一种凸镜太赫兹天线设计方法和装置

1.本发明涉及天线设计，尤其是涉及一种凸镜太赫兹天线设计方法和装置。


背景技术：

2.随着互联网产业的推动和演进，传统的通信低频段已逐渐无法满足数据爆炸式增长的需求，载波频率向高频段扩展已成为必然趋势。太赫兹波段的高载频和大可用带宽，其频率范围为0.3太赫兹至10太赫兹，可以有效扩展通信系统的信道容量。因此，它将在未来的无线通信中发挥重要作用。然而，在保持高数据速率的同时增加传输距离仍然是技术挑战。一方面，通过提高频谱效率来提高传输速率是一种有效的方法。另一方面，可以使用大气衰减相对较低的频率窗口，以减少传播中太赫兹信号的损失。使用太赫兹放大器的达到增加传输距离也是一种方法。
3.在太赫兹波段，电磁波在空间的传播方式是波束传播，因此采用准光学技术传输电磁信号，具有损耗低、传输功率大、多波束、多极化等优点。在准直系统中，可以使用透镜来实现电磁光束的准直和聚焦。理想透镜类似于移相器，它通过引入相移来改变光束等厚面的曲率半径，从而达到光束聚焦的效果。在传统的双曲平面凸透镜(标准透镜)设计理论中，近似地认为高斯光束在入射面和出射面具有相同的光束半径。这就会导致设计的标准透镜的聚焦性能与期望值之间存在一定的误差，透镜越厚，误差越大。这种误差会导致凸镜天线的聚焦能力下降。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种凸镜太赫兹天线设计方法和装置，优化透镜的口径，建立合理的光线跟踪模型来模拟透镜对高斯光束的聚焦，结合遗传算法实现了透镜的优化设计，使得透镜的聚焦性能更接近期望值，提高了聚焦效果。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种凸镜太赫兹天线设计方法，包括以下步骤：
7.s1、基于太赫兹的几何光学特性，根据太赫兹发射信号的角度和发射机与接收机之间的距离确定透镜的口径，基于透镜的口径确定第一参数；
8.s2、建立光线跟踪模型，所述光线跟踪模型包括透镜、可视源点和焦平面，基于光线跟踪模型获取每条穿过透镜的光束在出射面上的离轴距离和光束在出射面上的光束半径，基于所述离轴距离和所述光束半径计算光束的权重系数；
9.s3、基于遗传算法优化第二参数和第三参数，基于所述第一系数、优化后的第二系数和第三系数优化透镜的截面曲线，对优化后的透镜的截面曲线进行仿真验证，得到聚焦仿真结果，基于聚焦仿真结果再次进行遗传算法优化，得到结果截面曲线，基于结果截面曲线设计得到凸镜太赫兹天线。
10.进一步地，所述基于遗传算法优化第二参数和第三参数具体为：
11.以第二参数和第三参数为待优化系数，编码形成初始二进制种群；
12.基于所述光线跟踪模型和光束的权重系数，计算发射射线在所需焦平面的总加权离轴距离，以所述总加权离轴距离为适应度函数；
13.基于初始二进制种群进行种群生存繁殖、选择、杂交和变异，通过随机遍历抽样种群，基于适应度函数在抽样的种群中筛选得到优良个体，将所述优良个体作为亲本，进行迭代计算，完成迭代计算后得到优化后的第二系数和第三系数。
14.进一步地，所述总加权离轴距离的表达式为：
[0015][0016]
其中，d
av
为总加权离轴距离，ηi为光束的权重系数，为出射光束与焦平面的交点的离轴距离，为出射光束与焦平面的交点的离轴距离，num为模型中光束总数，i为光束编号。
[0017]
进一步地，所述透镜的口径满足条件为：
[0018]
na＜d*tanθ
[0019]
其中，na为透镜的口径，d为发射机与接收机之间的距离，θ为太赫兹发射信号的角度。
[0020]
进一步地，所述可视源点为辐射高斯光束的馈源。
[0021]
进一步地，所述透镜为凸透镜，一面为平面镜，另一面为凸面镜，所述平面镜面对可视源点，所述凸面镜面对焦平面，所述平面镜为入射面，所述凸面镜为出射面。
[0022]
进一步地，所述光束的权重系数的表达式为：
[0023][0024]
其中，为光束i在出射面上的离轴距离，为光束在出射面上的离轴距离，num为模型中光束的总数，i为光束编号，为光束在出射面上的光束半径。
[0025]
进一步地，基于光线跟踪模型获取每条穿过透镜的光束在出射面上的离轴距离具体为：
[0026]
获取可视源点向透镜辐射，穿过透镜并交于焦平面的光束，获取所述光束在出射面上的离轴距离。
[0027]
进一步地，所述仿真验证为feko电磁仿真验证。
[0028]
一种凸镜太赫兹天线设计装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
(1)通过优化透镜的口径，并建立合理的光线跟踪模型，基于遗传算法优化透镜的截面曲线，对截面曲线进行仿真验证，基于聚焦仿真结果再次进行遗传算法优化，筛选出聚
焦仿真结果优秀的截面曲线进行天线设计，提高设计的天线的聚焦效果。
[0031]
(2)采用光束实际在出射面上的光束半径计算总加权离轴距离，将总加权离轴距离作为遗传算法的适应度函数，比较现有的近似地认为高斯光束在入射面和出射面具有相同的光束半径，减少了透镜越厚造成的误差，适用于不同厚度的透镜的天线设计。
附图说明
[0032]
图1为本发明的结构示意图；
[0033]
图2为本发明的光线跟踪模型结构图；
[0034]
图中，1可视源点，2光束发射点，3入射点，4出射点，5出射光线与焦平面的交点。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0036]
实施例1：
[0037]
本发明提供一种凸镜太赫兹天线设计方法，方法包括以下步骤：
[0038]
s1、基于太赫兹的几何光学特性，根据太赫兹发射信号的角度和发射机与接收机之间的距离确定透镜的口径，基于透镜的口径确定第一参数。
[0039]
第一参数为透镜的截面曲线中的参数，透镜的截面曲线为二次曲线，表达式为：
[0040]
y2＝a0x2+a1x+a2[0041]
其中，a2为第一参数。
[0042]
透镜的口径满足条件为：
[0043]
na＜d*tanθ
[0044]
其中，na为透镜的口径，d为发射机与接收机之间的距离，θ为太赫兹发射信号的角度。
[0045]
第一参数a2由透镜的口径na决定。
[0046]
s2、建立光线跟踪模型，光线跟踪模型包括透镜，基于光线跟踪模型获取每条穿过透镜的光束在出射面上的离轴距离和光束在出射面上的光束半径，基于离轴距离和光束半径计算光束的权重系数。
[0047]
光线跟踪模型如图2所示。光线跟踪模型还包括可视源点1和焦平面，可视源点1为辐射高斯光束的馈源。光线跟踪模型中的透镜为凸透镜，一面为平面镜，另一面为凸面镜，平面镜面对可视源点，凸面镜面对焦平面，平面镜为入射面，凸面镜为出射面。
[0048]
可视源点1从光束发射点2辐射高斯光束，光束从入射点3进入透镜，为入射光线，入射点的位置标记为再从出射点4射出，为出射光线，出射点的位置标记为出射光线与焦平面的交点5为的位置标记为由于电场强度满足高斯分布，所以每条光线的能量不同，需要根据每条光线离轴距离分配不同的权重系数。光束在出射面上的离轴距离通过获取可视源点向透镜辐射，穿过透镜并交于焦平面的光束得到。离轴距离为一个点到凸透镜光轴的距离。
[0049]
光束的权重系数的表达式为：
[0050][0051]
其中，为光束i在出射面上的离轴距离，为光束在出射面上的离轴距离，num为模型中光束的总数，i为光束编号，为光束在出射面上的光束半径。
[0052]
光束为中间光束，表示光束中的中间光束在出射面上的离轴距离，对于光束i，在出射面上的修正离轴距离为光束i在出射面上的离轴距离与中间光束的离轴距离之差。
[0053]
s3、基于遗传算法优化第二参数和第三参数，基于第一系数、优化后的第二系数和第三系数优化透镜的截面曲线，对优化后的透镜的截面曲线进行仿真验证，得到聚焦仿真结果，基于聚焦仿真结果再次进行遗传算法优化，得到结果截面曲线，基于结果截面曲线设计得到凸镜太赫兹天线。
[0054]
透镜的截面曲线的表达式为：
[0055]
y2＝a0x2+a1x+a2[0056]
其中，a0为第二参数，a1为第三参数。
[0057]
基于遗传算法优化第二参数和第三参数的具体步骤为：
[0058]
s31、以第二参数a0和第三参数a1为待优化系数，编码形成初始二进制种群。
[0059]
s32、基于光线跟踪模型和光束的权重系数，计算发射射线在所需焦平面的总加权离轴距离，以总加权离轴距离为适应度函数。
[0060]
总加权离轴距离的具体表达式为：
[0061][0062]
其中，d
av
为总加权离轴距离，ηi为光束的权重系数，为出射光束与焦平面的交点的离轴距离，为出射光束与焦平面的交点的离轴距离，num为模型中光束总数。
[0063]
光束为中间光束，为中间光束与焦平面的交点的离轴距离，对于光束i，出射光束与焦平面的交点的修正离轴距离为出射光束与焦平面的交点的离轴距离与中间光束与焦平面的交点的离轴距离之差。
[0064]
以总加权离轴距离为适应度函数，在遗传算法的迭代优化过程中，光束i在出射面上的修正离轴距离和总加权离轴距离d
av
的值越小，对应个体对环境的适应性越强。
[0065]
s33、基于初始二进制种群进行种群生存繁殖、选择、杂交和变异，通过随机遍历抽样种群，基于适应度函数在抽样的种群中筛选得到优良个体，将优良个体作为亲本，进行迭代计算，完成迭代计算后得到优化后的第二系数和第三系数。
[0066]
完成遗传算法优化第二参数和第三参数后，执行以下步骤：
[0067]
s34、对优化后的透镜的截面曲线进行仿真验证，得到聚焦仿真结果，基于聚焦仿真结果再次进行遗传算法优化，得到结果截面曲线。
[0068]
s35、基于结果截面曲线设计得到凸镜太赫兹天线。
[0069]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。