材料选用低损耗的聚四氟乙烯。若透镜中的介质均匀，这种透镜称为常数折射率透镜，依据几何光学原理，在这种透镜中的射线是直线。毫米波从透镜平面至焦点的所有射径的电长度都相同，这是透镜的电长度等同原理。
1.1 透镜的设计
点聚焦单透镜天线几何形状图，如图1所示。为透镜曲面，是焦点到上的任意一点的距离即是透镜的焦距，是焦点到透镜轮廓线上任一点的距离即坐标原点在微带天线处，是透镜一侧的厚度，为透镜口径直径，透镜周围的媒质是空气，透镜介质折射率为
1.2 透镜的分辨率
根据分辨率的Rayleigh判据，衍射斑的峰值与最小点间的距离为焦斑的半径。由峰值的3 dB点形成的圆斑直径即为点聚焦透镜天线的分辨率。利用如图1所示坐标推导出点聚焦天线在焦点处（E点）垂直于轴平面上聚焦电场的-3 dB宽度即为聚焦透镜的分辨率[6]。
参照图1，设计透镜时通过调节其结构和参数，根据文献[5]得出焦斑宽度的简便近似公式，其中-3 dB点对应的宽度[7]为：
2 结构的设计与仿真
2.1 点聚焦透镜的设计
本系统设计的点聚焦透镜天线针对500 mm处的物体进行扫描，系统工作在35 GHz，根据分辨率小于30 mm的要求，结合转台承重10 kg以及透镜材料选用的聚四氟乙烯密度，透镜直径取300 mm。根据实物制作的大小和长短等实际因素，微带天线距透镜距离取150 mm。
用式（1），式（2）设计，可以设计出单面透镜A和B。透镜A基本参数：300 mm， mm，得出厚度为45 mm；透镜B基本参数：300 mm，500 mm，得出厚度为89 mm。将AB透镜合并就可以得到需要的双面透镜。
微带馈源设计的基本参数：天线宽度为2.8 mm，天线长度为3.4 mm，天线厚度为181.7 μm，馈源的宽度为42.8 μm。天线馈源的设计中，其相位中心到透镜定点的距离为透镜的焦距。
2.2 CST仿真及分析
本文采用电磁仿真软件CST进行矩形贴片微带天线和透镜天线的性能仿真[8]，给出矩形贴片微带天线加载透镜前后性能指标的变化。
2.2.1 微带天线的仿真
2.2.2 加载透镜后的仿真结果
把透镜安装在透镜面（焦距为150 mm的透镜面）距离微带天线相位中心150 mm的位置[9]，图3（a），图3（b）是矩形微带天线加载双面透镜（ GHz，）后轴（见图1）上的电场空间分布，经计算，透镜的聚焦面应在804.5 mm处。透镜仿真后的聚焦面位置约在801.5 mm的位置上，比结果提前了3 mm左右。从图中能够看出，当时，mm点的电场最强，增益为56.4 dB。
图4（a）是二维分布，图4（b）是mm面上的场分布。从图中能够看出聚焦透镜在该点的聚焦效果，同时也能够由该聚焦点的-3 dB宽度得出其分辨率为22 mm，由式（5）计算点聚焦透镜理论上的分辨率为25 mm左右[10]。
通过上述的实验仿真分析，点聚焦透镜的设计理论结果和实验仿真的结果基本上一致，达到了技术指标，可以得出点聚焦透镜天线的设计是正确的。
3 结 语
本文采用双曲面透镜天线与矩形微带天线共同组成了点聚焦透镜天线，用电磁仿真软件CST进行了实验仿真并取得了良好的聚焦效果。该透镜频率为35 GHz，直径为300 mm，总厚度为134 mm，距离微带天线的相位中心150 mm，在801.5 mm的焦平面聚焦，焦斑为22 mm，与预期效果基本一致，达到了聚焦透镜天线的设计目的。
参考文献
[1] 赵自然.人体安检新技术的分析与探讨[J].中国安防，2012（3）：33⁃36.
[2] 任冬梅，刘述章，王国庆，等.8 mm点聚焦透镜天线的工程设计[J].电子科技大学学报，2006，35（3）：328⁃330.
[3] 唐剑明，赵青，郑灵，等.3 mm圆锥喇叭聚焦天线的理论与仿真[J].强激光与粒子束，2012，24（2）：436⁃440.
[4] 殷力凡.毫米波介质透镜天线的研究[D].南京：南京理工大学，2005.
[5] 孙兵，江国泰，陈志宏，等.聚束透镜在微波热疗中的应用[J].中国科学：技术科学，2011，41（1）：32⁃37.
[6] 马平，何昌伟，刘述章.点聚焦透镜天线分辨率的分析与测量[J].微波学报，2004，20（3）：74⁃76.
[7] 吕善伟，张岩，余慧龙，等.聚焦透镜天线焦斑宽度估算[J].北京航空航天大学学报，2008，34（5）：560⁃563.
[8] 朱佩涛，刘述章，任冬梅.8 mm点聚焦透镜天线设计和分辨率分析[C]//2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集.北京：北京理工大学出版社，2005：123⁃127.
[9] 周凯宁.透镜可以提高毫米波天线的性能[J].无线电工程，1987（4）：84⁃86.
[10] 张云鹏，张毅，李恩，等.点聚焦透镜天线焦斑附近波长延长[J].太赫兹科学与电子信息学报，2014，12（6）：846⁃851.
相关热词搜索： 透镜 天线 聚焦 设计 mm
