CN105762491A - 一种太赫兹传输阵列天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹传输阵列天线，包括：多层金属平板，多层金属平板的层与层之间等间距且呈平行关系，多层金属平板的整体厚度为四分之三个工作波长；在每一层金属平板上排布有多个双圆环缝隙单元，多个双圆环缝隙单元在金属平板上呈等间距排列，一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环，双圆环缝隙单元的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的30°缺口。本发明的传输阵列天线的工作频率范围为320GHz～360GHz，不含介质，单元传输损耗较小，辐射效率较高。

Description

一种太赫兹传输阵列天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种太赫兹传输阵列天线及其制备方法。

背景技术

传输阵列天线是一种新型的天线技术，与抛物面天线相比，它结构剖面低，无馈源遮挡，能够有效的产生高增益波束，可广泛应用于宽带无线通信、微波遥感和射电天文学等领域，具有良好的应用前景。

现有的传输阵列天线一般采用微波介质板制成，由于介质在太赫兹频段的损耗较高，导致现有的传输阵列天线在太赫兹频段损耗较大，辐射效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服由微波介质板制成的传输阵列天线在太赫兹频段损耗较大的缺陷，从而提供一种不含介质的低损耗太赫兹传输阵列天线。

为了实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹传输阵列天线，包括：多层金属平板，所述多层金属平板的层与层之间等间距且呈平行关系，所述多层金属平板的整体厚度为四分之三个工作波长；在每一层金属平板上排布有多个双圆环缝隙单元，所述多个双圆环缝隙单元在金属平板上呈等间距排列，一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环，所述双圆环缝隙单元的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的30°缺口；天线的工作频率范围为320GHz～360GHz。

上述技术方案中，所述多层金属平板包括三层或四层。

上述技术方案中，所述双圆环缝隙单元中的小圆环与大圆环的缝隙宽度相同，所述缝隙宽度w为50μm，所述大圆环与小圆环之间的距离g为50μm；

所述小圆环内径r在0.038mm-0.075mm之间，所述大圆环内径R＝r+w+g；所述小圆环内径r与所述大圆环内径R的取值根据所在双圆环缝隙单元的传输相位确定。

上述技术方案中，所述小圆环内径r与所述大圆环内径R的取值根据所在双圆环缝隙单元的传输相位确定进一步包括：

a、由下列的公式(1)得到所述金属平板上每个双圆环缝隙单元的传输相位；

其中，为双圆环缝隙单元的传输相位，k₀为自由空间中的波数；馈源的位置为(x_f,y_f,z_f)；辐射波束指向为d_i为馈源与第i个双圆环缝隙单元之间的距离，其表达式为：

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{z_f}^2};$

b、由传输相位与小圆环内径r之间的对应关系图，结合某一双圆环缝隙单元的传输相位，得到该双圆环缝隙单元的小圆环内径r；

c、根据双圆环缝隙单元的大圆环内径R与小圆环内径r的数值关系得到该双圆环缝隙单元的大圆环内径R。

本发明还提供了所述太赫兹传输阵列天线的制备方法，包括：

步骤1)、首先在厚度为210μm的硅基片上涂一层15μm厚的光刻胶；

步骤2)、采用光刻技术对光刻胶进行光刻，得到所设计传输阵中缝隙部分所对应的图案；

步骤3)、在硅基片表面和光刻胶的周围电镀厚度为10μm的铜；

步骤4)、将光刻胶清洗掉，剩下的铜层为太赫兹传输阵的图案；

步骤5)用深硅刻蚀工艺将硅基片的中心腐蚀一个直径为30mm的圆洞，留下的铜层为太赫兹传输阵列天线的其中一层；

步骤6)、将多个加工好的结构沿垂直方向对准并粘结，构成太赫兹传输阵列天线。

本发明的优点在于：

1、在太赫兹频段下，由于本发明的传输阵列天线不含介质，单元传输损耗较小，因此辐射效率较高。

2、现有技术中的太赫兹传输阵列天线的加工非常困难，而本发明的太赫兹传输阵列天线采用UV-LIGA工艺加工，加工精度可达±2μm，成功解决了太赫兹传输阵列天线的加工难题。

附图说明

图1是本发明的太赫兹传输阵列天线的结构示意图；

图2(a)是本发明的太赫兹传输阵列天线中的双圆环缝隙单元的示意图；

图2(b)是本发明的太赫兹传输阵列天线中的金属平板的示意图；

图3是本发明的太赫兹传输阵列天线在坐标系中的位置示意图；

图4是传输相位与传输单元半径r的对应关系图；

图5是双圆环缝隙单元的传输损耗曲线图；

图6(a)—图6(f)是本发明的太赫兹传输阵列天线的加工过程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1和图2，在一个实施例中，本发明的太赫兹传输阵列天线包括：四层金属平板，所述四层金属平板的层与层之间等间距且呈平行关系，四层金属平板的整体厚度为四分之三个工作波长；在每一层金属平板上排布有多个双圆环缝隙单元，所述多个双圆环缝隙单元在金属平板上呈等间距排列，一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环。天线的工作频率范围为320GHz～360GHz。

下面对本发明的太赫兹传输阵列天线中的部件做进一步描述。

参考图2(a)，所述双圆环缝隙单元的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的30°缺口，将小圆环的内径记为r，将大圆环的内径记为R，大圆环与小圆环的缝隙宽度一样，将缝隙宽度记为w＝50μm，大小圆环之间的距离为g＝50μm。本发明的太赫兹传输阵列天线的整体厚度为四分之三个工作波长，如图2(b)所示，由于金属平板包括四层，若四层金属平板的间距为h，则所述h为天线工作波长的四分之一。

所述双圆环缝隙单元的小圆环的内径r与大圆环的内径R的取值与双圆环缝隙单元的传输相位有关，下面对双圆环缝隙单元的小圆环内径r与大圆环内径R的具体取值过程做一简要说明。

如图3所示，假设在三维坐标系中，馈源的坐标为(x_f,y_f,z_f)，本发明的太赫兹传输阵列天线位于xoy平面，其中第i个双圆环缝隙单元的坐标为(x_i,y_i,0)。假设每个双圆环缝隙单元的传输相位为那么辐射波束指向与每个双圆环缝隙单元的位置(x_i,y_i,0)和传输相位以及馈源的位置(x_f,y_f,z_f)的关系式如下所示：

其中k₀为自由空间中的波数，d_i为馈源与第i个双圆环缝隙单元之间的距离：

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{z_f}^2}---\left(2\right)$

已知双圆环缝隙单元中大圆环半径与小圆环半径之间的关系如下所示：

R＝r+w+g(3)

对每一个双圆环缝隙单元的传输特性进行计算，计算结果如图4所示，当r由0.038mm增大至0.075mm时，由公式(3)可知，R也随着r的变化而变化，所述的双圆环缝隙单元的传输相位随着r和R的改变可以实现360°范围的传输相位变化。双圆环缝隙单元的传输损耗曲线如图5所示，从该曲线图可以看出，双圆环缝隙单元的传输损耗小于-1.25dB。

由上述描述可以看出，双圆环缝隙单元的传输相位随着r和R的改变可以实现360°范围的传输相位变化，因此在设计太赫兹传输阵列天线时，首先由公式(1)得到所述金属平板天线上每个双圆环缝隙单元的传输相位，然后根据图4(由电磁场仿真软件AnsoftHFSS计算而成)所示的传输相位与传输单元半径r对应关系以及公式(3)，即可得到所述的金属平板透镜天线中所述的每一个双圆环缝隙单元的半径r和R。

当馈源辐射的太赫兹电磁波经过本发明的太赫兹传输阵列天线时，天线上的双圆环缝隙单元对馈源辐射的电磁波进行相位补偿，将馈源辐射的球面波转换成平面波，从而实现高增益波束。

本发明的太赫兹传输阵列天线采用UV-LIGA工艺进行加工。工艺流程如图6所示：

步骤1)、参考图6(a)，首先在厚度为210μm的硅基片上涂一层15μm厚的光刻胶。

步骤2)、参考图6(b)，采用光刻技术对光刻胶进行光刻，得到所设计传输阵中缝隙部分所对应的图案。

步骤3)、参考图6(c)，在硅基片表面和光刻胶的周围电镀厚度为10μm的铜。

步骤4)、参考图6(d)，将光刻胶清洗掉，剩下的铜层即为太赫兹传输阵的图案。

步骤5)、参考图6(e)，用深硅刻蚀工艺将硅基片的中心腐蚀一个直径为30mm的圆洞，留下的铜层即为太赫兹传输阵列天线的其中一层。

步骤6)、参考图6(f)，将四个加工好的结构沿垂直方向对准并粘结，构成太赫兹传输阵列天线。

在另一个实施例中，本发明的太赫兹传输阵列天线中的金属平板有三层，三层金属平板之间等间距且呈平行关系。每一层金属平板的结构与前一实施例并无不同，因此不在此处重复描述。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种太赫兹传输阵列天线，其特征在于，包括：多层金属平板，所述多层金属平板的层与层之间等间距且呈平行关系，所述多层金属平板的整体厚度为四分之三个工作波长；在每一层金属平板上排布有多个双圆环缝隙单元，所述多个双圆环缝隙单元在金属平板上呈等间距排列，一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环，所述双圆环缝隙单元的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的30°缺口；天线的工作频率范围为320GHz～360GHz。

2.根据权利要求1所述的太赫兹传输阵列天线，其特征在于，所述多层金属平板包括三层或四层。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹传输阵列天线，其特征在于，所述双圆环缝隙单元中的小圆环与大圆环的缝隙宽度相同，所述缝隙宽度w为50μm，所述大圆环与小圆环之间的距离g为50μm；

所述小圆环内径r在0.038mm-0.075mm之间，所述大圆环内径R＝r+w+g；所述小圆环内径r与所述大圆环内径R的取值根据所在双圆环缝隙单元的传输相位确定。

4.根据权利要求3所述的太赫兹传输阵列天线，其特征在于，所述小圆环内径r与所述大圆环内径R的取值根据所在双圆环缝隙单元的传输相位确定进一步包括：

a、由下列的公式(1)得到所述金属平板上每个双圆环缝隙单元的传输相位；

其中，为双圆环缝隙单元的传输相位，k₀为自由空间中的波数；馈源的位置为(x_f,y_f,z_f)；辐射波束指向为d_i为馈源与第i个双圆环缝隙单元之间的距离，其表达式为：

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{z_f}^2};$

b、由传输相位与小圆环内径r之间的对应关系图，结合某一双圆环缝隙单元的传输相位，得到该双圆环缝隙单元的小圆环内径r；

c、根据双圆环缝隙单元的大圆环内径R与小圆环内径r的数值关系得到该双圆环缝隙单元的大圆环内径R。

5.权利要求1-4之一所述的太赫兹传输阵列天线的制备方法，包括：

步骤1)、首先在厚度为210μm的硅基片上涂一层15μm厚的光刻胶；

步骤2)、采用光刻技术对光刻胶进行光刻，得到所设计传输阵中缝隙部分所对应的图案；

步骤3)、在硅基片表面和光刻胶的周围电镀厚度为10μm的铜；

步骤4)、将光刻胶清洗掉，剩下的铜层为太赫兹传输阵的图案；

步骤5)用深硅刻蚀工艺将硅基片的中心腐蚀一个直径为30mm的圆洞，留下的铜层为太赫兹传输阵列天线的其中一层；

步骤6)、将多个加工好的结构沿垂直方向对准并粘结，构成太赫兹传输阵列天线。