CN107240777A - 双向波纹太赫兹喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双向波纹太赫兹喇叭天线，所述天线包括波导段、模式变换段、辐射段三部分，波导段连接模式变换段，模式变换段介于波导段和辐射段之间，波导段采用圆波导，模式变换段采用轴向波纹，辐射段采用纵向波纹，辐射段输入端到输出端由N个纵向同心波纹组成，太赫兹波由波导段输入端传入波导段，再送入模式变换段将太赫兹波TE₁₁模式波转变为HE₁₁模式波，由辐射段将转变为HE₁₁模式波的太赫兹波定向传输出去。通过在喇叭腔内嵌入圆环波纹槽以抑制旁瓣电平，使远场振幅分布锥削，得到对称的方向图，从而达到提高天线增益的目的。

Description

双向波纹太赫兹喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种太赫兹通信单元组件，具体是一种双向波纹太赫兹喇叭天线。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，波长大概在0.03～3mm范围内，介于微波与远红外光之间。太赫兹科学技术领域是电子学与光子学交叉融合的一个电磁波谱新领域。由于太赫兹波处于电磁波谱的特殊位置，因此太赫兹波具有它自己的独特优势：穿透性强、通信传输容量大、方向性好、适用于卫星间星际通信以及短距离的大气通信。但是太赫兹波应用于通信中时也会受到一些因素的限制，最为严重的一点就是太赫兹波在大气中传输时衰减较大，水蒸气对太赫兹波的吸收最为严重。近年来由于新材料、新技术的发展，特别是超快技术的推进使得太赫兹技术得以迅速发展。

太赫兹天线作为发射和接收太赫兹波的装置，是太赫兹无线通信系统必不可少的器件之一。目前应用与太赫兹频段的天线主要有平面天线、新材料天线和喇叭天线。平面天线存在一种致命的缺陷—厚介质模式(也被成为表面波效应)，会带来大量的能量损失；新材料天线主要依赖于新材料的发展与创新；喇叭天线作为一种定向性的天线，在太赫兹无线通信中作为发射信号的馈源使用，现有技术使用的喇叭天线存在增益低、旁瓣电平大等缺陷，而加入波纹槽后可以提高增益、抑制旁瓣，易于实现轴对称的波束，但存在不能集中把能量定向传输等问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中太赫兹天线增益较低，不能集中把能量定向传输的问题。提出一种双向波纹太赫兹喇叭天线，该天线与传统的波纹喇叭天线相比，模式变换段波纹数目减少，并且天线增益与3dB主瓣宽度均优于传统的波纹喇叭天线。

本发明解决上述技术问题的技术方案是提出一种双向波纹太赫兹喇叭天线，该天线包括：波导段、模式变换段以及辐射段三部分，所述波导段为圆形波导，所述模式变换段包括M(M通常取2-6)个轴向波纹(电磁波辐射方向为轴向)，所述辐射段包括N(N由辐射段长度决定)个纵向波纹组成(垂直于电磁波辐射方向为纵向)。当圆形波导内需要传输TE₁₁模式波，其波导段内半径a₁根据公式：1.84≤2πa₁/λ_c≤3.83确定，波导段长度为1个波长，即中心频率对应的波长λ_c。

所述模式变换段内半径与圆形波导内半径相同；其包括M个轴向的同心波纹，由内向外依次为第1个波纹到第M个波纹，模式变换段将TE₁₁模式波转化为HE₁₁模式波。由辐射段将转变为HE₁₁模式波的太赫兹波定向传输出去。

本发明的实施例进一步包括：根据公式：确定所述模式变换段轴向波纹的槽深，其中，h(n)为第n个波纹的槽深，n取(1，2，…，M)，M为轴向波纹数，由内到外依次为第1到第M个波纹。

本发明的实施例进一步包括根据公式：a(z)＝0.268*z+1.014(0≤z≤10λ_c)确定所述辐射段输入端内半径与输出端内半径，当z取0时，a(0)为输入端内半径；当z取10λ_c时，a(10λ_c)为输出端内半径，其中，z为辐射段长度。

本发明的实施例进一步包括，根据中心频率对应的波长λ_c，调用公式：λ_c＝5P计算辐射段中每个纵向同心波纹的波纹周期P，每个波纹周期P由槽宽w和齿宽t组成，即P＝w+t，槽宽w与齿宽t的关系为w/t＝4，辐射段的水平倾斜角θ最优为15°，纵向波纹的槽深均为λ_c/4。辐射段主要实现太赫兹波定向传播。

本发明通过在喇叭腔内嵌入圆环波纹槽以抑制旁瓣电平，使远场振幅分布锥削，得到对称的方向图，从而达到提高天线增益的目的。本发明能够有效的提高天线的增益、降低天线的3dB主瓣宽度。结构紧凑、体积小、重量轻，具有突出的使用性特征，适用于太赫兹通信系统。

附图说明

图1是本发明双向波纹太赫兹喇叭天线仿真截面图；

图2是本发明双向波纹太赫兹喇叭天线几何截面图；

图3是本发明双向波纹太赫兹喇叭天线的S₁₁参数、增益、3dB主瓣宽度仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，仅用于解释本发明，不能理解为对本发明的限制。如图1所示为本发明双向波纹太赫兹喇叭天线仿真截面图，天线工作于320-380GHz频率范围内。其结构材料为铜，包括波导段、模式变换段、辐射段三部分，波导段连接模式变换段，模式变换段介于波导段和辐射段之间，波导段采用圆波导，模式变换段采用轴向波纹，辐射段采用纵向波纹。太赫兹波由波导输入端传入波导段，再由模式变换段把TE₁₁模式波转变为HE₁₁模式波，最后由辐射段把太赫兹波定向传输出去。

图2为本发明双向波纹太赫兹喇叭天线几何截面图。包括，波导段1、模式变换段2、辐射段3。

其波导段内半径a₁由下式确定：1.84≤2πa₁/λ_c≤3.83，波导长度为1个波长，即中心频率对应的波长λ_c。

模式变换段采用M个轴向波纹，由内到外依次为第1到第M个波纹(M通常取2-6)，根据公式：确定波纹的槽深(即波纹半径的长度)。其中，h(n)为第n个波纹的槽深，n取(1，2，…，M)。本实施例优选于λ_c＝5P，P为波纹周期，每个波纹周期由槽宽w(即波纹宽度)和齿宽t组成，即P＝w+t；槽宽w与齿宽t的比值最优选可为w/t＝4。

如所述模式变换段内半径与波导段内半径相同同为a₁，长度为0.75λ_c；轴向波纹数优选M＝2，2个轴向波纹的槽深依次为λ_c/2，λ_c/4。

根据辐射段长度z调用公式：a(z)＝0.268*z+1.014(0≤z≤10λ_c)确定辐射段输入端内半径与输出端内半径，当z取0时，a(0)为输入端内半径；当z取10λ_c时，a(10λ_c)为输出端内半径。其中，z为辐射段的长度。

从辐射段输入端到输出端由N个纵向同心波纹组成；本实施例纵向波纹数优选N＝49，辐射段λ_c＝5P，P为波纹周期，每个波纹周期由槽宽(即波纹宽度)w与齿宽t组成，P＝w+t，w/t＝4，纵向波纹的槽深(即波纹半径长度)均为λ_c/4；辐射段的水平倾斜角θ为15°。

利用CST2013电磁仿真软件对示例进行测试，工作频率范围为320～380GHz，其中心频率为350GHz。

图3(a)是利用CST2013电磁仿真软件对示例进行测试获得的S₁₁参数曲线，由图可知在320～380GHz范围内S₁₁均小于-23dB，在335GHz处，S₁₁达到-36dB，在350GHz中心频点处，S₁₁为-25dB。

图3(b)是利用CST2013电磁仿真软件对示例进行测试的增益，由图可知其频率范围为320～380GHz，在整个工作频率范围内其增益均高于24.2dB，中心频点350GHz处的增益为25.4dB，在380GHz处增益达到最大值27.1dB。

图3(c)是利用CST2013电磁仿真软件对示例进行测试的3dB主瓣宽度，由图可知在320～380GHz范围内，3dB主瓣宽度的范围为8.1°～11.9°，在350GHz中心频点处，其3dB主瓣宽度为11.2°，其最小值出现在380GHz处。本发明提出双向波纹太赫兹喇叭天线大大减小了3dB主瓣宽度，能够集中的把电磁波定向辐射。

尽管已经描述和示出了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其同等物限定。

Claims (5)

1.一种双向波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，所述天线包括波导段、模式变换段、辐射段三部分，波导段连接模式变换段，模式变换段介于波导段和辐射段之间，波导段采用圆波导，模式变换段采用轴向波纹，辐射段采用纵向波纹，辐射段输入端到输出端由N个纵向同心波纹组成，太赫兹波由波导段输入端传入波导段，再送入模式变换段将太赫兹波TE₁₁模式波转变为HE₁₁模式波，由辐射段将转变为HE₁₁模式波的太赫兹波定向传输出去。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，当圆形波导内需要传输TE₁₁模式波，根据中心频率对应的波长λ_c，调用公式：1.84≤2πa₁/λ_c≤3.83确定波导段内半径a₁，波导段长度为1个波长的长度。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，根据公式：确定所述模式变换段轴向波纹的槽深，其中，h(n)为第n个波纹的槽深，n取(1，2，…，M)，M为轴向波纹数，由内到外依次为第1到第M个波纹。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，根据公式：a(z)＝0.268*z+1.014(0≤z≤10λ_c)确定所述辐射段输入端内半径与输出端内半径，当z取0时，a(0)为输入端内半径；当z取10λ_c时，a(10λ_c)为输出端内半径，其中，z为辐射段长度。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，根据中心频率对应的波长λ_c，调用公式：λ_c＝5P计算辐射段中每个纵向同心波纹的波纹周期P，每个波纹周期P由槽宽w和齿宽t组成，即P＝w+t，槽宽w与齿宽t的关系为w/t＝4，辐射段的水平倾斜角θ为15°，纵向波纹的槽深均为λ_c/4。