太赫兹波束二维机械扫描天馈系统

摘要

本发明涉及一种太赫兹波束二维机械扫描天馈系统，属于天线技术领域。本发明包括偏置卡塞格伦天线、馈源天线、伺服控制系统、主反射面支架、副反射面支架、法兰盘和指示销钉。其中，偏置卡塞格伦天线包括主反射面和副反射面，伺服控制系统包括方位、俯仰二维转台、伺服控制器和转台底座；方位、俯仰二维转台包括方位控制模块、俯仰转动电机和俯仰角度编码器。本发明工作在110GHz～600GHz频带内，电压驻波比特性良好，增益高，波束扫描方式为水平、俯仰±20°范围；能实现多种自定义扫描轨迹，波束定位精确。本系统作为太赫兹成像仪不可或缺的重要部分，可以配合搭建太赫兹成像系统，为公共安全领域作出重要的贡献。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波束二维机械扫描天馈系统，属于天线技术领域。

背景技术

太赫兹波因其短波长、高透射性和对人体无损伤等优点，使得太赫兹成像相比其他波段具有明显优势。太赫兹成像技术在未来安检、反恐、缉毒等方面势必会发挥出不可替代的作用。近年来国外已有将太赫兹成像技术成功应用于安检设备的范例，我国也已逐步开展太赫兹安检成像系统的研究。作为成像系统的前端，太赫兹天馈系统是整个成像系统中必不可少的关键部分，天馈系统性能的优劣将直接决定成像系统能否发挥出应有的作用。

基于机械扫描成像体制，以偏置卡塞格伦天线为主体实现太赫兹波束二维扫描的天馈系统所需探测器较少，易于实现，成本相对低廉，可以满足太赫兹频段成像系统对天线的性能要求。而机械扫描的成像方式一般为天馈系统发出的波束在偏离轴向位置附近作一定角度的扫描，从而实现局部范围的探测。目前，一维方向上实现波束机械扫描的应用较多，但所涉及二维扫描的研究较少，同时偏置卡塞格伦天线的高偏置状态也会带来结构的不对称，不利于大角度扫描。

发明内容

本发明的目的是解决二维波束机械扫描的缺陷，基于喇叭天线和反射面天线的原理，提出一种以偏置卡塞格伦天线为主体设计的太赫兹波束二维机械扫描天馈系统。

本发明的太赫兹波束二维机械扫描天馈系统，包括偏置卡塞格伦天线、馈源天线、伺服控制系统、主反射面支架、副反射面支架、法兰盘和指示销钉。其中，偏置卡塞格伦天线包括主反射面和副反射面，伺服控制系统包括方位、俯仰二维转台、伺服控制器和转台底座；方位、俯仰二维转台包括方位控制模块、俯仰转动电机和俯仰角度编码器。

所述主反射面和副反射面的材料采用金属或玻璃纤维；主反射面为偏置抛物面，副反射面为偏置双曲面。偏置卡塞格伦天线在结构上是双偏置的：主反射面对副反射面偏置，副反射面对馈源天线偏置。主反射面可由完整抛物面切割一部分形成，副反射面可由完整双曲面或椭球面切割一部分形成。双偏置结构保证在空间上馈源对副反射面、副反射面对主反射面均不形成遮挡。

所述馈源天线采用多模喇叭天线或者波纹喇叭天线。

方位、俯仰二维转台内含俯仰方向转动机械轴和水平方向转动机械轴，在水平方向和俯仰方向上均能单独转动，也能实现两轴联动，两维方向上转动速度均可控；同时还能控制偏置卡塞格伦天线主反射面进行多种连续扫描动作，完成位置引导、定位、连续扇扫、蛇形扫描、回字扫描，运动方式能自定义，并实时回传位置数据至伺服控制器。

偏置卡塞格伦天线的主反射面通过主反射面支架与方位、俯仰二维转台相连，副反射面使用副反射面支架固定，副反射面支架固定安装在转台底座上，副反射面所处的空间位置固定不动。法兰盘沿与底座垂直的方向安装在副反射面支架上；指示销钉固定在副反射面支架上，与法兰盘垂直对接、与底座平行。指示销钉的尖端指向馈源天线的口面中心。馈源天线背面连接太赫兹波束二维机械扫描天馈系统外的射频源模块。

主反射面下边缘与副反射面上边缘相切，且相互不遮挡；方位、俯仰二维转台为下方位、上俯仰结构，方位转动电机及方位角度编码器集成在方位控制模块中；俯仰转动电机和俯仰角度编码器分立，构成俯仰控制模块；俯仰转动电机和俯仰角度编码器与方位、俯仰二维转台中的俯仰方向转动机械轴共轴连接；方位转动电机及方位角度编码器与方位、俯仰二维转台中的水平方向转动机械轴共轴连接。

方位、俯仰二维转台机械转动中心（即俯仰方向转动机械轴与水平方向转动机械轴的交点）、主反射面焦点、副反射面虚焦点三点重合，方位、俯仰二维转台控制主反射面的转动。伺服控制器预留有接口，通过线缆分别与方位控制模块、俯仰转动电机、俯仰角度编码器相连，对其进行驱动控制。

本发明的太赫兹波束二维机械扫描天馈系统的工作过程为：馈源天线发射初级波束，先后经偏置卡塞格伦天线的副反射面、主反射面反射后获得水平方向上的平行波束。伺服控制器解析目标位置，生成控制信息，将控制信息发送给俯仰控制模块和方位控制模块，俯仰角度编码器和方位角度编码器根据控制指令计算得到转动的角度，反馈回伺服控制器，由伺服控制器生成动作指令，发送给俯仰控制模块和方位控制模块驱动方位转动电机和俯仰转动电机执行动作指令，方位、俯仰二维转台按照指定角度转动，带动偏置卡塞格伦天线的主反射面转动到指定角度，实现波束角度的改变，从而达到二维波束扫描的目的。

有益效果

本发明设计太赫兹偏置卡塞格伦天线，并针对太赫兹波束二维机械扫描设计了与偏置卡塞格伦天线配合使用的伺服控制系统。相对于现有技术的有益效果在于：本发明的太赫兹波束二维机械扫描天馈系统能够完成空间二维扫描，填补目前国际上二维机械扫描的空缺。同时配合偏置卡塞格伦天线设计的伺服控制系统不仅可以为此种天线形式使用，还可以用于其它形式的波束二维机械扫描天线形式。该天馈系统作为太赫兹成像仪不可或缺的重要部分，可以配合搭建太赫兹成像系统，为公共安全领域作出重要的贡献。

本发明工作在110GHz～600GHz频带内，电压驻波比特性良好，增益高，系统整体尺寸紧凑，波束扫描方式为水平、俯仰±20°范围；能实现多种自定义扫描轨迹，波束定位精确。针对太赫兹波束二维扫描设计的与偏置卡塞格伦天线配合使用的伺服控制系统能够完成水平和俯仰方向上的定位和一定范围扫描。

附图说明

图1是本发明的太赫兹波束二维机械扫描天馈系统组成图；

图2是图1的侧视图；

图3（a）是实施例中偏置卡塞格伦天线光路示意图；（b）是偏置卡塞格伦天线主反射面、副反射面平面投影图；

图4是实施例中偏置卡塞格伦天线主反射面、副反射面和馈源天线的相对位置关系图；

图5是实施例中馈源天线结构示意图；

图6是实施例中偏置卡塞格伦天线波束扫描方式示意图；

图7是实施例中馈源天线在180GHz-220GHz电压驻波比曲线；

图8（a）、（b）、（c）是实施例中馈源天线分别在f₀-10GHz、f₀、f₀+10GHz频点处的归一化方向图；

图9是实施例中偏置卡塞格伦天线未扫描状态下180GHz-220GHz电压驻波比曲线；

图10是实施例中偏置卡塞格伦天线主反射面在未转动状态下，在180GHz-220GHz频段内天线实测增益曲线与仿真增益曲线对比；

图11（a）、（b）、（c）、（d）、（e）是实施例中偏置卡塞格伦天线分别在主反射面未转动、向上转动10°、向下转动10°、向左转动10°、向右转动10°五种位置状态下在f₀-10GHz频点处归一化方向图；

图12（a）、（b）、（c）、（d）、（e）是实施例中偏置卡塞格伦天线分别在主反射面未转动、向上转动10°、向下转动10°、向左转动10°、向右转动10°五种位置状态下在f₀频点处归一化方向图；

图13（a）、（b）、（c）、（d）、（e）是实施例中偏置卡塞格伦天线分别在主反射面未转动、向上转动10°、向下转动10°、向左转动10°、向右转动10°五种位置状态下在f₀+10GHz频点处归一化方向图；

标号说明：1—偏置卡塞格伦天线主反射面，2—偏置卡塞格伦天线副反射面，3—法兰盘，4—方位、俯仰二维转台，5—方位控制模块，6—俯仰转动电机，7—俯仰角度编码器，8—伺服控制器，9—转台底座，10—主反射面支架，11—副反射面支架，12—线缆A，13—线缆B，14—指示销钉，15-馈源天线，S1—偏置卡塞格伦天线主反射面在xoy面投影，S2—偏置卡塞格伦天线副反射面在xoy面投影，H1—偏置卡塞格伦天线主反射面静空距，H2—偏置卡塞格伦天线副反射面静空距，2C—副反射面两焦点距离，F1—主反射面的旋转中心，F2—馈电点，θ1—切割前副反射面的半张角，θ2—切割前主反射面的半张角，θ3—切割后主反射面下边缘张角，θ4—切割后副反射面下边缘张角，φ1—偏置主反射面等效辐射口径，φ2—偏置副反射面等效辐射口径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

由图1可以看出，本发明包括偏置卡塞格伦天线、馈源天线15、伺服控制系统、主反射面支架10、副反射面支架11、法兰盘3和指示销钉14。其中，偏置卡塞格伦天线包括主反射面1和副反射面2，材料为铝，表面镀金处理；伺服控制系统包括方位、俯仰二维转台4、伺服控制器8和转台底座9；方位、俯仰二维转台包括方位控制模块5、俯仰转动电机6和俯仰角度编码器7。馈源天线15材料为铜，表面镀金处理；伺服控制系统为硬质铝材，表面作发黑处理。

由图2可以看出，偏置卡塞格伦天线的主反射面1通过主反射面支架10与方位、俯仰二维转台4相连，副反射面2使用副反射面支架11固定，副反射面支架11固定安装在转台底座9上，副反射面2所处的空间位置固定不动。法兰盘3沿与底座9垂直的方向安装在副反射面支架11上；指示销钉14固定在副反射面支架11上，与法兰盘3垂直对接、与底座9平行。指示销钉14的尖端指向馈源天线15的口面中心。馈源天线15背面连接太赫兹波束二维机械扫描天馈系统外的射频源模块。

方位、俯仰二维转台4机械转动中心（即俯仰方向转动机械轴与水平方向转动机械轴的交点）、主反射面焦点、副反射面虚焦点三点重合，方位、俯仰二维转台4控制主反射面1的转动。伺服控制器8预留有接口，通过线缆12与方位控制模块相连、通过线缆13分别与俯仰转动电机6、俯仰角度编码器7相连，对其进行驱动控制。

作为本发明的一种优选实施例，伺服控制系统中方位、俯仰二维转台4转动范围水平和俯仰均为±20°，具有硬限位和软限位双重保护；转速可调节，最高可达5°/s，最低可达1°/s；定位精度为±0.05°。

作为本发明的一种优选实施例，如图3(a)所示，偏置卡塞格伦天线主反射面（抛物面）与副反射面（双曲面）共焦点，从馈源发出的初级波束经过副反射面、主反射面两次反射后形成水平方向上的波束；如图3(b)所示，偏置卡塞格伦天线主反射面为完整抛物面被圆柱体截得的一部分，平面投影为圆形；副反射面为完整双曲面被圆柱体截得的一部分，平面投影为圆形。

作为本发明的一种优选实施例，如图4所示，偏置卡塞格伦天线在结构上是双偏置的：主反射面对副反射面偏置，副反射面对馈源偏置。偏置抛物面口径、偏置双曲面口径、馈源口径及馈源对双曲面的偏置角等主要参数对偏置卡塞格伦天线性能影响较大；其中偏置抛物面口径φ1＝100mm，偏置双曲面口径φ2＝37.3mm。

作为本发明的一种优选实施例，如图5所示，馈源天线选择多模圆锥喇叭天线结构。多模圆锥喇叭天线由矩形波导、矩—圆过渡段、圆波导段、喇叭扩展段组成。这种馈源天线结构形式简单，加工一致性好，在宽频带内有良好的电性能，同时能够满足偏置卡塞格伦天线对馈源天线的性能要求。

作为本发明的一种优选实施例，如图6所示，馈源天线和偏置卡塞格伦天线副反射面保持不动，主反射面绕合适的旋转中心F1转动一定角度，经偏置卡塞格伦天线的副反射面、主反射面两次反射后获得高定向性波束也跟着旋转一定角度，从而实现波束在空间两维方向上的扫描。主反射面转动角度θ由方位、俯仰二维转台精确控制，转台的转动中心即为主、副反射面焦点重合点，空间波束的扫描范围取决于为主反射面转动范围，空间波束的扫描快慢取决于方位、俯仰二维转台的速度设置，空间波束的指向精度取决于水平和俯仰角度编码器精度。

作为本发明的优选实施例，伺服控制系统控制方位、俯仰二维转台转动，带动主反射面（抛物面）绕其焦点转动，进而实现波束扫描。

设计的伺服控制系统中方位、俯仰二维转台在水平方向和俯仰方向上均可单独转动，也可实现两轴联动，两维扫描速度均可控；同时还可以控制偏置卡塞格伦天线主反射面进行多种连续扫描动作，完成位置引导、定位、连续扇扫、蛇形扫描、回字扫描等，运动方式也可以自定义实现，并实时回传位置数据。采用高精度角度编码器，位置定位精度高。

由图7可以看出，作为本发明的一种优选实施例，馈源天线在180GHz-220GHz频段内，驻波比小于1.15；

由图8可以看出，作为本发明的一种优选实施例，馈源天线分别在f₀、f₀-10GHz、f₀+10GHz频点处归一化方向图，增益大于23dB，两主平面（E面、H面）副瓣电平优于-20dB，两主平面3dB波瓣宽度相差在15%内，可以满足偏置卡塞格伦天线对馈源天线性能的要求。

由图9可以看出，作为本发明的一种优选实施例，偏置卡塞格伦天线主反射面未转动时，在180GHz-220GHz频段内，仿真与实测驻波比都小于1.2；

由图10可以看出，作为本发明的一种优选实施例，偏置卡塞格伦天线主反射面在未转动状态下，在180GHz-220GHz频段内，天线实测增益随频率变化曲线与仿真增益随频率变化曲线一致性较好。天线在180GHz、190GHz、200GHz、210GHz、220GHz五个频点处增益仿真与实测值，实测增益与仿真增益相比，低约1dB。

作为本发明的一种优选实施例，图9、图10、图11、图12、图13分别为f₀、f₀-10GHz、f₀+10GHz三个频点下偏置卡塞格伦天线主反射面转动至五处位置时的归一化辐射方向图；图10（a）、图11（a）、图12（a）、图13（a）为偏置卡塞格伦天线主反射面未转动时归一化辐射方向图；图10（b）、图11（b）、图12（b）、图13（b）为偏置卡塞格伦天线主反射面向上转动10°时的归一化辐射方向图；图10（c）、图11（c）、图12（c）、图13（c）为偏置卡塞格伦天线主反射面向下转动10°时的归一化辐射方向图；图10（d）、图11（d）、图12（d）、图13（d）为偏置卡塞格伦天线主反射面向左转动10°时的归一化辐射方向图；图10（e）、图11（e）、图12（e）、图13（e）为偏置卡塞格伦天线主反射面向右转动10°时的归一化辐射方向图。下表为天线在上述五个频点和五种位置状态下主要性能测试结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。