CN108134206B - 台阶波纹太赫兹喇叭天线 - Google Patents

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    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0208—Corrugated horns
    • H01Q13/0225—Corrugated horns of non-circular cross-section

Abstract

本发明请求保护一种台阶波纹太赫兹喇叭天线，所述天线包括波导、辐射段以及法兰盘三部分组成。波导位于辐射段底部，波导和辐射段嵌入法兰盘。该天线采用波导、辐射段和法兰盘为一体设计结构，波导采用的是WR‑2.8国际标准矩形波导；辐射段由N个台阶波纹组成；法兰盘上面有4个大小相同的空心圆柱，用来便于固定台阶波纹太赫兹喇叭天线；本发明采用台阶波纹结构可以使电磁波集中辐射从而提高增益与降低3dB主瓣宽度。该天线具有结构简单、便于加工、方向性好、增益高、3dB主瓣宽度小等诸多优势。

Description

台阶波纹太赫兹喇叭天线
技术领域
本发明属于太赫兹通信单元组件，具体而言，是一款台阶波纹太赫兹喇叭天线。
背景技术
太赫兹波是指频率范围在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。近年来，太赫兹波的研究在国际上受到广泛关注，它是电磁波谱中最后一个还未得到广泛应用的波段，而太赫兹波又有其独特优势：穿透性强、通信传输容量大、方向性好、抗干扰能力强。因此，太赫兹技术的发展对太赫兹波的研究起着推动性的作用。
在通信方面，太赫兹波可以作为高速宽带的通信载体，太赫兹通信具有极高的方向性和穿透性，适用于恶劣环境下的短距离保密通讯。天线在太赫兹通信系统中是必不可少的器件之一，天线是太赫兹通信系统中发射端最后一个器件，接收端第一个器件。因此，研究高增益、低3dB主瓣宽度的定向天线对太赫兹通信系统起着至关重要的的作用。
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，3dB主瓣宽度较高的问题，因此提出一款台阶波纹太赫兹喇叭天线，该天线与传统的喇叭天线相比，在喇叭内腔加入了台阶波纹，从而可以使辐射的能量集中的定向传输，提升了天线的增益并且降低了3dB主瓣宽度。提出了一种方法，本发明的技术方案如下：
一种台阶波纹太赫兹喇叭天线，其包括喇叭天线，所述喇叭天线包括波导、辐射段及法兰盘三部分，所述波导在喇叭腔内部与辐射段最底部相连，所述辐射段由N个矩形台阶波纹组成，所述矩形台阶波纹长和宽由底向上依次等间隔增大，所述辐射段外部与法兰盘连为一体。
进一步的，所述矩形台阶波纹的每一阶台阶的高度为h，台阶的宽度为k，由下到上每节台阶的长为ai，宽为bi，ai以及bi可根据公式求得
Figure BDA0001544076890000021
i＝1,2,3……N，N为台阶总数，N的个数取决于台阶波纹太赫兹喇叭天线的高度l4。
进一步的，所述台阶波纹太赫兹喇叭天线高度l4＝4.5mm，台阶总数N＝18，台阶宽度k＝0.08mm。
进一步的，所述波导采用的是国际标准WR-2.8矩形波导,矩形波导长a1＝0.710mm，宽b1＝0.355mm，波导传输长度通常取值λc/4～λc/2，λc为中心频率对应的波长，波导传输长度与台阶高度h相同，h＝0.25mm。
进一步的，所述法兰盘与台阶波纹太赫兹喇叭天线连接为一个整体，法兰盘为长、宽、高各为l1，l1，l4的长方体，在天线的辐射口径面有4个直径同为d的空心圆柱，在台阶波纹长度为ai的方向两个空心柱圆心相距l2，在台阶波纹长度为bi的方向两个空心柱圆心相距l3。
进一步的，所述4个空心圆柱直径d＝3mm，l1，l2，l3的长度分别为l1＝20mm，l2＝12.7mm，l3＝13.4mm。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明通过在喇叭腔内嵌入台阶波纹以抑制旁瓣电平与后瓣电平，使太赫兹波能量能够集中的定向传输，从而达到提高天线增益降低3dB主瓣宽度的目的。本发明能够有效的提升天线的增益、降低天线的3dB主瓣宽度，并且结构简单、体积较小、易于加工等优点，适用于太赫兹通信系统。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例台阶波纹太赫兹喇叭天线三维结构图；
图2是本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线侧视结构图；
图3是本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线俯视结构图；
图4是本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线增益曲线图；
图5是本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线3dB主瓣宽度曲线图；
图6是本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线S11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所示为本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线三维结构图，天线工作于320～380GHz频率范围内。其结构材料为铜，包括波导1、辐射段2、法兰盘3三部分。本发明采用台阶波纹喇叭天线与法兰盘一体的结构，便于天线在太赫兹通信系统中固定。台阶波纹太赫兹喇叭天线能够较集中的把太赫兹波定向辐射出去。
所述波导采用国际标准矩形波导，本实施例中采用WR-2.8矩形波导，WR-2.8矩形波导长a1＝0.710mm，宽b1＝0.355mm，波导传输长度通常取值λc/4～λc/2，λc为中心频率对应的波长，波导传输长度与台阶高度h相同，h＝0.25mm。
图2为本发明台阶波纹太赫兹喇叭天线侧视结构图，由图可知，所述辐射段由N个矩形台阶波纹组成，每一阶台阶的高度为h，台阶的宽度为k。由图1台阶波纹太赫兹喇叭天线三维结构图可知，由下到上每节台阶的长为ai，宽为bi。ai以及bi可由下式求得
Figure BDA0001544076890000031
N为台阶总数，N的个数取决于台阶波纹太赫兹喇叭天线的高度l4，本实施例中优选台阶波纹太赫兹喇叭天线高度l4＝4.5mm，台阶总数N＝18，台阶宽度k＝0.08mm。
由图1台阶波纹太赫兹喇叭天线三维结构图可知，所述法兰盘与台阶波纹太赫兹喇叭天线连接为一个整体，法兰盘为长、宽、高各为l1，l1，l4的长方体。由图3台阶波纹太赫兹喇叭天线俯视结构图可知，在天线的辐射口径面有4个直径同为d的空心圆柱，在台阶波纹长度为ai的方向两个空心圆柱圆心相距l2，在台阶波纹长度为bi的方向两个空心圆柱圆心相距l3。本实施例中4个空心圆柱直径d＝3mm，l1，l2，l3的长度分别为l1＝20mm，l2＝12.7mm，l3＝13.4mm。
利用CST2015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4是实施例的增益曲线，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19.0dB，在380GHz达到增益最大值20.4dB，在中心频点350GHz处增益达到19.9dB。
图5是实施例的3dB主瓣宽度曲线，由图可知在整个频率范围内，3dB主瓣宽度整体呈下降趋势，在320～380GHz频率范围内3dB主瓣宽度均小于16.5°，在380GHz处3dB主瓣宽度达到最小值12.0°。
图6是是实施例的S11曲线，由图可知在320～380GHz范围内S11均小于-17dB，在348GHz处S11达到最小值-25dB。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种台阶波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，包括喇叭天线，所述喇叭天线包括波导、辐射段及法兰盘三部分，所述波导在喇叭腔内部与辐射段最底部相连，所述辐射段由N个矩形台阶波纹组成，所述矩形台阶波纹长和宽由底向上依次等间隔增大，所述辐射段外部与法兰盘连为一体；
所述矩形台阶波纹的每一阶台阶的高度为h，由下到上每节台阶的长为ai，宽为bi，ai以及bi可根据公式求得
Figure FDA0002369621100000011
i＝1,2,3……N，N为台阶总数，N的个数取决于台阶波纹太赫兹喇叭天线的高度l4。
2.根据权利要求1所述的台阶波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，所述台阶波纹太赫兹喇叭天线高度l4＝4.5mm，台阶总数N＝18。
3.根据权利要求1所述的台阶波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，所述波导采用的是国际标准WR-2.8矩形波导,矩形波导长a1＝0.710mm，宽b1＝0.355mm，波导传输长度取值λc/4～λc/2，λc为中心频率对应的波长。
4.根据权利要求1所述的台阶波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，所述法兰盘与台阶波纹太赫兹喇叭天线连接为一个整体，法兰盘为长、宽、高各为l1，l1，l4的长方体，在天线的辐射口径面有4个直径同为d的空心圆柱，在台阶波纹长度为ai的方向两个空心圆柱圆心相距l2，在台阶波纹宽度为bi的方向两个空心圆柱圆心相距l3。
5.根据权利要求4所述的台阶波纹太赫兹喇叭天线，其特征在于，所述4个空心圆柱直径d＝3mm，l1，l2，l3的长度分别为l1＝20mm，l2＝12.7mm，l3＝13.4mm。
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