CN101820089B - 一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，解决了太赫兹频段为216GHz～224GHz的同步收发无线系统中线极化波变换为圆极化波问题。本发明包括一个基底，在该基底上表面喷涂有多条金属线条栅格，在基底下表面涂覆金属涂层。每条金属线条栅格均为等宽线条，每两条金属线条栅格之间存在间距。本发明对于太赫兹频段为216GHz～224GHz的同步收发无线系统，其正交分量的幅度差小于0.5dB，正交分量的相位差小于5°，对于正交极化波分别实现传输损耗不大于4.4dB，输入功率不大于20W。采用本发明，THz技术可广泛地应用于军事、医学、天文、生物等领域，具有极大的科研和实用价值。

Description

一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器
技术领域
本发明涉及一种适用于太赫兹频段的极化变换器，属于同步收发无线技术领域。
背景技术
太赫兹(THz)技术之所以引起广泛的关注，是由于THz脉冲电磁波具有极其宽广的频谱，在无线电物理领域称为亚毫米波(SMMW)，在光学领域则习惯称之为远红外(FIR)。
目前，普遍采用的太赫兹频段是由英国定义的100GHz～10THz(现在研究较多的通常在0.2～3THz范围内)，它是介于毫米波和红外光之间相当宽的一个区域。1974年，THz首次在《微波理论与技术》(MTT)学报上出现，当时是用来描述米切尔森干涉计的光谱特性。此后，THz又被应用于描述点接触型二极管探测器的频率特性。从频谱分布来看，亚毫米波的低端与毫米波的高端相连，亚毫米波的高端则和红外、光波相接。由此可知，本领域必然兼容微波、光波两门技术学科的理论、研究方法和技术，并将逐渐发展成为一门知识密集和技术密集的综合性分支学科。随着近十几年来超导技术、光学参量器件和各种激光器的发展，使THz技术的物理机制、检测技术和应用技术研究得到了全面发展。
收发隔离网络是所有同步收发无线系统中(如雷达等)的重要部件之一，它起着隔离发射机电磁波信号以免其直接进入接收机，达到保护接收机的作用。基于正交极化隔离原理的准光学收发隔离网络的工作原理为：发射天线发射出的电磁波为线极化波(假设水平线极化波为Eo，垂直极化波为Ep)，水平线极化波将通过极化隔离装置，而垂直线极化波将被隔离。发射天线发射的水平线极化波通过极化隔离装置后，进入极化变换器。极化变换器起着将线极化波ETR变换为圆极化波(假设为左旋)的作用，最终通过反射板发射的是左旋圆极化波，2轴万向节可以带动电磁波进行空间的二维扫描。发射电磁波照射到被探测目标后，其回波仍然是圆极化波，但是其旋向改变为发射波旋向的相反方向，即右旋圆极化波。此右旋圆极化波经过极化变换器后将变为线极化波，其极化方向将变为发射线极化波的正交方向(即垂直线极化波)。此垂直线极化波经过透镜后，将由极化隔离装置反射进入接收天线。
目前，现有的极化变换器通常是采用工作在100GHz以下的波导圆极化器，无法适用于高频段。例如对于214GHz-226GHz频段，由于波导尺寸只有毫米量级，加工精度很难达到要求。如果采用光学中的合成蓝宝石来实现，由于材质本身参数不固定，可行性不高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，解决上述问题，提出一种适用于太赫兹频段为216GHz-224GHz的同步收发无线系统中的极化变换器。
本发明装置所采用的技术方案为：
一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，包括一个基底，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格，在该基底下表面涂覆一层金属涂层。
其中，所述基底厚度为0.2mm-0.3mm；直径越大越好，但不小于100mm。选取基底的材质时，要求其在216GHz以上具有对于电磁波穿透率不小于-1.5dB的性质，同时，基底材质的硬度值在3-7之间。
所述上表面每一条金属线条栅格均为等宽线条，且线宽为不大于10μm，厚度不超过1um。每两条金属线条栅格之间的距离相等，间距值的大小在70μm-100μm之间选取。金属线条栅格的电导率越高越好，但不能低于铝。
所述下表面涂覆的金属涂层，其电导率越高越好，但不能低于铝。上表面和下表面所采用的金属材料可以不相同，优选相同。
有益效果
本发明所提出的极化变换器，对于太赫兹频段为216GHz-224GHz的同步收发无线系统，其电磁波正交分量的幅度差小于0.5dB，正交分量相位差小于5°，对于正交极化波分别实现传输损耗不大于4.4dB，输入功率不大于20W。
通过采用本发明装置，THz技术可广泛地应用于军事、医学、天文、生物等领域，具有极大的科研和实用价值。
附图说明
图1为本发明所述极化变换器的上表面俯视结构图；
图2为本发明所述极化变换器的侧视剖面图；
图3为采用本发明所述极化变换器的工作原理图；
图4为本发明所述极化变换器的石英玻璃基底厚度对正交分量幅度差的影响效果示意图；
图5为本发明所述极化变换器的石英玻璃基底厚度对正交分量相位差的影响效果示意图；
图6为10GHz带宽下正交分量的幅度差示意图；
图7为10GHz带宽下正交分量的相位差示意图。
其中，1-基底，2-金属线条栅格，3-金属涂层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，其结构如图1及图2所示，包括一个基底1，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格2，在该基底下表面涂覆一层金属涂层3。
其中，所述基底1厚度为0.2mm-0.3mm；直径越大越好，但不小于100mm。选取基底1的材质时，要求其在216GHz以上具有对于电磁波穿透率不小于-1.5dB的性质，同时，基底1材质的硬度值在3-7之间。
所述上表面每一条金属线条栅格2均为等宽线条，且线宽K不大于10μm，厚度不超过1um。每两条金属线条栅格2之间的距离相等，间距值的大小在70μm-100μm之间选取。金属线条栅格2的电导率越高越好，但不能低于铝。
所述下表面涂覆的金属涂层3，其电导率越高越好，但不能低于铝。
上表面和下表面所采用的金属材料可以不相同，优选相同。
使用时，将本极化变换器的上表面朝向发射天线射出方向，并且与其成45°角，同时，上表面与2轴万向节表面平行，使得发射波经极化变换器能够折射至2轴万向节并经反射板射向目标。如图3所示。
发射天线发射的水平线极化波通过极化隔离器后，进入极化变换器。极化变换器将线极化波变换为圆极化波(假设为左旋)的作用，最终通过反射板发射的是左旋圆极化波，2轴万向节带动电磁波进行空间的二维扫描。发射电磁波照射到被探测目标后，其回波仍然是圆极化波，但是其旋向改变为发射波旋向的相反方向，即右旋圆极化波。此右旋圆极化波经过极化变换器后将变为线极化波，其极化方向将变为发射线极化波的正交方向(即垂直线极化波)。此垂直线极化波经由极化隔离器反射进入接收天线。
通过进行仿真测试，本极化变换器的正交分量的幅度差小于0.5dB，正交分量的相位差小于5°，对于正交极化波分别实现传输损耗不大于4.4dB，输入功率不大于20W。
实施例1
一种太赫兹频段为216GHz的同步收发无线系统中的极化变换器，包括一个基底1，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格2，在该基底下表面涂覆一层金属涂层3。
其中，所述基底1厚度为0.241mm；直径为100mm。基底1的材质为石英玻璃。
所述上表面每一条金属线条栅格2均为等宽线条，且线宽K为10μm，厚度为1um。每两条金属线条栅格2之间的距离相等，间距值为70μm。金属线条栅格2材质选用银。
所述下表面涂覆的金属涂层3选用铝。
实施例2
一种太赫兹频段为224GHz的同步收发无线系统中的极化变换器，包括一个基底1，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格2，在该基底下表面涂覆一层金属涂层3。
其中，所述基底1厚度为0.25mm；直径为200mm。基底1的材质为聚四氟乙烯。
所述上表面每一条金属线条栅格2均为等宽线条，且线宽K为10μm，厚度为0.8um。每两条金属线条栅格2之间的距离相等，间距值为100μm。金属线条栅格2材质选用铂。
所述下表面涂覆的金属涂层3选用铝。
实施例3
一种太赫兹频段为220GHz的同步收发无线系统中的极化变换器，包括一个基底1，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格2，在该基底下表面涂覆一层金属涂层3。
其中，所述基底1厚度为0.241mm；直径为100mm。基底1的材质为石英玻璃。
所述上表面每一条金属线条栅格2均为等宽线条，且线宽K为5μm，厚度为1um。每两条金属线条栅格2之间的距离相等，间距值为85μm。金属线条栅格2材质选用铝。
所述下表面涂覆的金属涂层3选用铝。
从如图4结果看出，对于220GHz频率的入射电磁波，在石英玻璃基底厚度为0.23～0.25mm范围内，反射电磁波正交分量的幅度差均小于0.5dB。也就是说，石英玻璃基底厚度对于反射电磁波正交分量的幅度差影响不大。
从如图5结果看出，对于220GHz频率的入射电磁波，在石英玻璃基底厚度为0.23～0.25mm范围内，反射电磁波正交分量相位差在75°～100°之间变化。也就是说，石英玻璃基底厚度对于反射电磁波正交分量的相位差影响剧烈。根据反射电磁波正交分量的相位差应为90°的要求，确定石英玻璃基底最佳厚度为0.241mm。
从如图6结果看出，对于215GHz～225GHz频率的入射电磁波，在石英玻璃基底厚度为0.241mm时，反射电磁波正交分量的幅度差均小于1dB。当要求幅度差小于0.5dB时，把带宽定为216GHz～224GHz。
从如图7结果看出，对于215GHz～225GHz频率的入射电磁波，在石英玻璃基底厚度为0.241mm时，反射电磁波正交分量的相位差在86°～98°之间变化。若要求相位差小于5°，将带宽定位216GHz～224GHz。
综合反射电磁波正交分量幅度和相位差的双重要求，即反射电磁波正交分量的幅度差小于0.5dB、反射电磁波正交分量的相位差小于5°，则在石英玻璃基底厚度为0.241mm时，极化变换器的工作频率范围为：216GHz～224GHz。
上述三个实施例不仅限于针对所述频段使用。每个实施例均可分别适用于太赫兹频段为216GHz、217GHz、218GHz、219GHz、220GHz、221GHz、222GHz、223GH、z224GHz的同步收发无线系统中。只要所采用的技术方案与本说明书发明内容中所述的技术手段相同或相类似，均落在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，包括一个基底(1)，在该基底上表面经微加工工艺喷涂有多条金属线条栅格(2)，其特征在于：
在基底(1)的下表面涂覆一层金属涂层(3)；
其中，所述基底(1)厚度在0.2mm-0.3mm之间，基底(1)直径不小于100mm；选取基底(1)的材质时，要求其在216GHz以上具有对于电磁波穿透率不小于-1.5dB的性质，同时，基底(1)材质的硬度值在3-7之间；
所述上表面每一条金属线条栅格(2)均为等宽线条，且线宽不大于10μm，厚度不超过1μm；每两条金属线条栅格(2)之间的距离相等，间距值的大小在70μm-100μm之间选取；金属线条栅格(2)的电导率不能低于铝；
所述下表面涂覆的金属涂层(3)，其电导率不能低于铝；
使用时，将本极化变换器的上表面朝向发射天线射出方向，并且与其成45°角，同时，该上表面与2轴万向节表面平行，使得发射波经极化变换器能够折射至2轴万向节并射向目标。
2.如权利要求1所述的一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，其特征在于，所述基底(1)厚度为0.241mm。
3.如权利要求1或2所述的一种基于太赫兹的同步收发无线系统中的极化变换器，其特征在于，所述基底(1)的材质选用石英玻璃。
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