CN104112900A

CN104112900A - 一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线

Info

Publication number: CN104112900A
Application number: CN201410259371.1A
Authority: CN
Inventors: 郑小平; 苏云鹏; 刘梦婷; 程远
Original assignee: Tsinghua University; Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Tsinghua University; Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明提供一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线，其中，所述天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将所述硅衬底透镜设置在太赫兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被硅衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。本发明具有尺寸小、重量轻、结构简单、易集成，由于其体积微小的有点，太赫兹辐射经过透镜会聚作为馈源能够很好地消除光导天线引起的表面波效应；天线系统的发射能量方向更加集中，增益更大；太赫兹辐射通过抛物面镜后，光导天线产生的球形辐射被转化为等相位平面波；有效实现高增益，而且具有低旁瓣等优点。

Description

一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线

【技术领域】

本发明涉及太赫兹领域，特别是一种用于高功率远距离太赫兹定向发射的旋转抛物面天线。

【背景技术】

太赫兹的高功率的发射源一直是太赫兹研究领域的难点。2013年10月，奥地利维也纳技术大学的一组研究人员制造出一种新型量子级联激光器，成功输出了1瓦特的太赫兹辐射，打破了此前由美国麻省理工学院所保持的0.25瓦特的世界纪录。由此可见，太赫兹源功率的提升难度很大，所以如何提高太赫兹输出系统的效率、如何设计太赫兹定向发射天线对于高效利用太赫兹源至关重要。研究太赫兹定向发射是实现太赫兹远距离探测的关键技术，很多科研人员都进行过这方面的研究。

1992年，Joakim等人设计了一种对角形喇叭天线，其角形腔是通过两金属片挖槽后拼接得到的，辐射效率达到84％。2006年，Douvalis等人设计了一种95GHz集成的圆锥形喇叭阵列天线。2008年，Yu-Juen Ren等人在平面蝶形天线的基础上，采用SiC作基片，以提高辐射频率，实验结果表明蝶形天线的相对带宽在1到10THz内为164％，辐射增益比偶极子天线平均提高了2.2dB。由于上述天线制作工艺简单，之前的太赫兹定向天线研究多集中在这些方面。根据天线理论，要想获得更高的的增益和更强的方向性，则天线相对于波长的比值就要相对较大，分析常见的天线形式，振子天线的尺寸一般为-λ(为波长)，行波天线的尺寸为λ-10λ，口径天线的尺寸一般为λ-1000λ。可见，口径天线是最适用于太赫兹频段的天线形式。

然而，上述天线在实现的高增益和窄波束特性方面的效果并不理想。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种高增益、具有良好的窄波束特性的远距离太赫兹定向发射天线。

为了实现上述目的，本发明提供一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线，其中，所述天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将所述硅衬底透镜设置在太赫兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被硅衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。

根据一种特别优选的具体实施方式，硅衬底透镜是高阻硅衬底透镜。

更优选地，高阻硅衬底透镜的折射率为3.418，临界辐射角45度。

在本发明中，高阻硅衬底透镜的硅衬底透镜的超半球透镜焦点和顶端距离是1.414倍的透镜半径。

在透镜尺寸与偶极子天线的大小关系方面，两者是成比例关系的，偶极子天线的大小又和工作频率成比例关系，所以透镜的尺寸取决于工作频率。

随着透镜半径的增大，天线的增益会增大，但当透镜尺寸大到一定程度以后，增益增大的速度就减慢，到后来基本保持不变。这个现象很好理解，透镜起会聚作用，半径越大，会聚作用越强，能量散失越少，增益越强。当透镜尺寸大到一定程度，辐射源辐射的能量基本都被透镜会聚了，散失的能量很少，所以天线的增益就不再显著提高了。图6是0.21太赫兹下透镜半径与天线增益关系曲线图。

因为此时的辐射源模型要作为反射面天线的馈源，天线的整体增益是馈源和反射面共同作用决定的，所以并不是此时辐射源的增益越大，后面设计的天线的增益就越大。考虑到这个偶极子天线加会聚透镜的组合模型要作为反射面天线的馈源的属性，我们要从馈源的要求这个角度来确定合适的透镜尺寸。

首先，馈源的口径要尽可能小一些，尽量减少对反射面的遮挡，否则主瓣增益会下降，副瓣增益会增高。所以尽管透镜尺寸越大增益越大，透镜的口径也不能很大。

其次，馈源的方向图最好满足的一定的要求，这是天线系统整体性能的可靠保证。首先是馈源最好单向辐射而非双向辐射，避免与反射回的波束发生混叠；其次要旋转对称，因为最后天线系统整体也应是旋转对称的；最后副瓣电平尽可能低，减少无用的能量分散，保证主瓣的增益。图7-1、7-2、7-3是透镜半径分别为0.45mm、0.5mm和1.5mm时的三维方向图。从图中可以看出，透镜半径为0.45mm时，辐射源双向辐射，会与反射面反射回来的太赫兹波形成混叠，不适宜作为反射面天线的馈源；透镜半径为1.5mm时，辐射源的副瓣较大，不满足低副瓣电平的馈源要求，所以也不适于作为馈源；当透镜半径为0.5mm时，辐射源的三维方向图是单向辐射，主瓣增益大、副瓣增益小，旋转对称，非常适合作为反射面天线的馈源。

由此可见，在这部分的优化过程中，辐射源的增益并不是追求优化的目标，增益的优化需要结合后面的天线设计，将天线系统作为整体来优化。因此追求优化的是辐射源的方向图，在保证一定的增益条件下，使辐射源模型最适合作为反射面天线的馈源。

特别优选地，高阻硅衬底透镜的直径1毫米。

根据本发明的一种优选实施方式，所述旋转抛物面发射器是铝制旋转抛物面发射器。

另一方面，2012年Llombart等人提出利用现有的光导天线结构模型，使其与超半球透镜之间保持一定的距离，这样会提高天线的辐射效率。

于是，可以通过调节天线到透镜表面的距离得到了天线到透镜距离与天线增益的关系图，如图8所示。

图8可以看出：偶极子天线紧贴透镜背面时，此时天线的增益是最小的。偶极子天线距离透镜背面的距离增大时，天线的增益逐渐增大，但增长是先快后慢的，是非线性的，增加到一定距离，增益达到最大，然后增益又逐渐下降。

这个现象是很自然的，偶极子天线紧贴透镜背面，辐射出的太赫兹波容易被反射使得透镜正面的增益比较小，距离一定距离后，由于太赫兹波入射角度减小，太赫兹波在透镜背面发生的反射量减少，使得增益逐渐增大，在距离为0.036mm时达到最大。之后，距离继续增大，偶极子天线离透镜的距离越来越远，有相当一部分能量向四周发散损失而没有进入会聚透镜，所以天线的增益降低了。所以，偶极子天线不能紧贴透镜背面，离透镜背面的距离在一个适当值的时候可以得到最佳的增益。

之前在优化透镜尺寸的时候指出透镜尺寸的优化不应以追求馈源自身的最大增益为目标，是因为如果片面追求最大增益，辐射方向图会出现双向辐射、形状畸变、副瓣较高、遮挡反射等一系列问题，所以这个尺寸要结合最终整体的天线系统来优化。但是在优化偶极子天线到透镜距离时，可以将追求馈源自身的最大增益作为优化目标。这是因为无论偶极子天线到透镜距离如何，增益的大小如何，经过仿真验证，辐射源模型的辐射方向图都十分接近，满足作为良好馈源的所有要求。图9-1、9-2、9-3分别是距离为0.01mm、0.02mm和0.037mm时辐射源的三维方向图，三幅图的辐射模式接近，特别是距离为0.037mm，也就是达到最大增益时，辐射效果最好，主瓣能量非常集中，是综合优化了透镜尺寸和偶极子天线到透镜距离这两个参数后得到的最优化的效果。

另一方面，透镜是位于反射面的焦点上的。焦距和口径直径是相关的，一般满足：

f＝(0.25～0.5)D₀

如果反射面边缘的增益是-10dB，那么反射面与馈源的匹配会达到最佳辐照。所以取f＝0.5D₀，仿真得到-10dB线对应的，为了保证增益尽可能大，我们留出一定的裕量

因此，在本发明中，所述馈源与旋转抛物面发射器的距离满足f＝(0.25～0.5)D₀，其中D₀是抛物面的口径。优选地满足f＝0.5D₀，即0.5倍抛物面直径。

在本发明中，太赫兹光导天线通过馈电转接集成模块与金属电极连接。优选地，所述金属电极是铜金属电极。

太赫兹光导天线通过馈电转接集成模块与金属电极连接属于现有技术，在此不做赘述。

在本发明中，高阻硅衬底透镜是市场上能够购买获得产品，例如东方闪光(北京)光电科技有限公司销售的高阻硅透镜产品。

太赫兹光导天线是现有技术中能够获得的产品，或根据现有技术记载的内容能够重复实施的技术，例如刘红等人，西安理工大学学报，2011年27卷第3期，《砷化镓太赫兹光导天线的制备及性能研究》中公开的技术。

与现有技术的太赫兹反射面天线的馈源通常采用微波技术中的喇叭天线作为馈源相比，在太赫兹频段，本发明通过透镜进行汇聚，不仅使得天线具有尺寸小、重量轻、易集成的优点，而且还可以消除太赫兹产生时平面天线的表面波效应，是反射面天线的理想馈源。因此，以透镜天线作为馈源，以旋转抛物面作为反射器，是太赫兹这个频段非常理想的定向天线。

【附图说明】

图1-1、1-2为实施例1的天线系统结构示意图；其中上部是偶极子天线，下部是透镜；

图2为增益曲线图；

图3为经过高阻硅衬底透镜汇聚后的太赫兹辐射的三维能量图；

图4为实施例1的天线，太赫兹辐射经抛物面反射后三维能量图；

图5为对比实施的天线，太赫兹辐射经抛物面反射后三维能量图；

图6是0.21太赫兹下透镜半径与天线增益关系曲线图；

图7-1、7-2、7-3是透镜半径分别为0.45mm、0.5mm和1.5mm时的三维能量图；

图8为天线到透镜距离与天线增益的关系图；

图9-1、9-2、9-3分别是距离为0.01mm、0.02mm和0.037mm时辐射源的三维方向图。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示的天线，包括天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被透镜汇聚后作为馈源。

如图2所示，增益设计为40dB，中心频率为0.21THz，频率范围从0.2THz到0.22THz，该频段恰好是大气中水汽对太赫兹吸收较弱的窗口频率。口径尺寸为58.5mm，焦距29.2mm，仿真得到-10dB线对应的为45度，因此该天线系统约为53度。

对馈源发出的太赫兹辐射(经透镜会聚)和抛物面反射的太赫兹辐射分别得到其三维能量图，如图3、4所示。

作为对比，去除高阻硅衬底透镜，直接将太赫兹光导天线激发的太赫兹辐射作为馈源，测试其经过抛物面反射后的三维能量图，如图5所示。

对比图3-5可以看出：

1、经过透镜会聚作为馈源能够很好地消除光导天线引起的表面波效应；

2、本实施例的透镜尺寸小、重量轻、结构简单、易集成，由于其体积微小，对抛物面反射回来的电磁场不会造成遮挡，可以实现较高的发射品质；

3、透镜作为馈源效果十分显著，有会聚透镜作为馈源的情况下，天线系统的发射能量方向更加集中，增益更大。

4、通过抛物面镜后，光导天线产生的球形辐射被转化为等相位平面波，为后续应用(如危化品探测和成像)带来方便。

5、抛物面镜可以实现高增益，而且具有低旁瓣等优点，在太赫兹频段依然很小巧便携，具有很强的实用性。

Claims

1.一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线，其特征在于所述天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将所述硅衬底透镜设置在太赫兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被硅衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。

2.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于硅衬底透镜是高阻硅衬底透镜。

3.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于高阻硅衬底透镜的折射率为3.418，临界辐射角45度。

4.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于硅衬底透镜的超半球透镜焦点和顶端距离是1.414倍的透镜半径。

5.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述旋转抛物面发射器是铝制旋转抛物面发射器。

6.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述馈源与旋转抛物面发射器的距离满足f＝(0.25～0.5)D₀，其中D₀是抛物面的口径。

7.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述馈源与旋转抛物面发射器的距离满足f＝0.5D₀。

8.根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述太赫兹光导天线通过馈电转接集成模块与金属电极连接。

9.根据权利要求7所述的定向发射天线，其特征在于所述金属电极是铜金属电极。