طراحي و شبيه سازي سامانه شبه اپتيك عبوري جهت تصويربردار موج ميليمتري

در اين مقاله يك آنتن شبهاپتيك تصويربردار موج ميليمتري در فركانس مركزي 94 گيگاهرتز در باند W طراحي‌شده است. سامانه تصويربردار طراحي‌شده جهت تشخيص اشياي فلزي در فاصله 5 متري به تفكيكپذيري كمتر از 30 ميليمتر نياز دارد. اين سامانه غيرفعال شامل تركيبي از يك عدسي ديالكتريك (اپتيك اوليه) جهت كانوني كردن تابش و يك هورن هرمي (اپتيك ثانويه) با ديوارههاي فلزي بازشونده براي هدايت و تزويج مناسب تابش كانوني‌شده، به آشكارساز است. پارامترهاي كلي اين سامانه با استفاده از روش اپتيك هندسي محاسبه ‌شده است. در ادامه تركيبي از روش باريكه گاوسي و ماتريس انتقال پرتو ABCD براي تجزيه‌وتحليل آنتن عدسي جهت يافتن محل و اندازه هورن تغذيه استفاده شده است. از نرمافزار قدرتمند طراحي اپتيكي ZEMAX براي طراحي عدسي و تصديق نتايج طراحي بر اساس رديابي پرتو استفاده شده است. در طراحي و شبيهسازي عدسي ديالكتريك، ماده پلياتيلن بسيار چگال (HDPE) با قطر دهانه 650 ميليمتر به­كار رفته است. سپس يك هورن هرمي بهينه با بهره 9/18 دسيبل در فركانس مركزي 94 گيگاهرتز طراحي شده است. شبيهسازي هورن و بررسي نتايج آن با استفاده از نرمافزارهاي تجاري FEKO و CST انجام شد. نتايج شبيهسازي آنتن هورن هرمي نشان ميدهد كه تركيب آن با عدسي ديالكتريك مناسب است و روش تلفيقي (اپتيك هندسي، باريكه گاوسي و ماتريس ABCD) براي طراحي سامانه شبهاپتيك شامل عدسي و هورن براي تصويربرداري با الزامات موردنظر دقيق، ساده و كارآمد است.

In this paper, a quasi-optical millimeter wave imaging antenna at central frequency of 94 GHz in W-band is designed. The designed imaging system requires resolution less than 30 mm at distance of 5 meters to recognize metal objects. This passive system consists of a combination of a dielectric lens (primary optics) to focus the radiation and a pyramidal horn (secondary optics) with open metal walls to properly direct and couple the focal radiation to the detector. The general parameters of this system are calculated using the geometrical optics method. Then the combination of Gaussian beam method and ABCD ray transfer matrix is used to analyze the lens antenna to find the location and size of the feeding horn. The powerful optical design software ZEMAX was used to design the lens and to verify the design results based on ray tracing. The designed dielectric lens is made of High Density Polyethylene (HDPE) with a diameter of 650 mm. Then, an optimized pyramidal horn with gain of 18.9 dB at center frequency of 94 GHz is designed. The simulation of the horn and investigation of its results performed using the FEKO and CST commercial softwares. The simulation results of the pyramid horn antenna indicate that its combination with dielectric lens is appropriate and the hybrid method (geometrical optics, Gaussian beam and ABCD matrix) to design the quasi-optical system, including the lens and the horn antenna for imaging with considered requirements, is accurate, simple and efficient.