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

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 به کار رفته است. سپس یک هورن هرمی بهینه با بهره 18.9 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.

Design and Simulation of a Refractive QuasiOptical System for Millimetre Wave Imaging

In this paper, a quasioptical millimeter wave imaging antenna at central frequency of 94 GHz in Wband 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 quasioptical system, including the lens and the horn antenna for imaging with considered requirements, is accurate, simple and efficient.