面向爆炸物探测的太赫兹雷达天线研究

This project focuses on terahertz radar antennas for explosives detection. The key scientific problem is the propagation properties of terahertz antenna feed. Based on explosives detection and transmission characteristics of terahertz waves, the shape, aperture size and placement of the reflector will be studied first. Then a terahertz radar with dual feeds as well as dual reflectors will be designed and optimized. Last, via a great number of simulations and experiments, a terahertz radar antenna system will be build. The key technical issue is to design the dual feeds and reflectors as well as their relative locations. The innovative points of this project is: (1) A terahertz transceiver which can either emit or receive terahertz signals will be realized so that some reflecting components in conventional terahertz radar can be left out. (2) A combination a main reflector and a sub-reflector reduces the radiation loss and achieves directional radiation. This project makes a pioneering exploration not only for the propagation properties of terahertz sources, but also for the combination and optimization of dual feeds and reflectors for terahertz radars. This project is also an extension of an important national defense program as well as a 973 program.

项目围绕面向爆炸物识别的太赫兹雷达天线研究，拟解决的关键科学问题是太赫兹馈源的辐射特性。研究基于爆炸物识别和太赫兹波的传输特性出发，首先研制馈源反射面的形状、口径和位置等；然后提出并研制基于双反射面和双馈源的太赫兹雷达性能优化设计；最后基于太赫兹功率和双馈源双反射面，通过大量数值仿真和测试实验，形成基于爆炸物识别的太赫兹雷达天线。基于太赫兹波传播特性的双馈源组件和位置设计是项目的关键技术。项目创新之处在于：（1）通过研制发射和接收的双馈源模式，实现太赫兹波发射和接收的一体化，省掉了常规太赫兹探测系统中的反射装置；（2）采用主反射面和次反射面的组合设计，不但减少太赫兹波的辐射损失，而且实现太赫兹波的定向辐射。项目基于爆炸物识别，不但在太赫兹馈源辐射特性方面，而且在太赫兹频段双馈源和双反射器等组合优化方面，为太赫兹雷达天线研究提供了前期探索。项目是973计划和重大国防研究计划的延续。

太赫兹波具有高时间分辨率和高空间分辨率，在目前辐射功率低的条件下，太赫兹雷达是一种巧妙的原创性技术选择，也是未来必然的技术趋势。为了推动太赫兹雷达技术研究进程，项目选择以爆炸物为探测目标，以太赫兹雷达天线为研究对象，开展了系列的科学问题、技术问题和工程问题的探索性研究。主要研究内容及成果包括：（1）研究了变张角双模喇叭天线结构，其工作中心频率670GHz，带宽40GHz，最大增益约为12.13dB，副瓣电平值约为-28dB，后瓣电平值约为-25 dB；在频带内驻波比<1.15。研究了Potter双模喇叭天线结构，天线增益达到15.40 dB；在最大辐射方向上，轴比为0.03 dB，副瓣电平19.8 dB；天线在主极化方向上，E面和H面方向图基本重合，表明具有较好的对称性能和主极化性能。两个天线均具有良好的辐射特性，适用于反射面天线馈源。（2）研究了太赫兹频段的双馈源双反射面天线结构，实现了量子级联激光器（2.5-5THz）和固态倍频链（670GHz）的融合使用，拓展了太赫兹雷达体制设计思想。（3）研究了波导激励的太赫兹微带天线，提升了天线的增益和方向性，并拓展到了阵列形式；阵列天线采用耦合狭缝间隔激励微带天线阵列，增益能达到17dB以上。成果较为全面而清晰地梳理了太赫兹雷达天线的技术路径，为进一步研究提供了思想方法和坚实基础，为太赫兹雷达天线的升级研究提供了探索性和奠基性借鉴。.项目资助发表SCI期刊论文10篇，会议EI论文2篇，授权中国专利15项，部分成果获第46届日内瓦国际发明展金奖。项目资助培养博士后7人、博士生7人和访问学者3人。成果已获产业单位高度关注，正推动在国防和民用安检领域的推广应用。不足之处在于，一是将加大项目研制的多型天线在太赫兹频段的实证修正；二是未来将改正论文发表时严格标注项目资助号。