一种基于介质分束与极化扭转光栅的太赫兹准光和差网络

1.本发明属于准光单脉冲天线技术领域，具体涉及一种具有低损耗、承受功率大、易加工的介质分束太赫兹准光和差网络。


背景技术：

2.单脉冲雷达技术作为一种精密角度测量技术，其利用特殊的和差网络实现和差波束，理论上能在单个雷达脉冲内达成波束控制指向与跟踪的目的，是目前雷达跟踪体制最为普遍的方式。和差网络作为单脉冲雷达技术的核心，其性能的优劣往往决定了单脉冲天线的性能。在微波、毫米波频段，基于波导、微带线、基片集成波导等形式的单脉冲和差网络研究成果颇多，而这些传输线在太赫兹频段势必面临损耗大、加工难等问题。准光技术是在超高频、大功率系统中常用的一种导波技术，准光高斯波束在空间聚束传播的方式，天然具有低传输损耗的特性，这为太赫兹频段的和差网络提供了一种解决思路。
3.采用准光技术的准光和差网络实现两个维面对目标进行定位跟踪时，需要解决单极化高斯波束经过前级和差比较器到达后级和差比较器之前极化方向90
°
扭转的问题，这意味着准光和差网络中3db分束器需要实现对两个极化方向准光高斯波束实现分束效果。目前，利用双极化3db分束器与光栅3db分束器完成的准光和差网络已经得到了初步的验证。双极化3db分束器利用石英加双面栅条来实现两个极化方向的分束，但是其难以实现在两个极化方向宽带宽分束效果，且其分束效果受加工误差影响较大；光栅3db分束器由一系列周期排列的金属丝构成，通过选择合适光栅直径与光栅周期能实现单极化分束效果，且通过改变光栅排列的方向可控制任意极化入射，其缺点是光栅加工精度难以保证。因此，急需一种更加优良的设计方案解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于极化扭转光栅的太赫兹准光和差网络，具有损耗小、承受功率大、易加工且能控制波束极化方向的优点，同时也能解决单极化准光高斯波束经过前级和差比较器到达后级和差比较器之前极化方向变化的问题，有效改善了和差网络的和差辐射特性。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于极化扭转光栅的太赫兹准光和差网络，包括：和输入端口d1、方位差端口d2、俯仰差端口d3、匹配端口d4、平面镜j1.1、平面镜j1.2、平面镜j2.1、平面镜j2.2、平面镜j3、平面镜j4、介质分束器s1、介质分束器s2、介质分束器s3、极化扭转光栅n1、极化扭转光栅n2；
7.其中，所述平面镜j1.1、平面镜j1.2、平面镜j2.1、平面镜j2.2、平面镜j3、平面镜j4均为平面反射镜，用于控制波束的传播方向；
8.所述介质分束器s1、介质分束器s2、介质分束器s3用于将垂直极化波束等分为幅值相等的透射波束和反射波束，且透射波束相位＝反射波束相位 90
°
；
9.所述极化扭转光栅n1、极化扭转光栅n2用于控制波束的传播方向并改变高斯波束的极化方向；
10.当垂直极化高斯波束a从和端口d1入射，通过平面镜j1.1反射后到达分束器s1，被等分为反射波束a1和透射波束a2，此时反射波束a1与透射波束a2极化方向均为垂直极化；反射波束a1经过极化扭转光栅n2反射后，其极化方向变为水平极化，通过平面镜j1.2和平面镜j2.1反射后，其极化方向又变为垂直极化，到达介质分束器s3被等分为反射波束a
11
和透射波束a
12
；反射波束a
11
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2两次反射后输出；透射波束a
12
经过平面镜j3反射后输出；透射波束a2经过极化扭转光栅n1反射后，其极化方向变为水平极化，通过平面镜j2.1反射后，其极化方向又变为垂直极化，再通过介质分束器s2被等分为反射波束a
21
和透射波束a
22
；反射波束a
21
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2反射后输出；透射波束a
22
经过平面镜j3反射后输出；最终得到四个等幅同向的波束，实现和差网络的和效果。
11.当垂直极化高斯波束b从方位差端口d2入射，到达分束器s1，被等分为反射波束b1和透射波束b2，此时反射波束b1与透射波束b2极化方向均为垂直极化；反射波束b1经过极化扭转光栅n1反射后，其极化方向变为水平极化，通过平面镜j2.1反射后，其极化方向又变为垂直极化，再通过介质分束器s2被等分为反射波束b
11
和透射波束b
12
；反射波束b
11
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2两次反射后输出；透射波束b
12
经过平面镜j3反射后输出；透射波束b2经过极化扭转光栅n2反射后，其极化方向变为水平极化，通过平面镜j1.2和平面镜j2.1反射后，其极化方向又变为垂直极化，到达介质分束器s2被等分为反射波束b
21
和透射波束b
22
；反射波束b
21
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2反射后输出；透射波束a
22
经过平面镜j3反射后输出；最终得到四个等幅且方位面相位相差180
°
的波束，实现和差网络在方位面上的差效果。
12.当垂直极化高斯波束c从俯仰差端口d3入射，经过平面镜j1.1反射后，到达分束器s1，被等分为反射波束c1和透射波束c2，此时反射波束c1与透射波束c2极化方向均为垂直极化；反射波束c1经过极化扭转光栅n2反射后，其极化方向变为水平极化，相对于入射介质分束器s2的入射面为垂直极化，通过介质分束器s2被等分为反射波束c
11
和透射波束c
12
；反射波束c
11
经过平面镜j3反射后输出；透射波束c
12
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2两次反射后输出；透射波束c2经过极化扭转光栅n1反射后，其极化方向变为垂直极化，到达介质分束器s3被等分为反射波束c
21
和透射波束c
22
；反射波束c
21
经过平面镜j3反射后输出；透射波束c
22
依次经过平面镜j4、平面镜j2.2反射后输出；最终得到四个等幅且俯仰面相位相差180
°
的波束，实现和差网络在俯仰面上的差效果。
13.进一步地，所述平面镜j1.1、分束器s1、极化扭转光栅n1依次放置且相互平行，与输入端口呈45
°
夹角；所述平面镜j1.2与极化扭转n2平行放置；所述平面镜j2.1、介质分束器s2、介质分束器s3、平面镜j3相互平行，且介质分束器s2、介质分束器s3并排放置于平面镜j2.1与平面镜j3之间；所述平面镜j2.2、平面镜j4平行放置；所述平面镜j1.1与平面镜j1.2之间的夹角、介质分束器s1与极化扭转光栅n2之间的夹角、平面镜j2.1与平面镜j2.2之间的夹角、介质分束器s2与平面镜j4之间的夹角、介质分束器s3与平面镜j4之间的夹角均为90
°
。
14.进一步地，波束在准光和差网络中的反射均为90
°
反射。
15.进一步地，所述极化扭转光栅n1由若干金属圆柱周期性排列组成。
16.进一步地，所述介质分束器的材料为石英，其厚度d满足条件：其中λ0为工作波长，εr为介质的介电常数，θi为入射角度。
17.进一步地，所述平面镜j1.1与介质分束器s1、介质分束器s1与极化扭转光栅n2、极化扭转光栅n2与平面镜j1.2、平面镜j2.1与介质分束器s2/s3、介质分束器s2/s3与平面镜面j4、平面镜面j4与平面镜j2.2的间距均为h；介质分束器s1与极化扭转光栅n1、介质分束器s2/s3与平面镜j3的间距为l＝h-λ0/4。
18.为了实现准光和差网络的和效果，当波束a从和输入端口d1入射并经过分束器时，波束分为透射波束a2和反射波束a1，此时透射波束a2与反射波束a1的幅值相等，透射波束a2相位＝反射波束a1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束a2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束a1与透射波束a2相位会相等，幅值也相等，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束a1与透射波束a2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅同向，因此最后辐射出四个等幅同向的波束。
19.为了实现准光和差网络的方位差效果，当波束b从方位差输入端口d2入射并经过分束器时，波束分为透射波束b2和反射波束b1，此时透射波束b2与反射波束b1的幅值相等，透射波束b2相位＝反射波束b1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束b2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束b1与透射波束b2幅值相等，相位相差180
°
，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束b1与透射波束b2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅同向的波束，因此最后辐射出四个幅值相等、方位面上相位相差180
°
的波束。
20.为了实现准光和差网络的俯仰差效果，当波束c从俯仰差输入端口d3入射并经过分束器时，波束分为透射波束c2和反射波束c1，此时透射波束c2与反射波束c1的幅值相等，透射波束c2相位＝反射波束c1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束c2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束c1与透射波束c2相位会相等，幅值也相等，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束c1与透射波束c2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅、相位相差180
°
的波束，因此最后辐射出四个幅值相等、俯仰面相差180
°
的波束。
21.本发明方案采用两个极化扭转光栅替换原来准光和差网络的平面镜，解决了单极化准光高斯波束经过前级和差比较器到达后级和差比较器之前极化方向变化的问题；另外，本发明方案还解决了目前双极化3db分束器难以实现在两个极化方向宽带宽分束的问题，也解决了双极化3db分束器与光栅3db分束器加工精度高的难题。
附图说明
22.图1为基于极化扭转光栅的太赫兹准光和差网络结构示意图。
23.图2为和端口入射的高斯波束在准光和差网络中的传播路径示意图，其中图(a)为实际传播路径图，图(b)为传播路径示意图。
24.图3为方位差端口入射的高斯波束在准光和差网络中的传播路径示意图。
25.图4为俯仰差端口入射的高斯波束在准光和差网络中的传播路径示意图。
26.图5为极化扭转光栅的结构示意图。
27.附图标号说明：1.和输入端口d1，2.方位差端口d2，3.俯仰差端口d3，4.匹配端口d4，5.平面镜j1.1，6.平面镜j1.2，7.平面镜j2.1，8.平面镜j2.2，9.平面镜j3，10.平面镜j4，11.介质分束器s1，12.介质分束器s2，13.介质分束器s3，14.极化扭转光栅n1，15.极化扭转光栅n2。
具体实施方式
28.下面通过实施例结合附图进一步阐述本发明的技术方案。
29.图1是基于极化扭转光栅的太赫兹准光和差网络结构示意图，如图1所示，该准光和差网络包括：和输入端口d1、方位差端口d2、俯仰差端口d3、匹配端口d4、平面镜j1.1、平面镜j1.2、平面镜j2.1、平面镜j2.2、平面镜j3、平面镜j4、介质分束器s1、介质分束器s2、介质分束器s3、极化扭转光栅n1和极化扭转光栅n2。其中，平面镜j1.1、平面镜j1.2、平面镜j2.1、平面镜j2.2、平面镜j3、平面镜j4均为平面反射镜；介质分束器材料为石英，其介电常数为3.78，厚度为0.15mm；极化扭转光栅的结构如图5所示，由金属圆柱周期性排列组成，金属圆柱的直径a为0.2mm，光栅间隔g为0.275mm；准光和差网络的工作频率为340ghz。
30.入射的高斯波束由高斯馈源喇叭产生，其工作频率为340ghz，高斯波束束腰半径为4.5mm。
31.平面镜j1.1、分束器s1、极化扭转光栅n1依次放置且相互平行，与输入端口呈45
°
夹角；所述平面镜j1.2与极化扭转n2平行放置；平面镜j2.1、介质分束器s2、介质分束器s3、平面镜j3相互平行，且介质分束器s2、介质分束器s3并排放置于平面镜j2.1与平面镜j3之间；所述平面镜j2.2、平面镜j4平行放置；平面镜j1.1与平面镜j1.2之间的夹角、介质分束器s1与极化扭转光栅n2之间的夹角、平面镜j2.1与平面镜j2.2之间的夹角、介质分束器s2与平面镜j4之间的夹角、介质分束器s3与平面镜j4之间的夹角均为90
°
。
32.平面镜j1.1与介质分束器s1、介质分束器s1与极化扭转光栅n2、极化扭转光栅n2与平面镜j1.2、平面镜j2.1与介质分束器s2/s3、介质分束器s2/s3与平面镜面j4、平面镜面j4与平面镜j2.2的间距h均为25mm；介质分束器s1与极化扭转光栅n1、介质分束器s2/s3与平面镜j3的间距l为24.78mm，即相对于前者减少了λ0/4。
33.为了实现准光和差网络的和效果，当波束a从和输入端口d1入射并经过分束器时，波束分为透射波束a2和反射波束a1，此时透射波束a2与反射波束a1的幅值相等，透射波束a2相位＝反射波束a1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束a2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束a1与透射波束a2相位会相等，幅值也相等，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束a1与透射波束a2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅同向，因此最后辐射出四个等幅同向的波束。
34.为了实现准光和差网络的方位差效果，当波束b从方位差输入端口d2入射并经过分束器时，波束分为透射波束b2和反射波束b1，此时透射波束b2与反射波束b1的幅值相等，透射波束b2相位＝反射波束b1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化
扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束b2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束b1与透射波束b2幅值相等，相位相差180
°
，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束b1与透射波束b2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅同向的波束，因此最后辐射出四个幅值相等、方位面上相位相差180
°
的波束。
35.为了实现准光和差网络的俯仰差效果，当波束c从俯仰差输入端口d3入射并经过分束器时，波束分为透射波束c2和反射波束c1，此时透射波束c2与反射波束c1的幅值相等，透射波束c2相位＝反射波束c1相位 90
°
。由于平面镜j1.1与分束器s1之间的间距为h，极化扭转光栅n1与分束器s1的距离l为l＝h-λ0/4，即透射波束c2在第二输出端口相位会超前90
°
，此时在经过后级准光和差比较器之前，反射波束c1与透射波束c2相位会相等，幅值也相等，同理，该两个波束经过后级和差比较器后，反射波束c1与透射波束c2分别经过分束器s2、s3也将被功分为两个等幅、相位相差180
°
的波束，因此最后辐射出四个幅值相等、俯仰面相差180
°
的波束。
36.本发明方案采用两个极化扭转光栅替换原来准光和差网络的平面镜，解决单极化准光高斯波束经过前级和差比较器到达后级和差比较器之前极化方向变化的问题；另外，本发明方案解决目前双极化3db分束器难以实现在两个极化方向宽带宽分束的问题，也解决了双极化3db分束器与光栅3db分束器加工精度高的难题。