CN106654594A - 太赫兹发射天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹发射天线系统，其特征在于，包括光导天线、透镜、主反射器、副反射器；所述光导天线用于产生太赫兹辐射波；所述透镜用于对所述太赫兹辐射波进行会聚，将会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源；所述副反射器用于将汇聚后的太赫兹辐射波反射至主反射器；所述主反射器用于将经过副反射器反射的太赫兹波再次进行反射，形成太赫兹波束。本发明提供的太赫兹发射天线系统所形成的太赫兹波束可以实现高功率定向发射，能量损失小，发射效率高。

Description

太赫兹发射天线系统
技术领域
本发明涉及太赫兹领域，特别是涉及一种太赫兹发射天线系统。
背景技术
太赫兹发射天线的研究可以大致分为两类，一类是波长尺度的太赫兹辐射源结构，用于将辐射能量从自由空间耦合到亚波长尺度的发射器中；另一类是成百上千倍波长尺度的口径面天线，用于聚集信号然后对波束赋形或聚焦。
太赫兹辐射源的产生存在很大技术难度，这也是太赫兹频段长期以来未被人们充分研究的原因。太赫兹源产生可以由量子级联激光器、IMPATT二极管、电光整流、光导天线等技术实现，但目前的太赫兹源辐射功率偏小。2013年12月，英国利兹大学成功研制出功率超过1瓦特的量子级联激光器太赫兹源，打破了此前奥地利维也纳技术大学和麻省理工学院的世界纪录。由于太赫兹源功率偏小，所以研制高效的定向发射天线意义重大。
传统的反射面太赫兹系统在天线进行扫描时会产生像差，成像的范围受到限制。太赫兹抛物面反射面天线的馈源通常是借用微波技术中的喇叭天线作为馈源，基本采用微波倍频的手段从电学角度实现低频太赫兹馈源，存在方向性低、传输线噪声高等缺点。
发明内容
基于此，有必要针对太赫兹抛物面反射面天线的馈源存在方向性低、传输线噪声高等问题，提供一种太赫兹发射天线系统。
一种太赫兹发射天线系统，包括光导天线、透镜、主反射器、副反射器；
所述光导天线用于产生太赫兹辐射波；
所述透镜用于对所述太赫兹辐射波进行会聚，将会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源；
所述副反射器用于将汇聚后的太赫兹辐射波反射至主反射器；
所述主反射器用于将经过副反射器反射的太赫兹波再次进行反射，形成太赫兹波束。
上述太赫兹发射天线系统，包括光导天线、透镜、主反射器、副反射器。以光导天线与透镜的组合会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源，所形成的太赫兹波束具有高方向性、传输线噪声小、口面场分布均匀的优点，并且上述太赫兹发射天线系统设计灵活、发射效率高。
在其中一个实施例中，所述主反射器为抛物面结构，所述副反射器为双曲面结构，且主反射器与副反射器弯曲方向相同。
在其中一个实施例中，所述主反射器抛物面直径为：
其中，G为太赫兹发射天线增益，D为主反射器直径抛物面直径，λ为太赫兹波长，g为太赫兹卡塞格伦定向发射天线的增益因子。
在其中一个实施例中，所述副反射器双曲面直径为主反射器直径的0.11-0.18倍。
在其中一个实施例中，所述主反射器与所述副反射器同轴设置，所述主反射器焦点与副反射器实焦点重合。
在其中一个实施例中，所述透镜设置于所述副反射器双曲面的虚焦点处。
在其中一个实施例中，所述光导天线靠近所述透镜设置，所述光导天线与所述透镜之间的距离为0-0.04mm。
在其中一个实施例中，所述透镜的材质为硅。
在其中一个实施例中，所述硅折射率为3.418，临界辐射角为45度。
在其中一个实施例中，所述光导天线通过馈电转接集成模块与金属电极连接。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太赫兹发射天线系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的太赫兹发射天线系统工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的副反射器旋转双曲面与天线增益的关系图；
图4为本发明实施例提供的副反射器双曲面焦距与光导天线整体增益的关系图；
图5为本发明实施例提供的光导天线到透镜距离与天线增益的关系图；
图6为本发明实施例提供的透镜半径与光导天线增益图；
图7为本发明实施例提供的透镜半径分别为0.45mm、0.5mm和1.5mm时馈源的三维方向图；
图8为本发明实施例提供的辐射增益三维方向图；
图9为本发明实施例提供的仿真波瓣图；
图10为本发明实施例提供的太赫兹发射天线系统结构位置关系图。
其中：
100-光导天线；
200-透镜；
300-主反射器；
400-副反射器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的太赫兹发射天线系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1与图2，本发明一个实施例，提供一种太赫兹发射天线系统，包括光导天线100、透镜200、主反射器300、副反射器400。所述光导天线100用于产生太赫兹辐射波；所述透镜200用于对所述太赫兹辐射波进行会聚，将会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源；所述副反射器400用于将汇聚后的太赫兹辐射波反射至主反射器300；所述主反射器300用于将经过副反射器400反射的太赫兹波再次进行反射，形成太赫兹波束。其中，所述光导天线100通过馈电转接集成模块与金属电极连接。
具体地，太赫兹发射天线系统可利用飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲，激发光导天线100产生太赫兹辐射波。硅质衬底透镜200对太赫兹辐射波进行会聚，将会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源。馈源辐射的太赫兹辐射波为球面波，球面波经过副反射器400反射至主反射器300，主反射器300将经过副反射器400反射的太赫兹波再次进行反射，在主反射器300的前方形成较强的太赫兹波束。馈源分布在副反射器400的虚焦点处，缩短了馈线的长度，可以有效减少由传输线引入的噪声，并且太赫兹波束方向性高，同时也更加便于安装。
本实施例提供的太赫兹发射天线系统，通过光导天线100与透镜200的组合会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源，所形成的太赫兹波束可以实现高功率定向发射，能量损失小，发射效率高。
其中一个实施例中，请参阅图2，所述主反射器300为抛物面结构，所述副反射器400为双曲面结构，且主反射器300与副反射器400弯曲方向相同。具体地，可以采用铝制旋转抛物面作为主反射器300，铝制旋转双曲面作为副反射器400。进一步地，馈源置于副反射器400的双曲面结构的虚焦点F2上，馈源辐射处的太赫兹球面波，经过副反射器400双曲面结构的反射后，可以看做是从主反射器300抛物面结构的焦点F1，也即副反射器400双曲面结构的实焦点F1发出的另一个太赫兹球面波，然后投射到主反射器300的抛物面结构上。
其中一个实施例中，所述主反射器300的抛物面结构直径为：其中，G为太赫兹发射天线增益，D为主反射器300的抛物面结构的直径，λ为太赫兹波长，g为光导天线100的增益因子。副反射器400双曲面直径为主反射器300直径的0.11-0.18倍，其中，副反射器400的直径选取要兼顾能量截获多、遮挡小，需要根据实际情况来优化选取，通过经验值可以得到双曲面的直径为d介于0.11D到0.18D之间。
其中一个实施例，所述主反射器300与所述副反射器400同轴设置，所述主反射器300焦点与副反射器400实焦点重合。进一步地，所述馈源设置于所述副反射器400双曲面的虚焦点处。其中，主反射器300为抛物面结构，抛物面焦距为f，由公式可以得到抛物面焦距为f的值。其中，ψ0为抛物面主反射器300半张角。副反射器400为双曲面结构，双曲面的焦距为fc，由确定双曲面的焦距fc其中为双曲面副反射器400半张角。
具体的，请一并参阅图3，副反射器400可以为旋转双曲面结构，其中旋转双曲面直径需要权衡能量多和遮挡小来选择。
双曲面的参数方程为：
其中，u,v是参数，u的范围0～1.2mm，v的范围是0～2π，dis是供调节以保证双曲面与抛物面焦点重合的位移量。
双曲面离心率为e，焦距为fc，a和b的值与离心率e和焦距fc相关。离心率e可以由公式：得出，a的值可由公式：得到，根据公式b2＝c2-a2，由a与c的值可以得到b的值。
通过对副反射器400双曲面的优化就是确定合适的u的值。图3是副反射器400双曲面与天线增益的关系图，从图3中可以得出，优选的，参数u取1.2mm，此时的能量大并且遮挡小。
进一步地，设的副反射器400位置坐标为0，以这个点位置为原点，向正负两个方向调整副反射器400的位置，也即是调整副反射器400双曲面的焦距，需要注意的是与此同时要对双曲面结构形状做修正。因为双曲面的焦距fc改变，副反射面的半张角就会改变，双曲面的离心率e也会改变。所以优化焦距不单是改变双曲面的位置，还要修正双曲面的形状。图4是副反射器400双曲面焦距与光导天线100整体增益的关系图。从图4中可以得出，副反射器400的位置向靠近主反射器300的方向移动75um会得到更大的增益。
其中一个实施例，光导天线100靠近所述透镜200设置，所述光导天线100为卡塞格伦天线。所述光导天线100与所述透镜200之间的距离为0-0.04mm。具体地，光导天线100紧贴透镜200背面，辐射出的太赫兹波容易被反射使得透镜200正面的增益比较小，光导天线100与透镜200间隔一定距离后，由于太赫兹波入射角度减小，太赫兹波在透镜200背面发生的反射量减少，使得增益逐渐增大。当光导天线100与透镜200之间的距离继续增大，光导天线100离透镜200的距离越来越远时，有一部分太赫兹波向四周发散损失而没有进入会聚透镜200，所以光导天线100的增益降低了。因此，光导天线100不能紧贴透镜200背面，离透镜200背面的距离在一个适当值的时候可以得到最佳的增益，当光导天线100与透镜200的距离为0.036mm时增益达到最大。
具体的，通过调节光导天线100到透镜200表面的距离，可以得到光导天线100到透镜200距离与天线增益的关系图。从图5中可以获得以下信息：光导天线100紧贴透镜200背面时，即光导天线100与透镜200的距离为0，此时光导天线100的增益是最小的。光导天线100距离透镜200背面的距离增大时，光导天线100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。优选的，光导天线100与透镜200的距离为0.036mm，此时增益达到最大。
其中一个实施例中，所述透镜200的材质为硅。进一步地，透镜200的材质为高阻硅，高阻硅材料折射率易与典型的反射器衬底材料匹配，而且高阻硅材料对太赫兹频波的线性吸收非常低，因此整个太赫兹频谱的色散几乎可以忽略，并且使用高阻硅材料加工制作透镜200方法简单。具体的，可以采用折射率为3.418的高阻硅制作透镜200。透镜200的临界辐射角为45度，其焦点和顶端距离是1.414倍的透镜200半径。
进一步，透镜200的尺寸与光导天线100的大小是成比例关系的，光导天线100的大小又是和工作频率成比例关系的，所以透镜200的尺寸取决于工作频率。随着透镜200半径的增大，天线的增益会增大，但当透镜200尺寸大到一定程度以后，比如1mm后，增益增大的速度就减慢，到后来基本保持不变。图6为0.21太赫兹下透镜半径与光导天线增益图。
太赫兹发射天线系统中的透镜200与光导天线100组合作为反射器的馈源，所以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200尺寸越大增益越大，透镜200的口径也不能很大。
馈源的方向图需要满足的一定的要求，这是太赫兹发射天线系统整体性能的可靠保证。首先馈源最好是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，因为最后太赫兹发射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是透镜200的半径分别为0.45mm、0.5mm和1.5mm时馈源的三维方向图。从图7中可以看出，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。
透镜200的半径、折射率等参数需要通过实验或仿真来确定，选取的依据就是使得副反射器边缘的照射电平为-12dB。
进一步，通过HFSS软件进行仿真实验。采用太赫兹发射天线系统设计时的等比例缩小的模型的方法来进行仿真。将主反射器300直径缩小为6mm，增益因子取0.45，对应的光导天线增益为18.9dB。
辐射增益三维方向图(绕xy平面旋转180后的结果)，如图8所示。通过仿真实验得到光导天线增益为18.0dB，比理论值小0.9dB，相对误差4.7％。因为18.9dB是理论可获得的最大值，所以后面还要对各个参数进行优化。从图8中可以得到主瓣辐射增益很强，方向图旋转对称，是理想的辐射方向图。同时也验证了卡塞格伦天线口径面分布均匀、主瓣较窄、副瓣较大的辐射特性。
请一并参阅图9，图9为仿真得到的波瓣图。图9中主反射器300是开口朝下的，所以这个波瓣图的辐射前方是向下的。波瓣宽度15度，说明卡塞格伦天线具有很强的方向性；旁瓣电平小于-30.8dB，远小于一般天线设计所要求的-20dB的要求；交叉极化电平-19.8dB。从波瓣图中进一步看出卡塞格伦天线的主瓣更加尖锐。
请一并参阅图10，在其中一个实施例中，当产生的太赫兹波束为0.21THz时，可以根据实际情况设置太赫兹发射天线系统。如图10所示，太赫兹发射天线系统中主反射器30抛物面的直径为61.3mm，焦距为21.46mm。其中，反射器300抛物面的焦距为抛物面的顶点到焦点之间的距离。副反射器400双曲面的直径为11.03mm，焦距为15.55mm。副反射器400双曲面的焦距为馈源至双曲面的距离。主反射器30抛物面的半张角为71度，副反射器400双曲面的半张角为22度。
本发明提供的太赫兹发射天线由两个反射器组成，设计时可选择和调整的参数增多，增加了设计的灵活性。同时，针对太赫兹探测危化品的特殊性，有时需要太赫兹波束具有特定的相位特征或波形特征，我们可以灵活地选取主反射面和副反射面的形状，对波束赋形，提高太赫兹发射天线性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹发射天线系统，其特征在于，包括光导天线、透镜、主反射器、副反射器；
所述光导天线用于产生太赫兹辐射波；
所述透镜用于对所述太赫兹辐射波进行会聚，将会聚后的太赫兹辐射波作为发射天线的馈源；
所述副反射器用于将汇聚后的太赫兹辐射波反射至主反射器；
所述主反射器用于将经过副反射器反射的太赫兹波再次进行反射，形成太赫兹波束。
2.根据权利要求1所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述主反射器为抛物面结构，所述副反射器为双曲面结构，且主反射器与副反射器弯曲方向相同。
3.根据权利要求2所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述主反射器抛物面直径为：
其中，G为太赫兹发射天线增益，D为主反射器直径抛物面直径，λ为太赫兹波长，g为太赫兹卡塞格伦定向发射天线的增益因子。
4.根据权利要求3所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述副反射器双曲面直径为主反射器直径的0.11-0.18倍。
5.根据权利要求2所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述主反射器与所述副反射器同轴设置，所述主反射器焦点与副反射器实焦点重合。
6.根据权利要求2所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述透镜设置于所述副反射器双曲面的虚焦点处。
7.根据权利要求1所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述光导天线靠近所述透镜设置，所述光导天线与所述透镜之间的距离为0-0.04mm。
8.根据权利要求1所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述透镜的材质为硅。
9.根据权利要求8所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述硅折射率为3.418，临界辐射角为45度。
10.根据权利要求1所述的太赫兹发射天线系统，其特征在于，所述光导天线通过馈电转接集成模块与金属电极连接。
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