用于太赫兹成像的准光聚焦天线
太赫兹天线（一）
技术讲座1数字通信世界2024.031 基本知识[1][2]1.1 天线的基本作用天线是向空间辐射或收集携带信息的空间电磁波的装置。
据此基本功能，天线可分为发射天线和接收天线两大类，但一部天线可用于发射也可用于接收，或加入双工器之类的装置后可收发共用。
虽然发射天线和接收天线在性能要求和工作方式等方面并非完全相同，但理论上可以利用电磁场的互易原理，将接收天线当作发射天线来分析。
在下面提到的一些基本性能指标上，它们是具有共性的。
1.2 天线的基本原理1.2.1 电磁波产生的基本原理当带电体上的电荷的量和性质（正、负）随时间而发生变化时，它所产生的电、磁场也是随时间而变化的，即，电场中每一点的电场强度（包括大小和方向）、磁场中每一点的磁场强度，在不同时间是不同的。
最基本的交变电磁场的波形是随时间做正弦（余弦）变化，称为简谐波。
根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在它的周围产生变化的磁场；同样地，变化的磁场也在它的周围产生变化的电场。
产生交变电磁场之源称为场源，如电流环和电偶极子等。
以电流环为例，它是随时间变化的电流流过环形导线形成的。
在电流环的周围，引起磁场的环流，它也是随时间而变的；当电流值大时，磁场强，所感应产生的电场也强；当电流值小时，则反之。
接下来，所产生的电场又感应出新的磁场……如此交替循环（图1）。
这样，在空间某一点观察，将会看到电磁场随时间做强、弱和正、负交替的变化，于是在空间的电磁场强度高低起伏，如水面上的波浪从中心一圈一圈向外扩张一样，电磁场在电流环周围连续不断地扩展并传播到整个空间。
这就是电磁波。
由点场源产生的电磁波在空间是以球面波的形式传播的，即在相同时刻，电磁波所到达的各点，均位于以源点为中心的圆球面上。
因所传播距离相同，这些电磁波是同相位的。
理论上，当距离为无限远时，球面接近为平面，球面波成为平面波，垂直于传播方向的平面为等相面，或称同相面（图2）。
研究证明，电磁波的电场与磁场在空间上是正交的，它们在自由空间以光速传播。
太赫兹光电导天线海关编码
太赫兹光电导天线海关编码引言太赫兹技术是一种位于红外光和微波之间的电磁波谱，具有独特的特性和广泛的应用潜力。
太赫兹光电导天线是太赫兹技术中的重要组成部分，可以实现太赫兹波的发射和接收。
为了便于国际贸易和海关监管，太赫兹光电导天线需要有一个统一的海关编码。
本文将详细介绍太赫兹光电导天线的原理、应用和海关编码。
一、太赫兹光电导天线原理太赫兹光电导天线是一种用于太赫兹波的发射和接收的器件。
它利用光电效应和导电材料的特性，将太赫兹波转换为电信号或将电信号转换为太赫兹波。
光电导天线通常由两部分组成：光电转换器和导电材料。
光电转换器是太赫兹波的接收器，它将太赫兹波转换为电信号。
光电转换器通常由光电二极管或光电晶体管组成，它们能够将太赫兹波的能量转换为电流或电压信号。
光电转换器的性能对太赫兹光电导天线的灵敏度和带宽有着重要影响。
导电材料是太赫兹波的发射器，它将电信号转换为太赫兹波。
导电材料通常由金属或半导体构成，它们具有良好的电导率和太赫兹波的辐射特性。
导电材料的形状和结构对太赫兹波的辐射方向和频率响应有着重要影响。
太赫兹光电导天线的原理是利用光电转换器将太赫兹波转换为电信号，然后利用导电材料将电信号转换为太赫兹波。
这种双向转换的原理使得太赫兹光电导天线可以实现太赫兹波的发射和接收。
二、太赫兹光电导天线应用太赫兹光电导天线具有广泛的应用潜力，在许多领域都有重要的应用价值。
1.安全检测：太赫兹波可以穿透许多非导电材料，如纸张、塑料和织物，但对金属和液态物质有很好的反射能力。
因此，太赫兹光电导天线可以用于安全检测领域，例如检测隐蔽的金属武器或爆炸物。
2.医学影像：太赫兹波能够穿透生物组织，而且对水分子的吸收很弱，因此在医学影像领域具有很大的潜力。
太赫兹光电导天线可以用于太赫兹成像设备，用于检测皮肤病变、肿瘤和其他疾病。
3.通信与雷达：太赫兹波具有较高的频率和较大的带宽，适合用于高速数据传输和雷达应用。
太赫兹光电导天线可以用于太赫兹通信设备和太赫兹雷达系统，实现高速无线通信和高分辨率成像。
太赫兹成像准光学系统设计
太 赫 兹成 像 准光 学 系统 设计
王兵兵， 侯丽伟， 谢 巍， 周德亮
（ 中 国 电 子科 技 集 团公 司第 五 十研 究 所 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ６ ３ ）
摘
要： 为 了设 计 出适 用 于 太 赫 兹 波 段 成 像 的光 学 系 统 ， 综 合 分 析 了 各 种 成 像 系 统 的特 点 ， 其 中 离 轴 三
由变量 ， 除 了满 足 系统性 能 和像质 要求 外 ， 还有 足够 的 变量 进行 系统 布局 和 结 构 的优 化设 计 ］ 。相 对 于离 轴
三反 射 式系 统来 说 ， 同轴 三反射 式 系统 中心 遮拦 的存 在严 重 影 响 了成像 的质 量 。离 轴三 反 射式 系统 可优 化 变
参数 ； 然后 ， 对 此 同轴 系 统 采 用 光 阑 离 轴 或 视 场 离 轴 ， 消 除 中心 遮拦 ， 得 到 离 轴 三 反 射 式 光 学 系 统＿ ｇ ］ 。同 轴 三 反
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大小 ２ ５ ０ ｍｍ、 瞬时视场 Ｉ ｍｒ ａ ｄ 、 焦距 ８ ０ ０ ｍｍ、 Ｆ数 ３ ． ２的 系统 ， 实 现 了 可 用 于 太 赫 兹 波 段 无 中 心 遮 拦 的 离 轴
星载大口径太赫兹反射面天线设计与实现
太赫兹反射面天线主要由反射面和准光学馈电网络组成，其中反射面天线采用正馈式卡塞格伦反射面天线， 主反射面为标准抛物面，副反射面为标准双曲面。为获得较高的遥感成像分辨力，天线主反射面设计为 2.5 m 入
收稿日期：2018-12-05；修回日期：2019-01-13 基金项目：国家“十二五”民口 863 重点预研资助项目(Y13-863M-01) *通信作者：周卫来 email:28440333@
Design and implementation of a space-borne reflector antenna operating at terahertz frequency
SHI Jinwen，ZHOU Weilai*，YU Xumin，MA Fengjun
(China Academy of Space Technology，Xi’an Shaanxi，710100，China)
374
太赫兹科学与电子信息学报
第 17 卷
射 孔 径 [ 6]。准 光 学 馈 电 网 络 采 用 单 通 道 自 由 空 间 馈 电 结 构 ，用 于 接 收 入 射 到 反 射 面 天 线 的 电 磁 波 信 号 。根 据 星 载 遥感载荷的应用需求，天线系统需具备高主波束效率，以及线极化工作模式，系统主要设计指标见表 1。
Abstract：A THz space-borne reflector antenna with an aperture of 2.5 m is presented. The antenna, which could receive electromagnetic signals at 183 GHz, is composed of the reflector antenna and quasi-optical feeding network. Its electrical performance is given, and the structural scheme is presented as well. The measurement of main beam efficiency achieves 90.2%, which could meet the specification of the GEO remote sensing satellites. It realizes a space-borne reflector antenna operating at terahertz frequency.
一种太赫兹光电导相控阵天线系统[发明专利]
![一种太赫兹光电导相控阵天线系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/035f3d3849649b6649d747c6.png)
专利名称：一种太赫兹光电导相控阵天线系统专利类型：发明专利
发明人：陈景源,林中晞,徐玉兰,林琦,苏辉
申请号：CN201611117374.7
申请日：20161207
公开号：CN106450750A
公开日：
20170222
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种太赫兹光电导相控阵天线系统，包括激光源、光纤耦合器、光延时控制器和太赫兹光电导阵列天线；其中，所述光纤耦合器将激光源产生的泵浦光耦合到光纤中；所述光延时控制器控制光纤耦合器输出的泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光；N为大于1的自然数；所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，每一束泵浦光聚焦照射其对应的偏压天线单元后激发产生太赫兹辐射。
本发明通过在光电导天线阵列的泵浦光光路中引进光延时控制器，通过控制辐射相位，提高了天线阵的辐射功率，改变了波束指向角。
申请人：中国科学院福建物质结构研究所
地址：350002 福建省福州市杨桥西路155号
国籍：CN
代理机构：北京知元同创知识产权代理事务所(普通合伙)
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一种基于透镜天线的宽带太赫兹准光检波器
一种基于透镜天线的宽带太赫兹准光检波器郭大路;牟进超;马朝辉;李明迅;乔海东;吕昕【期刊名称】《红外与毫米波学报》【年(卷),期】2016(035)004【摘要】设计了一种能够工作在140～ 325 GHz频带的宽带准光检波器,由一颗高阻硅透镜和单片集成检波芯片组成.设计并加工出双缝天线,在天线馈电端集成了肖特基二极管,该紧凑结构使其能够接收空间中的太赫兹辐射并转换为基带信号.为增强片上天线的方向性,利用MLFMM算法进行了扩展半球硅透镜的设计和优化,实现了良好的辐射特性.通过测试,天线在220 GHz和324 GHz处的辐射增益分别为26 dB和28 dB.在140～325 GHz,检波器测试得到的响应率可达到1 000 ～4000 V/W,对应的等效噪声功率(NEP)估算为0.68 ～2.73pW/√Hz.【总页数】5页(P389-393)【作者】郭大路;牟进超;马朝辉;李明迅;乔海东;吕昕【作者单位】北京理工大学信息与电子学院毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室,北京 100081;香港城市大学毫米波国家重点实验室,香港999077;北京理工大学信息与电子学院毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室,北京 100081;北京理工大学信息与电子学院毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室,北京 100081;北京理工大学信息与电子学院毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室,北京 100081;北京理工大学信息与电子学院毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】TN454【相关文献】1.太赫兹准光混频器的设计与实现 [J], 徐明明;郭大路;国爱燕;高文军;韩运忠;2.太赫兹准光混频器的设计与实现 [J], 徐明明;郭大路;国爱燕;高文军;韩运忠3.太赫兹宽带Denisov型准光模式变换器的设计分析 [J], 边慧琦;杜朝海;潘石;刘濮鲲4.一种光激宽带蓝移可调太赫兹超材料完美吸收器仿真研究 [J], 王志豪5.一种基于SIW的阶梯式太赫兹宽带传输线 [J], 熊毓俊;丁丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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用于太赫兹成像的准光聚焦天线
张雨濛，刘埇，吕昕
毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，
北京理工大学，北京，100081
摘要:基于太赫兹技术在成像方面的运用，本文以340GHz透镜天线为例，介绍了太赫兹焦平面成像应用中的准光聚焦元件的设计方法。
使用Altair FEKO电磁仿真软件对设计进行仿真及优化，从而验证设计的合理性。
关键词:太赫兹成像，准光技术，透镜天线，Altair FEKO
1 概述
太赫兹波因其具有许多优越特性[1]，受到越来越多的关注和研究。
太赫兹技术在很多领域得到广泛的应用，如生物医学领域、通信领域、公共安全领域以及军事领域等。
本文主要着眼点在于研究太赫兹波在成像方面的应用。
为了提高成像系统在观察点的空间分辨率，不仅需要较大口径的天线、较高的工作频率，还需要该天线具有聚焦特性。
其实质是对馈源天线发射的电磁波进行相位修正，以实现在观察点聚焦的功能。
衡量聚焦天线性能的主要参数包括：馈源最大可用偏焦范围、焦斑尺寸、天线增益、波束宽度、天线效率[3]-[4]等。
对于准光聚焦元件来说，大体可分为反射式和透射式两种类型[5]。
反射式元件结构简单、重量轻、设计较为成熟，但其存在光路遮挡、宽角扫描特性差等缺点，并且对于加工精度要求较高；反射式元件则不存在光路遮挡问题，并且具有良好的宽角扫描性能。
加之其设计自由度大、成本较低等因素，广泛用于成像领域。
2 设计思路
2.1 准光理论[2]与高斯截断效应
基于准光学的方法，对340GHz太赫兹透镜天线进行设计。
根据ABCD矩阵的级联性质，可采用矩阵相乘的方法研究级联网络，用于多个透镜实现聚焦功能。
ABCD矩阵法计算简便，适于求解网络和级联系统。
但其没有考虑厚透镜对电磁波相位的影响、场强分布和有限口径透镜对高斯波束的截断，因此在高频段应用误差较大，该方法更适用于薄透镜系统。
高斯波束在垂直于传播方向的平面内呈现正态分布特性，因此，有限口径的聚焦天线必然会对高斯波束产生截断，当截断电平不同时，通过聚焦天线的能量也存在差异。
聚焦天线
的半径越大，则绕射过聚焦天线的电磁波越少，系统所能获得的焦斑尺寸越小，高斯波束法的精度越高；然而，聚焦元件口径过大，会增大系统体积和重量，使系统变得笨重，并提高成本。
高斯波束在聚焦天线边缘的功率与光轴上功率之比可定义为聚焦元件对高斯波束的截断电平表示为：T E （dB ）= -20 Log(exp(-D 2/(4*ω2))) 。
为兼顾实用性与准确性，可采用截断电平位于-10dB~-20dB 之间。
2.2 准光设计思路
本文基于的设计出发点有：希望获得空间分辨率；成像距离（物距）；成像范围（H 、V 方向视域宽度）等因素。
设计思路大体可分为以下五个步骤：
1、根据系统成像距离和成像范围确定焦平面上馈源最大偏角角度。
2、根据空间分辨率大小和截断效应确定透镜尺寸。
3、根据F 数确定像距等像方聚焦特性。
4、根据聚焦特性（如增益、波束宽度）对馈源天线提出要求。
5、确定透镜的焦距（波前曲率半径）。
图1 双曲透镜原理示意图 图2 双面透镜示意图
基于光轴上光程差为零，透镜的形状要使得出射的场在垂直于轴的平面上处处同相，由等光程原理得出透镜表面轮廓为双曲面。
双面透镜使得入射球面波1变换为球面波2，如图1所示，根据需要对两个半透镜轮廓线分别设计以获得良好的波束控制效果。
340GHz 透镜天线的各物理性能及尺寸如表1所示：
表 1 透镜天线物理性能统计表
聚焦透镜材料使用聚四氟乙烯，使用双面折射透镜，其照明面及阴暗面方程如下所示： 照明面双曲线方程： (x:69.31)2
2568.793−y 22832.095=1 （x≤0）
阴暗面双曲线方程： (1010.219;x)21018306.7−y 21122683.136=1 （x ＞0） 馈源天线根据系统要求单独设计，考虑边缘照射电平-10dB~-15dB 。
3 结果分析
使用FEKO 仿真软件对设计进行验证，为节约仿真资源，馈源使用近场等效源替代，主透镜使用GO 算法对其进行仿真，建立模型如图1所示：
图 1 透镜天线模型示意图 图 2 透镜天线远场方向图
由仿真结果可知，透镜天线增益可达44.5dB,水平维和俯仰维的3dB 波束宽度均在0.5°左右，其副瓣电平在-35dB 以下，副瓣电平较低，满足设计要求。
4 结论
本文通过使用Altair 公司的电磁仿真软件FEKO 对太赫兹焦平面聚焦元件进行了设计并验证其电性能。
聚焦元件的引入使成像系统的整体特性有了进一步提升，能够满足成像所需的角分辨率。
5 参考文献
[1] 许景周,张希成.太赫兹科学技术和应用[M].北京:北京大学出版社,2007.
[2] 窦文斌.毫米波准光理论与技术[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3] 林昌禄.天线工程手册.电子工业出版社, 2006: 1068~1072
[4]约翰·克劳斯.天线.章文勋.第三版.电子工业出版社, 2006: 15~18
[5] 邓小丹.潘君骅.窦文斌. 毫米波焦面阵成像视场扩大分析. 电子学报.2003, 31(12A): 2012~2014。