毫米波焦面陣成像新型二元衍射微透鏡陣列研究

1引言

基片集成透鏡天線陣是將天線陣集成在基片透鏡背面，天線陣元可以有不同的形式，如貼片天線、縫天線及蝶形天線等。天線陣可以是線陣也可以是面陣。來自目標的電磁波經(jīng)過物鏡后再經(jīng)過基片透鏡匯聚到天線陣上。因基片集成透鏡具有可以消除微帶天線表面波、增加機械強度等優(yōu)點，在毫米波段得到了較為廣泛的應用。

相比于普通的基片集成透鏡，微透鏡陣列更具有如下優(yōu)點：減小陣元之間的互耦、提高成像系統(tǒng)的分辨率、為后面電路留下更多的空間……。本文把微透鏡陣列應用到毫米波焦面陣成像中，除了常規(guī)的折射式微透鏡陣列外，還提出一種便于加工的衍射式微透鏡陣列。

2光路圖

優(yōu)化物鏡和折射式微透鏡陣列組合光路圖如圖1所示。假定一線極化波以角度入射到物鏡上，經(jīng)優(yōu)化物鏡匯聚，再經(jīng)微透鏡折射最后匯聚到微透鏡焦面上。在圖1中，入射角度分別為和，由圖可知，不同角度的入射波，最后匯聚于不同微透鏡的焦面上。

物鏡參數(shù)同文獻[5]：直徑為124mm，焦距為206.5mm，折射率為1.449(Teflon)。微透鏡為Teflon擴展半球透鏡，其半徑為4.5mm，擴展長度為5mm。兩相鄰微透鏡中心間距為10mm。入射波頻率為94GHz。

圖1優(yōu)化物鏡和折射微透鏡組合光路圖

3CST仿真分析

衍射式微透鏡及饋源天線如圖2所示。圖a，衍射式微透鏡由介質(zhì)底座和兩個圓柱體構成。大小圓柱體半徑的設計使得入射波到達衍射透鏡后能夠衍射相干，最后匯聚到微透鏡的中心。最后計算所得的介質(zhì)底座的高度為5mm，大小圓柱體的半徑分別為4.5mm和3.0mm。饋源天線為矩形微帶貼片天線，介質(zhì)底板為厚度0.127mm介電常數(shù)為2.2的Duriod5880。

(a)

(b)

圖2衍射式微透鏡及饋源天線

折射式和衍射式微透鏡天線CST仿真所得的S11參數(shù)及E面和H面方向圖如圖3所示。由圖可知，衍射式微透鏡輻射性能與折射式微透鏡輻射性能相接近。考慮到衍射式微透鏡僅由兩個圓柱體所構成，加工制作較為容易，因此，我們可以用衍射式微透鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折射式微透鏡。

(a)

(b)

(c)

圖3微透鏡天線S11及方向圖

4數(shù)值分析

4.1混合數(shù)值分析方法

對圖1所示的聚焦物鏡和微透鏡陣列組合的光學系統(tǒng)，我們將采用混合數(shù)值分析方法進行分析。先采用射線追跡得到物鏡出射口徑面上的場，然后用Stratton-Chu矢量衍射積分公式得到微透鏡陣列前面距離微透鏡幾個波長的面上的電磁場，最后把此面上的電磁場作為FDTD的源場，對微透鏡陣列進行FDTD仿真分析。

圖4衍射微透鏡陣列FDTD仿真圖

衍射微透鏡FDTD仿真圖如圖4所示。FDTD仿真的網(wǎng)格 ,其中是自由空間中的波長。

4.2衍射場分析

入射波正入射時，物鏡衍射波與微透鏡陣列相互作用場圖如圖5所示。圖a為折射微透鏡陣列場圖，圖b為衍射微透鏡陣列場圖。雖然折射微透鏡陣列的匯聚基于折射，而衍射微透鏡陣列的匯聚基于衍射，從圖中我們可以看出，衍射微透鏡同樣具有良好的匯聚效果。

(a)(b)

圖5折射和衍射微透鏡陣列場圖

4.3焦面場分析

圖6為不同入射角度的波入射時，由物鏡匯聚過來的波，經(jīng)微透鏡陣列再次匯聚后，在微透鏡焦面上的功率分布。對于正入射的入射波，入射波將匯聚到中心微透鏡的焦面。入射角度為時，入射波將匯聚到上面一個微透鏡的焦面。衍射式微透鏡陣列焦面場斑的峰值和折射式微透鏡陣列焦面場斑的峰值相接近，說明衍射式微透鏡陣列的匯聚能力和折射式微透鏡陣列匯聚能力相接近。

圖6折射和衍射微透鏡陣列焦面場

4結論

本文提出了一種應用于毫米波焦面陣成像的新型二元衍射微透鏡陣列。用CST軟件仿真了微透鏡的方向圖；用幾何光學、物理光學及FDTD相結合的混合數(shù)值方法計算分析了物鏡衍射波與微透鏡的耦合特性。仿真結果顯示，新型衍射式微透鏡陣列性能和傳統(tǒng)折射式微透鏡陣列相當。新型衍射式微透鏡用兩個圓柱體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微透鏡的球面體，較大地降低了加工制造的難度。