太赫兹扫描天线研究

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随着电子科学技术的发展与进步,无线电波的使用迈向了更高的亚毫米-太赫兹频段,并且在雷达成像、无接触式安防、以及目标检测与跟踪等领域获得了广泛的研究与应用。此外天线作为无线通信系统中的核心部件之一,其波束扫描能力的优劣将直接影响整个系统的性能。故本课题的研究内容为太赫兹扫描天线,主要分为三个部分:太赫兹扫描成像系统,太赫兹单脉冲扫描天线以及激光控制扫描天线。太赫兹成像是太赫兹领域两大关键技术之一。本文完成了基于赋形双反射面结构成像系统的机械结构设计,设计了两套分别用于室外和室内成像的实验装置,给出了室内近距离成像实验结果,且成像效果较为理想。此外,基于焦面阵列成像体制,分别采用单透镜、双胶合透镜、双透镜结构设计了三款性能良好的成像光学接收系统。并在850GHz的工作频率下仿真分析了其成像性能:最大视场可达17度,分辨率达到了0.143度并且可以在俯仰面30°范围内实现扫描。太赫兹单脉冲扫描天线主要用于定位系统。本文设计了两款单脉冲扫描天线。其一是基于准光理论与技术,采用平面镜与椭球镜组合形式的机械式扫描天线,该天线工作中心频率为340 GHz,仿真显示其和波束、差波束增益均可达50dB以上;且和波束副瓣电平值在-20dB以下,差波束的零深与不平衡度分别低于-20dB以及1dB,和差矛盾值小于4dB。此外,交叉极化等指标也均满足要求,带宽可达10 GHz。与此同时,该天线可在俯仰面±30度以及方位面360度范围内实现扫描。另一个是基于透射阵列的波束调控理论,采用“十字+方圆轮廓”贴片结构的平面超透镜扫描天线。CST仿真显示其增益可达25dB以上,副瓣电平在-15dB以下。且理论上可以在俯仰面以及方位面上实现二维扫描。激光控制扫描天线是一种新型扫描天线。本文在220GHz频率条件下设计并完成了基于激光调控的透射式和反射式两种扫描方案。对于透射式方案,完成了喇叭增益测试、ITO性能测试、三明治结构损耗测试,并在无法进行光控性能测试的情况下(由于目前光路损耗过大,硅片上照射功率密度过低,无法验证其具有聚束和扫描的能力)完成了黑白对照实验以及缩短距离实验。前者印证了光强(光功率密度)确实可以控制亚毫米波-太赫兹波的通过率,进而说明了透射式光控性能测试的可实现性;而后者则表明了缩短距离可以提升实验效果。最后进行了PCB板性能测试,验证了瞬态菲涅耳波带片图案设计的正确性。对于反射式方案,鉴于相同的原因,也只进行了黑白对照实验,印证了随着激光功率值的增加,亚毫米波-太赫兹波的反射率逐渐提高,验证了反射式光控性能测试的可实现性。
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