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宽带龙伯透镜成像技术研究

宽带龙伯透镜成像技术研究

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作者：张宏伟西安电子科技大学

学位级别：硕士

多波束天线(MBA)是指一种利用同一天线口径产生多个不同指向且相互重叠的窄波束,可以实现最佳波束覆盖。多波束天线经过二十多年的发展,已经研究出了多种用于不同环境的类型,目前为止广泛应用于卫星通信系统。多波束透镜天线是多波束天... 详细信息

多波束天线(MBA)是指一种利用同一天线口径产生多个不同指向且相互重叠的窄波束,可以实现最佳波束覆盖。多波束天线经过二十多年的发展,已经研究出了多种用于不同环境的类型,目前为止广泛应用于卫星通信系统。多波束透镜天线是多波束天线发展中的一个典型分支,由聚焦透镜和焦面阵天线阵列组成,具有无馈源遮挡、良好的宽角扫描性能等优点,即可用于天线辐射,也可用于透镜成像。多波束透镜天线的设计主要基于焦平面阵成像技术,整个过程由场景中的物体、光学聚焦透镜或天线和接收成像显示三部分组成,焦平面上多个接收天线同时工作,每个天线可以接收在3d B波束范围内小场景的微波辐射信号,从而实现波束覆盖。采用叠加多波束模式和多通道同时操作,属于“凝视”模式,实时性强,并且不需要大量的信号处理过程。基于多波束天线技术,本文主要设计了变换龙伯透镜并研究了透镜的无源成像方法。龙伯透镜结构具有球对称性,其相对介电常数从球心为2到球面为1连续渐变,用于多波束透镜天线的聚焦透镜具有很大优势。龙伯透镜具有以下优点:(1)龙伯透镜的超宽带特性;(2)聚焦特性好,用作聚焦天线时,具有高增益、窄波束、低副瓣的优点;(3)具有多波束扫描特性且各个波束一致性良好,从而保证不同方向目标的成像质量。采用变换光学方法压缩龙伯透镜使其扁平化,在保持良好的聚焦性能同时,可以减小体积和重量,并将球形的聚焦面变为平面,更易于馈电系统集成。本文主要采用准保角变换原理设计了具有宽带、焦平面、良好聚焦性能的光学变换龙伯透镜。首先研究了龙伯透镜变换的设计方法,利用MATLAB编程和PDE偏微分求解器实现了对龙伯透镜的单边压缩,然后通过计算程序求得了单边压缩的变换龙伯透镜的介电常数,并分析了龙伯透镜的压缩程度和介电常数各向同性程度的关系。由于透镜尺寸较大,按照满足等效媒质定理的最小单元设计是不切实际的,本文摸索了准保角变换龙伯透镜的离散分层,首先通过准保角变换设计方法按照步长5mm得到离散的介电常数分布,再基于等介电常数分层法对离散介电常数分层得到分层变换龙伯透镜。采用平面波入射的方式,在CST软件中仿真不同分层数的透镜焦区场分布,得到了透镜的角分辨率。比较结果表明,当分为9层及以上时,透镜性能提升缓慢,考虑到透镜聚焦性能和加工难度,本文选择9层变换龙伯透镜作为优化分层。离散分层的变换龙伯透镜在2-15GHz下,-30到30度的扫描范围内都具有良好的成像性能,在2GHz、5GHz、7.5GHz、10GHz、15GHz的角分辨率分别为25度,10度,6.5度,5度,3.5度。为了验证所设计的变换龙伯透镜的聚焦性能,设计了拥有相同口径的标准龙伯透镜,采用极大极小分层法将标准龙伯透镜分为5层,通过仿真,在2GHz、5GHz、7.5GHz、10GHz、15Ghz的角分辨率分别为27.7度、10.5度、7度、5.2度、3.4度,比较发现,变换龙伯透镜的成像角分辨率略好。文章中还设计了不同尺寸的变换龙伯透镜和切割变换龙伯透镜,期望通过沿半径切割大口径龙伯透镜实现更高的成像分辨率。结果发现在相同口径下,切割变换龙伯透镜性能不具有更优的成像性能,并且扫描特性下降。采用多波束透镜天线用来成像时,实际上是采用焦面上的天线阵成像的,将天线阵放置在焦平面上,并且按照分辨率布置天线作为接收阵元。当天线相位中心和像点重合时,天线接收的才是像点的功率。由于多波束技术和焦面阵技术是相通的,本文设计了具有宽带特性的vivaldi天线作为焦面阵天线阵元,通过观察天线的辐射特性来研究透镜系统的成像分辨率,天线宽度21mm,在一维周期边界模拟的无限阵列中,阻抗带宽2-12GHz。将Vivaldi阵元在E面进行一维周期排列,放置在切割龙伯透镜的焦平面上,给阵元端口分别馈电,其他端口接匹配负载时,得到多波束天线的辐射方向图,由中心到边缘阵元分别馈电时,在中心频率5GHz下,天线波束最大指向分别为0度、10度、20度、30度、40度;波束宽度分别为9.8度、10度、9.7度、9.7度、9.3度,天线角分辨率与成像角分辨率近似相同。不足点是设计的天线尺寸大于透镜频带内上行频率时的焦斑尺寸,于是无法满足在大于中心频率时的成像,需要更小尺寸的馈源天线。准保角变换设计方法使得变换透镜的全介电材料得以实现,基于低介电常数的低损耗材料的实现困难和变换龙伯透镜中不同特定介电常数材料的实现,我们采用现有的成熟的打孔技术,对已有的典型介质材料进行打孔,来等效所需的介电常数值,本章采用打孔技术以10mm打孔单元设计了两种不同打孔变换龙伯透镜,分别是垂直打孔和水平打孔,并仿真分析了打孔透镜成像性能,结果表明,水平打孔透镜在2-10GHz有着与未打孔时相近的3d B焦斑直径,垂直打孔的成像分辨率明显下降。随着3D打印的发展,打孔结构可以采用3D打印实现,相对机械打工,可以避免

关键词：龙伯透镜准保角变换原理宽带优化分层实时成像焦区场切割变换龙伯透镜打孔技术

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