[实用新型]模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种可用于毫米波实时成像系统的模块化、低成本二维电扫描天线系统。

背景技术

毫米波成像具有可见光、红外和微波成像所不具备的独一无二的特点，与可见光和红外线相比，毫米波能够以很小的衰减穿透烟雾、尘埃和纺织物，这使得毫米波成像具备全天候导航以及探测藏匿于衣物之下的危险品的能力，微波也能够甚至更好地穿透烟雾、尘埃和纺织物，但是与同等分辨率的毫米波成像系统相比，微波成像系统的重量过重、体积过大。毫米波成像技术在舰船和飞机的导航、战场监视、人身安检以及太空飞行器的着陆方面都具有广泛的应用前景，目前甚至已有非常迫切的应用需求。

为了应对日益紧迫的安检、导航和军事需求，许多国家对毫米波成像技术展开了广泛研究，但是目前毫米波成像技术还远没有到成熟阶段(尤其是国内)，各种各样的毫米波成像系统并存，从成像体制分可以分为凝视焦面阵成像、机械扫描成像、电气扫描成像等几种方式。凝视焦面阵类似于家用数码相机的CCD，在这种系统中需要有与焦面阵元数相等的多个接收机，由于毫米波器件的成本较高，整个焦面阵成像系统的造价相当昂贵。为了降低接收机的数目，可以对成像器件的焦平面扫描，也可以对远场进行波束扫描，然后依次记录各个像素点并在计算机中合成图像，扫描方式可以是机械式的也可以是电气式的，从而产生了各种各样的扫描成像系统。机械扫描成像通过机械装置驱动单馈源或馈源线阵在成像器件的焦平面扫描，或者驱动整副天线对远场进行扫描，这种扫描方式的主要缺点是难以实现实时成像，并且机械扫描装置的存在降低了系统的便携性。电扫描成像方式能实现实时成像，但是目前报道的系统都需要复杂的馈电网络和控制系统，这不仅降低了系统的稳定性，而且整个系统的成本非常高。总之，从现存的各种毫米波成像系统来看，在当前的元器件水平下只有采用扫描成像方式才能大幅降低接收机的数量，有效控制成本，而要实现实时成像，扫描方式必须是电扫描。但是，以相控阵为代表的电扫描系统存在着系统复杂、集成度低、便携性差以及造价昂贵的缺点。微波科研工作者们一直都在寻找简单、便宜的电扫描天线系统，多年的研究探索表明，基于传统的半导体管或铁氧体移相器的相控系统很难在控制成本和降低系统复杂度方面有质的突破，必须开发基于新材料、新概念的电扫描天线系统才能根本性地降低系统总体造价和提高便携性。

在电路印刷板(Printed Circuit Board-PCB)上制作一层铁电体薄膜(主要是钛酸锶钡Ba_xSr_1-xTiO₃-BST薄膜)，然后在薄膜上制作电路来构成的移相器是一种薄膜结构器件，这种移相器可以直接与其它电路集成到同一基板上，能够显著提高系统的集成度并降低成本。铁电体薄膜移相器主要有图1所示的耦合微带线结构和图2所示的共面波导结构以及在这两种基本结构基础上的某些改进，如基于共面波导的滤波结构。在耦合微带结构的两根微带(Microstrip-MS)之间接上直流电压，或在共面波导的信号线(Signal Line-SL)和接地线(Ground Line-GL)之间接直流电压，改变电压的值可以控制相移量的大小。

利用Rotman透镜也可以实现波束的电扫描，系统的复杂程度与成本也很低，而且这种透镜可以制作在PCB基板上(简称PCB Rotman透镜)，有利于系统的集成化，图3是一个与天线阵(Antenna Array-AA)连接在一起的Rotman透镜的示意图，选通波束端口(Beam Port-BP)1，2，3...6中的一个端口，可以产生一个指向与该端口对应的波束，图中所示为选择波束端口1，产生的扫描波束的指向与端口1的对应方向相同。Rotman透镜的作用等同于移相器，从某个波束端口馈电，电磁波到达阵列端口(Array Port-AP)处的天线阵时，在各个天线处产生线性的相位梯度，从而产生某个指向的波束，从不同波束端口发出的电磁波到达阵列端口处的天线阵所产生的相位梯度不同，产生的波束的指向也不同，达到覆盖一定空间范围的目的。