小F数毫米波双曲透镜/扩展半球透镜成像特性分析

　　毫米波的波长短,具有和光类似的特性.同时,毫米波能穿透光波和红外不能穿透的雨雾灰沙.这些特点使毫米波成像受到广泛的重视,美、日、英等国已在这方面进行了多年的研究.其应用领域包括战场上伪装目标或隐蔽目标的侦察、成像、制导以及对非金属武器的非接触探查等[1].

　　毫米波焦面阵成像具有实时成像的优点,近年来倍受重视[2].将微波频段的集成天线阵如微带天线阵用到毫米波频段是一个自然的选择.在毫米波频段特别是在3mm以及更高频段,微带基片的电厚度增大,表面波对天线性能的影响增强[3,4].其解决方法一种是将天线集成在很薄的介质基片上,但是,这会使基片非常薄而且易碎,不易实现;另一种是基片透镜法[3],即将天线集成在介质透镜上,它可以消除表面波,并具有良好的机械强度和热稳定性,已引起了人们的广泛兴趣.基片透镜形式可以是半球,超半球或椭球.从天线角度来说,超半球形状的透镜可使集成天线辐射的主瓣变得尖锐,有效地提高集成天线的增益[5].从应用的观点看,扩展半球透镜是一个更为实际可行的方案,因为仅通过改变其扩展长度,就可以近似合成椭球透镜[6]和超半球透镜,既可作为独立天线,也可和各种准光系统相耦合,具有很大的应用潜力.将扩展半球透镜与物镜组合可以构成高增益天线,用于雷达系统,也可用于成像.

　　双曲透镜是一种“平凸”结构透镜,其凸面为双曲面.这种透镜能将所有平行入射的光线都汇聚到焦点处,所以其对于平行入射光线来说在焦点处是消球差的.如果将双曲透镜作为物镜共轴前置于扩展半球透镜,组成一种“倒置显微镜”结构,并使得合成透镜的焦点正好在扩展半球透镜的底面上(见图1).可以预见,所组成的透镜组能获得比单独的双曲透镜或者扩展半球透镜更好的汇聚效果.对于毫米波成像系统,由于受空间限制,系统的F数(透镜焦距和透镜直径的比值)一般为1,即系统是小F数的,此时必须考虑场的矢量特性,常规的标量衍射理论已不能满足要求.本文将采用Strat-ton-Chu矢量衍射积分公式,结合射线追迹方法分析双曲透镜和上述“倒置显微镜”结构焦面上的场分布,并在此基础上对实际物体的成像进行了模拟.

　　1　分　析

　　考虑如图1所示“倒置显微镜”透镜结构.由于扩展半球透镜的直径D2一般小于双曲透镜的直径D1,当f0/D1≤1时,系统便成为所谓的小F数系统,f0是透镜的焦距.如果D1和D2都远远大于波长λ(即D1/λ 1,D2/λ 1),且双曲面和球面的曲率半径都至少大于几个波长,那么由文献[7],应用射线追迹法就可以获得比较精确的结果.

　　考虑x方向线极化的平面波入射情况,且极化位于x-z面内.由于反射和折射都和极化有关,因此将入射波分为平行极化波和垂直极化波2个分量,即