CN109063273A - 一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，包括：步骤1)确定太赫兹介质棒天线的棒体纵向长度；步骤2)确定介质棒天线的第一平面(1)的半径和第二平面(2)的半径；步骤3)获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l；步骤4)利用步骤3)获得的输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l，采用契比雪夫多级波导过渡理论，分别对太赫兹介质棒天线的四个匹配段进行切比雪夫多级波导变换，确定各个匹配段的阻抗；步骤5)获得第一匹配段(Z1)、第二匹配段(Z2)、第三匹配段(Z3)、第四匹配段(Z4)，并将其依次固定在介质棒的第二平面(2)上，形成完整的太赫兹介质棒天线；步骤6)获得天线增益和电压驻波比；步骤7)判断是否为最终的太赫兹介质棒天线。

Description

一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法

技术领域

本发明属于太赫兹波成像天线技术领域，具体涉及一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法。

背景技术

太赫兹被动成像原理类似于光学成像原理，由于工作频段的不同，势必在硬件的设计上存在差异，这种差异主要表现在成像系统的接收部分的形式。光学成像的研究已经有百余年的历史，已经成熟并在实际中应用广泛。但是，可见光以及近红外系统的穿透性不好，在恶劣天气、粉尘、黑天时，成像效果明显变差，成像物体有较厚的包装时，可见光乃至近红外的光波也难以穿透。因此，频率明显低于可见光及红外的太赫兹波就具有可见光乃至近红外的光波所不具有的优势。太赫兹波的穿透性明显强于可见光及红外线；同时，太赫兹波的理论分辨率又强于毫米波成像系统。因此，这些年来，太赫兹成像系统受到了广泛的关注。

介质棒天线作为一种高频馈源天线，用于成像系统中，其主波束较窄，增益较高，是一种具有较多应用的馈源天线。因此，随着太赫兹成像技术的发展，介质棒天线应用日趋增多。传统的太赫兹天线的制备方法中，主要利用经验公式获得。但是，现有的制备太赫兹天线的方法，所获得的馈源天线的带宽相对较窄，限制了介质棒天线的应用。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的制备太赫兹介质棒天线的方法存在上述缺陷，本发明提出了一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，将经验公式与切比雪夫多级波导过渡理论相结合，利用经验公式制备太赫兹介质棒天线的底面和顶面的口面半径，根据介质棒天线的棒体的长度估算出增益，再利用契比雪夫多级波导过渡理论，设计介质棒天线的四个匹配段。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，该方法包括：

步骤1)根据公式(1)，确定太赫兹介质棒天线的棒体纵向长度，即介质棒在竖直方向上的长度；其中，公式(1)为：

G＝6～9L/λ (1)

其中，G为增益；L为天线棒体的长度；λ为波长；其中，L小于或等于7λ；

步骤2)确定介质棒天线的第一平面的半径和第二平面的半径；

步骤3)利用仿真软件HFSS，获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l；

利用现有公式获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l较为困难，因此，利用仿真软件进行计算得到输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l。

步骤4)利用步骤3)获得的输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l，采用契比雪夫多级波导过渡理论，分别对太赫兹介质棒天线的第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4进行切比雪夫多级波导变换，确定各个匹配段的阻抗；

步骤5)利用仿真软件仿真端口阻抗，获得所需各个匹配段的半径，进而获得第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4，并将其依次固定在介质棒的第二平面上，且第四匹配段Z4紧贴在第二平面上，第三匹配段Z3固定在第四匹配段Z4上，第二匹配段Z2固定在第三匹配段Z3上，第一匹配段Z1固定在第二匹配段Z2上，形成完整的太赫兹介质棒天线；

步骤6)利用仿真软件，获得天线增益和电压驻波比；

步骤7)根据步骤6)获得的电压驻波比，判断步骤5)获得的太赫兹介质棒天线是否为最终的太赫兹介质棒天线。

在上述技术方案中，步骤6)中，太赫兹介质棒天线的增益小于或等于18dB；否则，无法采用上述方法制备太赫兹介质棒天线。

在上述技术方案中，所述步骤2)中，获得的介质棒天线棒体具体包括：

将步骤1)中获得的介质棒天线纵向长度作为已知，根据公式(2)和(3)，确定介质棒天线的第一平面的半径和第二平面的半径；其中，公式(2)，公式(3)为：

其中，r为顶面半径；λ₀为空气中波长；R为底面半径；ε为介电常数；

在此基础上，对第二平面的半径进行适度调整，直到满足第二平面的半径是馈电标准波导矩形长边的一半，可以增加天线带宽。

在上述技术方案中，所述步骤6)中，获得介质棒天线组具体包括：

计算通带内最大反射系数再根据Γ_m，计算最大角度再根据最大角度θ_m，计算第一匹配段的反射系数Γ₀，第二匹配段的反射系数Γ₁，第三匹配段的反射系数Γ₂、第四匹配段的反射系数Γ₃；其中，

其中，Γ₃＝Γ₁；A为Γ_m；N为匹配段数；

进而获得第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4。

在上述技术方案中，所述步骤7)具体包括：

在步骤4)和步骤5)获得的各个匹配段的阻抗和电阻，再利用仿真软件进行验证，观察增益和电压驻波比；

如果电压驻波比小于1.2，则完成制备太赫兹介质棒天线的方法，获得太赫兹介质棒天线；

如果电压驻波比大于或等于1.2，则返回步骤3)，并重复步骤3)-步骤7)，直至获得电压驻波比小于1.2的太赫兹介质棒天线。

本发明的优点在于：

有机结合了切比雪夫多级波导过渡理论和介质棒天线的棒体的设计，利用输入阻抗和输出阻抗，方法简单，电压驻波比在宽频带内匹配效果好于传统设计，在200-240GHz频带内，电压驻波比均小于1.2，可以达到预期目标。

附图说明

图1是本发明的一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法的流程图；

图2是采用图1的方法步骤获得的太赫兹介质棒天线的结构示意图；

图3是天线E面、H面增益图；

图4是本发明的一种用于制备太赫兹介质棒天线的电压驻波比图。

附图标记：

1、第一平面 2、第二平面

Z1、第一匹配段 Z2、第二匹配段

Z3、第三匹配段 Z4、第四匹配段

具体实施方式

如图1和2所示，本发明提出了一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，将经验公式与切比雪夫多级波导过渡理论相结合，利用经验公式制备太赫兹介质棒天线的底面和顶面的口面半径，根据介质棒天线的棒体的长度估算出增益，再利用契比雪夫多级波导过渡理论，设计介质棒天线的四个匹配段。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，该方法包括：

步骤1)根据公式(1)，确定太赫兹介质棒天线的棒体纵向长度，即介质棒在竖直方向上的长度；其中，公式(1)为：

G＝6～9L/λ (1)

其中，G为增益；L为天线棒体的长度；λ为波长；其中，L小于或等于7λ；

步骤2)确定介质棒天线的第一平面的半径和第二平面的半径；

步骤3)利用仿真软件HFSS，获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l；

利用现有公式获得获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l较为困难，因此，利用仿真软件进行计算得到输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l。

步骤4)利用步骤3)获得的输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l，采用契比雪夫多级波导过渡理论，分别对太赫兹介质棒天线的第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4进行切比雪夫多级波导变换，确定各个匹配段的阻抗；

步骤5)利用仿真软件，获得所需各个匹配段的半径，进而获得第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4，并将其依次固定在介质棒的第二平面上，且第四匹配段Z4紧贴在第二平面上，第三匹配段Z3固定在第四匹配段Z4上，第二匹配段Z2固定在第三匹配段Z3上，第一匹配段Z1固定在第二匹配段Z2上，形成完整的太赫兹介质棒天线；

步骤6)利用仿真软件，获得天线增益和电压驻波比；

步骤7)根据步骤6)获得的电压驻波比，判断步骤5)获得的太赫兹介质棒天线是否为最终的太赫兹介质棒天线。

在上述技术方案中，步骤6)中，太赫兹介质棒天线的增益小于或等于18dB；否则，无法采用上述方法制备太赫兹介质棒天线。

在上述技术方案中，所述步骤2)中，获得的介质棒天线棒体具体包括：

将步骤1)中获得的介质棒天线纵向长度作为已知，根据公式(2)和(3)，确定介质棒天线的第一平面的半径和第二平面的半径；其中，公式(2)，公式(3)为：

其中，r为顶面半径；λ₀为空气中波长；R为底面半径；ε为介电常数；

在此基础上，对第二平面的半径进行适度调整，直到满足第二平面的半径是馈电标准波导矩形长边的一半，可以增加天线带宽，获得的代价是损失1dB左右增益。

在上述技术方案中，所述步骤6)中，获得介质棒天线组具体包括：

计算通带内最大反射系数再根据Γ_m，计算最大角度再根据最大角度θ_m，计算第一匹配段的反射系数Γ₀，第二匹配段的反射系数Γ₁，第三匹配段的反射系数Γ₂、第四匹配段的反射系数Γ₃；其中

其中，Γ₃＝Γ₁；A为Γ_m；N为匹配段数；

进而获得第一匹配段Z1、第二匹配段Z2、第三匹配段Z3、第四匹配段Z4。

在上述技术方案中，所述步骤7)具体包括：

在步骤4)和步骤5)获得的各个匹配段的阻抗和电阻，再利用仿真软件进行验证，观察增益和电压驻波比；

如果电压驻波比小于1.2，则完成制备太赫兹介质棒天线的方法，获得太赫兹介质棒天线；

如果电压驻波比大于或等于1.2，则返回步骤3)，并重复步骤3)-步骤6)，直至获得电压驻波比小于1.2的太赫兹介质棒天线。

如图3和4所示，介质棒天线E面、H面主瓣方向图基本一致，电压驻波比在180-220GHz范围内保持在1.2以下。

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)

1.一种用于制备太赫兹介质棒天线的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1)根据公式(1)，确定太赫兹介质棒天线的棒体纵向长度；其中，公式(1)为：

G＝6～9L/λ (1)

其中，G为增益；L为天线棒体的长度；λ为波长；其中，L小于或等于7λ；

步骤2)确定介质棒天线的第一平面(1)的半径和第二平面(2)的半径；

步骤3)获得输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l；

步骤4)利用步骤3)获得的输入阻抗Z₀和输出阻抗Z_l，采用契比雪夫多级波导过渡理论，分别对太赫兹介质棒天线的第一匹配段(Z1)、第二匹配段(Z2)、第三匹配段(Z3)、第四匹配段(Z4)进行切比雪夫多级波导变换，确定各个匹配段的阻抗；

步骤5)获得第一匹配段(Z1)、第二匹配段(Z2)、第三匹配段(Z3)、第四匹配段(Z4)，并将其依次固定在介质棒的第二平面(2)上，且第四匹配段(Z4)紧贴在第二平面(2)上，第三匹配段(Z3)固定在第四匹配段(Z4)上，第二匹配段(Z2)固定在第三匹配段(Z3)上，第一匹配段(Z1)固定在第二匹配段(Z2)上，形成完整的太赫兹介质棒天线；

步骤6)获得天线增益和电压驻波比；

步骤7)根据步骤6)获得的电压驻波比，判断步骤5)获得的太赫兹介质棒天线是否为最终的太赫兹介质棒天线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，获得的介质棒天线棒体具体包括：

将步骤1)中获得的介质棒天线纵向长度作为已知，根据公式(2)和(3)，确定介质棒天线的第一平面(1)的半径和第二平面(2)的半径；其中，公式(2)，公式(3)为：

其中，r为顶面半径；λ₀为空气中波长；R为底面半径；ε为介电常数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6)中，太赫兹介质棒天线的增益小于或等于18dB。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中，获得介质棒天线组具体包括：

计算通带内最大反射系数再根据Γ_m，计算最大角度再根据最大角度θ_m，计算第一匹配段的反射系数Γ₀，第二匹配段的反射系数Γ₁，第三匹配段的反射系数Γ₂、第四匹配段的反射系数Γ₃；其中，

其中，Γ₃＝Γ₁；A为Γ_m；N为匹配段数；

进而获得第一匹配段(Z1)、第二匹配段(Z2)、第三匹配段(Z3)、第四匹配段(Z4)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)具体包括：

如果天线的电压驻波比小于1.2，则完成制备太赫兹介质棒天线的方法，获得太赫兹介质棒天线；

如果天线的电压驻波比大于或等于1.2，则返回步骤3)，并重复步骤3)-步骤7)，直至获得电压驻波比小于1.2的太赫兹介质棒天线。