点F1，馈源位于双曲面的另一个焦点F2处。由双曲面和抛物面的性质可知，从馈源F2发出的射线经双曲线和抛物面反射后，到达抛物面口径处是同相的，且反射线都与轴线平行，成为平面波。
在进行卡塞格伦天线的设计与分析时，将双反射面等效为一个以实焦点F2为焦点的单一抛物面，抛物面的等效焦距f由原卡塞格伦天线的主反射面焦距fm和副反射面放大率M决定：
f＝Mfm
主反射抛物面的几何设计参数为：主面口径dm，主面焦距fm和主面半张角θm1，确定两个参数即可确定主反射面的几何尺寸，主面几何参数之间的关系为：
Figure BDA0003460098360000031
首先根据实际需求可以确定主反射面口径dm和主反射面的焦径比fm/dm，通常主面焦径比fm/dm取值0.3～0.5，根据公式可以得到主面焦距fm和主面半张角θm1。
副反射双曲面的几何设计参数为副反射面口径ds，副反射面焦距fs，放大率M和半张角θm2，任意确定其中两个参数可以唯一确定副面的几何尺寸，副反射面几何参数之间的关系为：
Figure BDA0003460098360000041
Figure BDA0003460098360000042
副反射双曲面的几何设计参数为副反射面口径ds，副反射面焦距fs，放大率M和半张角θm2，任意确定其中两个参数可以唯一确定副面的几何尺寸。
考虑到副反射面的绕射效应、天线的噪声温度以及口径遮挡效应，一般令副反射面口径ds在(0.1-0.2)dm之间，即20mm～40mm。副反射面顶点处的曲率过大会造成较大的交叉极化分量，通常令副反射面放大率M＝3.5-15。根据实际需求确定副反射面口径ds和放大率M后，通过上式可以计算得到副反射面焦距fs和半张角θm2。
主面口径越大，天线的增益越高，波束宽度越小。根据实施方案，太赫兹天线的口径为200mm。主面口径200mm时，天线增益G和主瓣3dB波束宽度HPBW为：
Figure BDA0003460098360000043
Figure BDA0003460098360000044
其中，eA为天线口面利用效率，一般eA取值0.5～0.75，则天线增益G为54dBi～55.8dBi；K0.5取值为65°～70°，主瓣3dB波束宽度HPBW为0.28°～0.31°。
主面焦距由主反射面焦径比fm/dm确定，天线的焦径比小，天线轴向尺寸小，馈源对副反射面的阻挡小；焦径比大，抛物面深度小，交叉极化分量小，也有利于提高馈源在偏焦时的工作性能。使用经验值fm/dm＝0.4，即fm＝80mm，则主面半张角θm1＝2arctan(dm/4fm)＝64°。
副反射面参数设计需要考虑到副面的口径遮挡效应。为使卡塞格伦天线的副反射面接收到尽量多的电磁照射并且口径遮挡尽量小，一般令副反射面张角2θm2等于馈源的-10dB波束宽度。根据目前的单个太赫兹探测器馈源的方向图(归一化响应曲线)如图3所示。
本实施例中，接收阵元馈源阵列可以是16×16或N×N的探测器接收阵元馈源阵列，即256个或N2个探测器馈源在平面上形成16×16或N×N的均匀排布，并且探测器接收阵元馈源阵列与主反射面和副反射面的旋转轴垂直。通过使用接收阵元馈源阵列，可以实现高精度孔径成像、焦平面成像等功能。探测器馈源为采用扩散焊的工艺制作的波导馈源。
由图2可知，探测器单元的-10dB波束宽度为18°。若卡塞格伦天线馈源为单探测器馈源，按照设计原则，应令副面张角2θm2＝18°。但是，当使用16×16或者其他尺寸的的探测器接收阵元馈源阵列时，距离主反射面和副反射面的旋转轴较远的探测器馈源将出现偏焦的情况。
参照图4，当馈源不在反射面轴心线上时(馈源横向偏焦)，馈源射入副反射面的边缘照射电平相比于正馈情况发生改变，应令副反射面张角2θm2>18°，使得馈源横向偏焦时，副反射面能够接收并反射偏焦馈源的大部分辐射电磁波。然而当副反射面张角变大时，副反射面尺寸变大，副反射面遮挡变大，会使天线增益降低，主瓣展宽。
为了应对天线增益降低、主瓣展宽的情况，本实施例中，参照图5，使用载片来承载接收阵元馈源阵列，参照图5和图4，使用垫片垫在接收阵元馈源阵列与主反射面之间，载片与垫片叠合，当垫片的厚度为第一距离时，接收阵元馈源阵列与主反射面的第一开口之间相距第一距离，垫片上设有第二开口，接收阵元馈源阵列可通过第一开口和第二开口向副反射面发射信号。在一些技术中，将馈源与主反射面中心的距离称为馈源前伸量，并且现有技术中馈源位于旋转抛物面形的主反射面的焦点所在一侧，使用正数来表示馈源前伸量。本实施例中，馈源位于主反射面的焦点所在一侧的另一侧，那么相应地，本实施例中的馈源前伸量为负数。通过使用负的馈源前伸量，可以使得在使用接收阵元馈源阵列时，卡塞格伦天线仍能获得高的天线增益和窄的主瓣。
本实施例中，可以在卡塞格伦天线的主反射面和接收阵元馈源阵列之间设置调整结构，使得主反射面和接收阵元馈源阵列由调整结构连接在一起，并且接收阵元馈源阵列与第一开口之间相距第一距离。
本实施例中，可以使用橡胶等材质的垫片作为调整结构，并且将垫片加工成可以充放气的结构。垫片的厚度为第一距离，这样，当垫片垫在主反射面和接收阵元馈源阵列之间，可以使接收阵元馈源阵列与第一开口之间相距第一距离。当垫片充气，垫片的厚度增大，当垫片放气，垫片的厚度减小。即可以通过对垫片充放气来改变第一距离的大小，从而调整天线增益和主瓣的宽度，容易在现场安装或者后期维护等场合中获得合适的值。
也可以使用伸缩杆作为调整结构。伸缩杆的长度为第一距离，当伸缩杆一端与主反射面连接，另一端与接收阵元馈源阵列连接，可以使接收阵元馈源阵列与第一开口之间相距第一距离。伸缩杆的长度可调，当伸缩杆伸长，第一距离增大，当伸缩杆缩短，第一距离减小。即可以通过对伸缩杆的伸缩来改变第一距离的大小，从而调整天线增益和主瓣的宽度，容易在现场安装或者后期维护等场合中获得合适的值。
当馈源偏焦时，天线增益会降低。为使馈源偏移量最大时保证天线增益，同时保证馈源前伸量满足项目需求，对副反射面尺寸进行计算优化，在设计中对副反射面放大率M进行扫参，分别取M＝4、5、6、7、8，在馈源偏馈情况下，对天线的方向图进行仿真计算，分别得到天线方向图如图6所示。
参照图6，其中的实线表示M＝6时的偏馈方向图，此时偏馈方向图属于M＝4、5、6、7、8中的最优解，即副反射面的放大率为6时能够获得较高的增益和较窄的波束。根据图6所示的分析结果，得到了一组副反射面尺寸参数，副反射面的表面形状对应的曲面方程为
Figure BDA0003460098360000061
其中x∈(-ds/2,ds/2)，本实施例中，副反射面口径ds＝38mm，副反射面放大率M＝6，离心率e＝1.4，半张角θm2＝12.7°，馈源前伸量为-12.35mm，即第一距离为12.35mm，能够获得较高的增益和较窄的波束。
对本实施例中的卡塞格伦天线进行仿真实验。由于天线的工作频率较高(340GHz)，波长仅为0.88mm，天线主面的电长度达到227λ，其中λ为天线的工作波长，传统的全波仿真算法所需计算硬件资源大，计算时间较长，难于进行天线的优化设计。可以采用CST内置的改进物理光学方法(PO)-弹跳射线法(SBR)对卡式天线进行仿真。仿真得到卡式天线方向图如图7所示，仿真结果为：天线的增益为56dBi，3dB主瓣波束宽度0.26°，仿真与理论计算结果较吻合，即获得了较高的天线增益和较窄的主瓣波束。
在实现中，卡式天线的接收阵元馈源阵列为16×16混频探测器阵列，接收阵元馈源阵列中的单元间距即相邻的探测器馈源之间的距离为2mm，则馈源的横向偏移量δ＝(-15mm)-(15mm)。由于卡式天线是旋转对称结构，馈源偏移量δ＝(-15mm)-(-1mm)与δ＝(1mm)-(15mm)的方向图对称，故下面只给出偏移量δ＝(1mm)-(15mm)时天线的偏焦特性。利用CST的SBR方法，对卡式天线馈源偏焦模型进行仿真，仿真得到天线方向图如图8所示。
根据馈源偏移量对波束指向影响的理论计算和仿真结果，馈源每横向偏焦1mm，波束指向偏转约为0.12°。然而馈源偏焦会造成天线的增益降低，3dB主瓣宽度变宽，但经过仿真验证：馈源偏移量最大时(δ＝15mm)，天线增益为54dBi，即对于接收阵元馈源阵列中距离主反射面和副反射面的旋转轴较远的馈源，即使存在馈源偏焦，仍能获得较高的天线增益，改善了现有技术中由于馈源偏焦导致天线增益大幅下降的问题。
综上，本实施例中的卡塞格伦天线具有以下特点：收发共轴，能够有效的减少了占用空间；至少在340GHz的高频率下能够达到高增益和窄波束的效果，能够应用在太赫兹波的环境中；通过负的馈源前伸量，能够改善馈源偏焦时产生的增益下降和波束变宽的问题，从而在应用接收阵元馈源阵列时仍能获得令人满意的高增益和窄主瓣宽度，有利于实现高精度孔径成像等任务。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，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，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.一种收发共轴用于太赫兹实孔径成像的卡塞格伦天线，其特征在于，包括：
主反射面；所述主反射面的表面形状为旋转抛物面；所述主反射面的对称轴经过处设有第一开口；
副反射面；所述副反射面面向所述主反射面的一侧的表面形状为旋转双曲面，所述副反射面的另一侧的表面形状为旋转抛物面；
所述主反射面和所述副反射面共轴，所述副反射面位于所述主反射面的焦点所在一侧，所述主反射面的焦点与所述副反射面的一个焦点重合；
发射馈源；所述发射馈源位于所述副反射面的旋转抛物面的焦点处；
接收阵元馈源阵列；所述接收阵元馈源阵列位于所述主反射面的另一侧，所述接收阵元馈源阵列与所述第一开口之间相距第一距离，所述接收阵元馈源阵列可通过所述第一开口接收所述副反射面反射的信号。
2.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述卡塞格伦天线还包括：
支撑结构；所述支撑结构用于连接所述主反射面和所述副反射面，使所述主反射面和所述副反射面之间的相对位置固定。
3.根据权利要求2所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述支撑结构为多根支杆，所述支杆的一端连接所述主反射面的边缘，所述支杆的另一端连接所述副反射面的边缘。
4.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面的放大率为1-10。
5.根据权利要求4所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面的表面形状对应的曲面方程为
Figure FDA0003460098350000011
6.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述卡塞格伦天线还包括：
调整结构；所述调整结构用于连接所述主反射面和所述接收阵元馈源阵列，使所述接收阵元馈源阵列与所述第一开口之间相距第一距离。
7.根据权利要求6所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述调整结构为垫片；所述垫片的厚度为所述第一距离；所述垫片可充放气，当所述垫片充气，所述垫片的厚度增大，当所述垫片放气，所述垫片的厚度减小。
8.根据权利要求6所述的卡塞格伦天线，其特征在于，所述调整结构为伸缩杆，所述伸缩杆的长度为所述第一距离；所述伸缩杆的长度可调。
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