طراحی و شبیه‏ سازی سامانه شبه‏ اپتیک عبوری جهت تصویربردار موج میلی‏متری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا- مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر- لویزان- تهران

2 دانشکده الکترونیک- دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر- لویزان- تهران- ایران

چکیده

در این مقاله یک آنتن شبه‏اپتیک تصویربردار موج میلی‏متری در فرکانس مرکزی 94 گیگاهرتز در باند W طراحی‌شده است. سامانه تصویربردار طراحی‌شده جهت تشخیص اشیای فلزی در فاصله 5 متری به تفکیک‏پذیری کمتر از 30 میلی‏متر نیاز دارد. این سامانه غیرفعال شامل ترکیبی از یک عدسی دی‏الکتریک (اپتیک اولیه) جهت کانونی کردن تابش و یک هورن هرمی (اپتیک ثانویه) با دیواره‏های فلزی بازشونده برای هدایت و تزویج مناسب تابش کانونی‌شده، به آشکارساز است. پارامترهای کلی این سامانه با استفاده از روش اپتیک هندسی محاسبه ‌شده است. در ادامه ترکیبی از روش باریکه گاوسی و ماتریس انتقال پرتو ABCD برای تجزیه‌وتحلیل آنتن عدسی جهت یافتن محل و اندازه هورن تغذیه استفاده شده است. از نرم‏افزار قدرتمند طراحی اپتیکی ZEMAX برای طراحی عدسی و تصدیق نتایج طراحی بر اساس ردیابی پرتو استفاده‏ شده است. در طراحی و شبیه‏سازی عدسی دی‏الکتریک، ماده پلی‏اتیلن بسیار چگال (HDPE) با قطر دهانه 650 میلی‏متر به­کار رفته است. سپس یک هورن هرمی بهینه با بهره 9/18 دسی‏بل در فرکانس مرکزی 94 گیگاهرتز طراحی ‏شده است. شبیه‏سازی هورن و بررسی نتایج آن با استفاده از نرم‏افزارهای تجاری FEKO و CST انجام شد. نتایج شبیه‏سازی آنتن‏ هورن هرمی نشان می‏دهد که ترکیب آن با عدسی دی‏الکتریک مناسب است و روش تلفیقی (اپتیک هندسی، باریکه گاوسی و ماتریس ABCD) برای طراحی سامانه شبه‏اپتیک شامل عدسی و هورن برای تصویربرداری با الزامات موردنظر دقیق، ساده و کارآمد است.

کلیدواژه‌ها


[1]      Zhou, J.; Chen, Q.; Zhang, Y.; Fan, Y.; Da Xu, K. “Aspheric Dielectric Lens Antenna for Millimeter-wave Imaging System”; Asia PACIF. Microwave 2015, 1-3.##
[2]      Sheen, D. M.; McMakin, D. L.; Hall, T. E. “Three-Dimensional Millimeter-Wave Imaging for Concealed Weapon Detection”; IEEE Trans. Microwave Theory 2001, 49, 1581-1592.##
[3]      Duric, A.; Magun, A. “Antenna Design for an Imaging Radiometer at 94GHz”; Proc. Int. ITG Conf. Antennas 2003, 257-260.##
[4]      Taylor, C. T. “Enhancement of Imagery From Passive Millimetre-wave Systems for Security Scanning”; Ph.D. Thesis, The University of Manchester, Manchester, 2015.##
[5]      Chen, Q.; Fan, Y.; Zhou, J.; Song, K. “Design of Quasi-Optical Lens Antenna for W-Band Short Range Passive Millimeter-Wave Imaging”; J. Comput. Com. 2015, 3, 93-99.##
[6]      Kim, W. G.; Moon, N. W.; Singh, M. K.; Kim, H. K.; Kim, Y. H. “Characteristic Analysis of Aspheric Quasi-optical Lens Antenna in Millimeter-wave Radiometer Imaging System”; Appl. Optics 2013, 52, 1122-1131.##
[7]      Wiltse, J. C. “History of Millimeter and Submillimeter Waves”; IEEE Trans. Microw. Theory 1984, 32, 1118-1127.##
[8]      Ditchfield, C.; England, T. “Passive Detection at Q Band”; RRE. Memo. 1955, 1124.##
[9]      Appleby, R.; Anderton, R. N. “Millimeter-Wave and Submillimeter-wave Imaging for Security and Surveillance”; Proc. IEEE, 2007, 95, 1683-1690.##
[10]   Lettington, A.; Alexander, N.; Dunn, D. “A New Opto-mechanical Scanner for Millimeter and Sub-millimeter Wave Imaging”; Proc. Soc. Photo-Opt INS. 2005, 5789, 16-24.##
[11]   Gao, X.; Li, C.; Gu, S.; Fang, G. “Design, Analysis and Measurement of a Millimeter Wave Antenna Suitable for Stand Off Imaging at Checkpoints”; J. Infrared. Millim. TE. 2011, 32, 1314-1327.##
[12]   Meng, Y.; Qing, A.; Lin, C.; Zang, J.;  Zhao, Y.; Zhang, C. “Passive Millimeter Wave Imaging System Based on Helical Scanning”; SCI. REP-UK. 2018, 8.##
[13]   Yeom, S.; Lee, D. S.; Son, J. Y.; Jung, M. K.; Jang, Y.; Jung, S.-W. “Real-time Outdoor Concealed-Object Detection with Passive Millimeter Wave Imaging”; Opt. Express 2011, 19, 2530-2536.##
[14]   Jinghui, Q.; Zhong, Z.; Kai, L.; Gaofei, L.; Fei, X. “Design and Measurement of Quasi-optics for Millimeter Wave Imaging System”; IEEE Int. Workshop Imaging Systems and Techniques 2009, 132-135.##
[15]   Li, C.-M.; Huang, C.-Y.; Chang, L.-Y.; Yu, Y.-C.; Nien, C.-C.; Tarng, J.-H. “Development of a Compact Total Power Passive Millimeter-Wave Imaging System”; IEEE Int. Symp. Rf. 2011, 153-156.##
[16]   Bevan, M. “Electromagnetic Analysis of Horn Antennas in the Terahertz Region”; Thesis, National University of Ireland Maynooth, 2013.##
[17]   Goldsmith, P. F. “Quasioptical Systems”; Chapman & Hall, 1998.##
[18]   Jing-Hui, Q.; Nan-Nan, W.; Yi-Chi, Z.; Cai-Tian, Y.; Wei-Bo, D. “Research on Quasi-optics and Feed Antenna for Millimeter Wave Imaging System”; Proc. 9th Int. Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory 2010, 45-48.##
[19]   Milligan, T. A. “Modern Antenna Design”; Wiley Online Library, 2005.##
[20]   Fischer, R. E.; Tadic-Galeb, B.; Yoder, P. R.; Galeb, R.; Kress, B. C.; McClain, S. C. “Optical System Design”; Citeseer, 2000.##
[21]   Chen, Q.; Fan, Y.; Song, K. “Optimized Design of W-Band Quasi-Optical Lens by Using Optical Simulator and Numerical Analysis”; Prog. Elect. Res. 2016, 46, 173-181.##
[22]   Moffa, P.; Yujiri, L.; Agravante, H. H.; De Amici, G.; Dixon, D.; Fornaca, S. W. “Large-aperture Passive Millimeter-wave Pushbroom Camera”; PROC. Soc. Photo-Opt. Ins. 2001, 4373, 1-7.##
[23]   Malakzadeh, A.; Kamjoo, M. J.;  Zare Kalate, S. R.  “Simulation of Kerr Lens Behavior in a Ti:Sapphire Oscillator with Symmetric and Asymmetric Resenator”; Adv. Defence Sci. Technol. 2016, 6, 59-70.##
[24]   Goldsmith, P. F. “Quasi-optical Techniques”; Proc. IEEE 1992, 80, 1729-1747.##
[25]   O'Sullivan C. M.; Murphy, J. A. “Field Guide to Terahertz Sources, Detectors, and Optics”; SPIE Press Book, 2012.##
[26]   Alireza, K.; Martin, H. C.; Robert, D.; Mohammed, S.; Thomas, K. O.; Thorsten, S. “The Horn Antenna as Gaussian Source in the MM-Wave Domain”; J. Infrared Millim. TE. 2014, 35, 720–731.##
[27]   Wade, P. “Multiple Reflector Dish Antennas”; ed, 2004.##
[28]   Svedin, J.; Huss, L. G. “A 94 GHz Imaging Radar System”; Swedish Defence Research Agency, Sensor Technology, Technical Report, FOI-R-1191-SE, 2004.##
[29]   Tran, H. P.; Gumbmann, F.; Weinzierl, J.; Schmidt, L. P. “A Fast Scanning W-Band System for Advanced Millimetre-wave Short Range Imaging Applications”; EUROP. Radar Conf. 2006, 146-149.##
[30]   Raymond, C.; Ronca, S. “Relation of Structure to Electrical and Optical Properties”; Brydson's Plastics Materials, ed: Elsevier, 2017, 103-125.##
[31]   Lamb, J. W. “Miscellaneous Data on Materials for Millimetre and Submillimetre Optics”; J. Infrared Millim. TE. 1996, 17, 1997-2034.##
[32]   Barik, B. R.; Kalirasu, A. “Design of a UHF Pyramidal Horn Antenna Using CST”; J. Pure Appl. 2017, 114, 447-457.##