论文研究-毫米波段产生贝塞尔波束的反射阵列设计 .pdf

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毫米波段产生贝塞尔波束的反射阵列设计,孟洪福,李腾,本文设计了一种在毫米波段将高斯波束变换为贝塞尔波束的反射阵列。此反射阵列采用双谐振圆环混合贴片的单元结构,通过改变圆环和
山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 2反射阵列设计 702.1反射单元 圆环R2 R丁 R=065m,改变R 13·-R2=035mn,改变R R &r(mmi 图3移相单元及移相曲线 Fig. 3 The insert phase via the diameter of the air holes 针对单层单谐振微带单元在毫米波难以实现360°相位变化,本文采用双谐振圆环混合 贴片单元的结构,如图3所小。即通过改变圆的半径和圆环的内径实现360的相位变化 根据经典的阵列天线的理论,微带反射阵列单元的间距d应满足:d/4≤1/1+sinO,其中 表示馈源照射到该单元上的入射角度和阵列主波束偏离边射方向的角度者中的较大者。 同时阵列单元应留有一定的空间防止栅瓣的产生,所以为了减小互耦的影响和避免栅瓣的产 80牛,本文选择边长为0.468λ的方形网格布置阵列单元。考虑到加工和制作成本,本文采用 的介质基板为 Rogers5880,相对介电常数22,损耗角正切为00009,基板厚度为0.508mm 图3给出了单元的相移曲线,其中圆环外径(R2)为07mm,当贴片的圆环内径(R1)是065mm, 圆半径(R0)尺寸变化范围为02~065mm,对应的相位变化为115~160。当贴片的圆半 径(R0)为035mm,圆环内径(R1)尺寸变化范围为035-065mm,对应的相位变化为200~69° 85组合单元的这两个参量则可以得到200~-160°的相位变化,实现了全域360°的相移。从图 3可以看出,相移曲线平滑且近似为线性,这样可以减小山加工误差造成的相位补偿的灵敏 度 2阵列优化 以反射移相单元为基础,结合遗传算法,优化反射阵列上各个位置移相单元的尺寸。 首先将反射阵列表面剖分为单元网格,为了保证对输岀口面电磁波相位的精确控制,反 射单元网格尺寸设置为小于/2。 以每个网格反射单元所引入的反射相位为优化变量,当高斯波束入射时,计算反射阵列 岀射方向上一定距离处的电磁场分布,并将其与贝塞尔波束分布的均方差值作为遗传算法优 化的日标函数: 图4优化所得的反射阵列 Fig. 4 The designed reflect arra 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn O-1∑[()=Ey() i=1 优化可得反射阵列的结构如图4所 1003仿真结果 采用前面设计的反射阵列,在CST中建立了整个波束变换光路模型,此时,喇叭为对 角喇叭,口径边长为18mm,将喇叭辐射的高斯波束进行变换的凸透镜焦距为120mm,变换 所得的高斯波束的束腰半径为155mm,在反射阵列出射方向上,输出波束横截面内的电场 嘔度分布如下所示 105 图5产生的贝塞尔波束的横截面场分布 Fig 5 Thc normalized transverse intcnsity patterns of thc gencratcd Bessel bcams 可见,在移相透镜后方所产生的波束,具有一个中心波束和一些圆环波束,且中心波束 110波束很窄,与图1(a)中的零阶贝塞尔波束一致。观测波束在不同的横截面位置上的电场幅度 分布可以看出,中心电磁波束从50mm传播到150mm的距离时,波束形状基本未发生变换, 只有少许扩散,这是因为理论上的无行射贝塞尔波束是由尤穷大口径产生的,而本实验中产 生波束的反射阵列尺寸有限。 4结论 115 本文以双谐振圆环混合结构为单元,通过反射单元圆环和圆片直径实现了反射单元在 0-360度的任意插入相移,结合遗传优化算法,设计了一种在毫米波段将入射高斯波束转换 为叭塞尔波束的反射阵列。仿真结果表明,该阵列具有较好的波束转换效率,所产生的以塞 尔泼束具有一定的聚束传播特性。 致谢 120 本文受教育部高等学校博士学科点专项科研基金新教师类课题资助(20110092120012)。 参考文献]( References [1 Durnin J, Exact solutions for nondiffracting bcams [J]. J. Opt. Soc. Am. A, 1987, 4(4): 651-654 [2] Durnin J, Miceli J, Eberly J. Diffraction-free beams[], Phys Rev Lett, 1987, 58(15): 1449-1501 3 Vasara A Turunen J, Friberg A t. Realizaton of general nondiffracting beams with computer-generated 125 holograms[J], J Opt Soc Am A, 1989, 6(11): 1748-1754 4]Scott G, Mcardle N. Efficient generation of nearly diffraction-free beams using an axicon[J]. Opt Eng, 1992 3l(12):2640-2643 [5 Yu Y. Z. Dou W. B, Generation of Bessel Beams at mm- and Sub mm-wavelengths by binary optical clements[J], Intcmational Journal of Infrared and Millimctcr Wavcs, 2008, 29: 693-703 130 [6] Choi J, Kong H. J, Lee J. U, Optical design of a refractive beam shaper that transforms a Gaussian beam profile into a diverging uniform line beam profile[], Optical Engineering, 2014, 53(5): 055101 [7] Menzel W, Al-Tikriti M, Leberer R, A 76 GHz multiple-beam planar reflector antenna[A], European Microw. Conference[c], milano, Italy, 2002. 977-980 4

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