毫米波无源成像多波束聚焦透镜天线设计

　　0引言

　　近来，毫米波无源成像(Passive Millimeter-wave Imaging，PMI)由于其自身的一系列优点而日益受到人们关注。无源工作不向外辐射电磁波，有极强的隐蔽性和安全性;毫米波波段介于微波与红外之间，与微波相比，波长较短，分辨率更高，与红外相比，波长较长，穿透性更好。故PMI可广泛应用于军事侦查、制导、反隐身、探测以及民用交通、安全、医学、遥感等众多领域。PMI应具备成像时间短，空间分辨率高，温度灵敏度高，同时在体积、成本、重量也应有良好控制。

　　其中成像时间与空间分辨率主要受接收天线控制。通常可通过增大天线尺寸和提高工作频率以提高空间分辨率，而采用多馈源构成阵列是减小成像时间的有效手段。由于目前毫米波部件价格的昂贵[1]和各通道较差的一致性和稳定性[2]，目前 PMI 系统还不能做到像CCD 或红外焦平面阵列的性能，实际中多采用较小规模阵列结合机械扫描的形式。

　　当前，PMI系统接收天线多采用焦平面多波束聚焦天线，它是将多个接收单元排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源偏焦的不同，产生多个不同指向的波束覆盖视场。聚焦天线主要有反射面天线与透镜天线两种形式，相比反射面天线，虽然透镜天线在效率上有所降低，但由于其馈源对视场不会有任何遮挡，从而更有利于成像。但不同于反射面仅单面作用于电磁波传播，透镜内外口面都会影响电磁波传播。

　　1 透镜设计与仿真

　　1.1 原理分析

　　PMI 系统工作频率高(数十 GHz)，准光特性明显，故可用几何光学的方法对其加以研究。通常PMI 系统工作条件满足远场条件。则多波束聚焦透镜天线中透镜的工作工程为：平行光经透镜会聚后在一点聚焦，当平行光偏转后，将聚焦于另一点。将多个馈源分别置于各聚焦点，即可对视场一定角度范围同时覆盖，成像时间将比单馈源大大，再通过机械横向、纵向扫描即可实现全视场覆盖。

　　常见透镜天线多针对单馈源而设计，其表面轮廓曲线方程可由费马定律推导而得。而针对多波束多点聚焦，则其难以满足需要。图1仿真了常见的双曲线单折射面透镜对偏轴平行光的聚焦性能。可见聚焦性能随平行光角度偏转程度而急剧恶化，当偏转角度过大，已完全不能实现聚焦。

　　分析可知，为实现多点聚焦，需利用透镜内外口面配合控制入射光传播，这加大了分析设计的难度。

　　由图2光路图，设入射光角度θ，透镜的折射率为n，入射光与透镜阴暗面交于 P ₁点，则入射光方程为：