CN109768385A - 一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带大容量太赫兹超材料孔径成像天线，装置包括：太赫兹超材料随机辐射孔网和太赫兹超宽带变耦合馈电系统；所述的太赫兹超材料随机辐射孔网由大量多种类的超材料单元模块组成；所述的太赫兹超宽带变耦合馈电系统包括宽带馈电模块、匹配模块及太赫兹能量传输模块；宽带馈电模块接收从馈源馈入的能量，并将其传输至匹配模块；匹配模块实现从宽带馈电模块至太赫兹能量传输模块的匹配；太赫兹能量传输模块将馈入的能量，均匀的覆盖整个太赫兹超材料随机辐射孔网，使每个超材料单元模块均可从太赫兹能量传输模块中有选择性的耦合并辐射能量。该发明满足实现超分辨率大面积非相干成像所需的测量模式需求。

Description

一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线

技术领域

本发明涉及超材料孔径成像天线领域，特别涉及一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线。

背景技术

现有的超材料随机辐射天线主要分为两种，无源超材料孔径随机辐射天线与有源超材料孔径随机辐射天线。这两种类型的随机辐射天线均通过电磁波照射超材料表面，利用超材料表面随机反射或者随机透射产生随机波束。无源超材料孔径随机辐射天线采用波导或者谐振腔作为馈电系统，将同轴线/波导馈入的能量均匀的分布于在波导或者谐振腔中。随机排布在超材料孔径上、具有不用谐振频率的超材料单元将波导或者谐振腔中谐振的电磁波有选择性的透射或者反射出去，实现不同频点下随机波束的产生。

有源超材料孔径随机辐射天线也采用谐振腔作为馈电系统，通过对有源超材料单元进行设计，在不同的外界条件下产生不同的谐振频率。而随机排布在谐振腔表面、谐振频率受外界条件控制的超材料单元被谐振腔内的电磁波照射并进行辐射，从而实现不同控制条件下随机波束的产生。

现有的超材料孔径随机辐射天线至少存在以下问题：

有源超材料随机辐射天线很难应用于太赫兹频段，因为有源器件的控制目前难以实现，而其有源器件的成本也非常昂贵。无源超材料孔径随机辐射天线则存在辐射效率低，因为带宽的限制导致的探测模式数少，探测模式之间相关性高等问题。目前的超材料随机辐射天线设计暂时无法同时实现超宽带设计、高辐射效率设计以及大容量低相关性探测模式设计。

发明内容

本发明的目的是设计一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，通过该发明，将超材料单元与馈电系统进行一体化设计，采用耦合辐射模式在太赫兹频段同时实现超宽带设计、高辐射效率设计以及大容量低相关性探测模式设计。采用该天线进行目标探测，其各个探测模式之间的低相关性具备实现高超分辨率非相干探测成像的物理基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，包括：金属底板、设置在金属底板上的第一介质层和设置在第一介质层上的第二介质层；第一介质层上设置有太赫兹超宽带变耦合馈电系统，第二介质层设置有太赫兹超材料随机辐射孔网；

所述的太赫兹超材料随机辐射孔网由多个具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块阵列排布构成；

超材料单元模块用于从太赫兹超宽带变耦合馈电系统中有选择性的耦合能量并进行辐射；

所述的太赫兹超宽带变耦合馈电系统包括依次连接的宽带馈电模块、匹配模块和太赫兹能量传输模块；

宽带馈电模块，用于接收从馈源馈入的能量，将其传输到带状线上，并经过匹配模块将能量传递给太赫兹能量传输模块；

匹配模块，用于从宽带馈电模块至太赫兹能量传输模块的混合渐变式阻抗匹配，并将能量从宽带馈电模块均匀传输至太赫兹能量传输模块；

太赫兹能量传输模块，用于将匹配模块传输的能量，均匀的传输到整个太赫兹超材料随机辐射孔网覆盖区域，使每个超材料单元模块等概率的从太赫兹能量传输模块中定向耦合能量。

作为本发明的进一步改进，所述的太赫兹超材料随机辐射孔网在各个离散频点上的探测模式通过其上的多个超材料单元模块的参数与位置随机性产生；

其中，多个超材料单元模块具有不同电磁参数与结构参数，不同的超材料单元模块谐振频率在整个工作带宽内随机分布，不同的超材料单元模块在太赫兹超材料随机辐射孔网上随机分布。

作为本发明的进一步改进，所述的超材料单元模块的谐振特性为宽带多频点谐振，通过电磁参数与结构参数的选择对其谐振特性进行控制，多个超材料单元模块间的耦合通过高阻磁壁或者低阻导行环结构进行控制。

作为本发明的进一步改进，所述的超材料单元模块产生的探测模式相关性系数低于0.2。

作为本发明的进一步改进，所述的匹配模块是由两个对称的渐变线一端相交、另一端与一个直线相切围成的渐变线结构，两个渐变线相交一端与宽带馈电模块连接，两个渐变线与直线相切一端与太赫兹能量传输模块连接。

作为本发明的进一步改进，匹配模块的反射系数小于-20dB。

作为本发明的进一步改进，所述的太赫兹能量传输模块为网格结构，太赫兹能量传输模块的能量无反射传输。

作为本发明的进一步改进，在太赫兹能量传输模块同侧馈电的多个端口中，任意两个端口之间的隔离度都低于-15dB。

相对与现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明的装置由金属底板、太赫兹超宽带变耦合馈电系统和太赫兹超材料随机辐射孔网组成，太赫兹超材料随机辐射孔网由多个具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块阵列排布构成，具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块定向耦合能量并辐射，其参数分布特性与位置分布特征是通过优化方法获取，实现大探测模式容量、低探测模式相关性的目的；在太赫兹波段内，可实现超宽带馈电(回波损耗低于-10dB)。太赫兹超宽带变耦合馈电系统在不同频率、相同馈电端口激励下产生低相关性系数的探测模式；同时在相同频率、不同馈电端口激励下产生低相关性系数的探测模式；本发明的天线辐射效率在工作频段高于50％，高于目前已有超材料孔径成像天线辐射效率；本发明的天线在不同频率下产生的探测模式的相关性系数低于0.2，作为测量模式应用于超分辨率非相干成像。该发明同时实现了宽带，大探测模式容量以及低相关性设计，在整个太赫兹波段完成了超宽带、高辐射效率、低探测模式相关性设计实例，该发明满足实现超分辨率大面积非相干成像所需的测量模式需求。

进一步，匹配模块采用多级多模渐变带状线设计方法，根据带状线反射系数优化设计结果，通过多级多模式优化带状线的阻抗渐变形式即带状线宽度渐变方式时，其反射系数可近似为0。

进一步，匹配模块采用空间三维交叉混合渐变结构，实现工作带宽内从输入阻抗到输出阻抗的匹配，反射系数小于-20dB。

附图说明

图1为本发明实施例超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线的结构示意图；

图2为图1中太赫兹超材料随机辐射孔网的结构示意图；

图3为图1中太赫兹超宽带变耦合馈电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例所举超宽带馈电的实现；

图5为本发明实施例所产生的不同频率、相同馈电端口下的探测模式幅度图和相同频率、不同馈电端口下的探测模式幅度图；其中(a)为290GHz与290.5Ghz两个频点下时的探测模式幅度图，(b)为290GHz与290.5Ghz两个频点下时的探测模式幅度图，(c)为290GHz两个馈电端口分别激励时的探测模式幅度图，(d)为290GHz两个馈电端口分别激励时的探测模式幅度图；

图6为本发明实施例的辐射效率；

图7为本发明实施例不同频率下探测模式的相关性系数。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，包括：金属底板3、设置在金属底板3上的第一介质层和设置在第一介质层上的第二介质层。第一介质层上设置有太赫兹超宽带变耦合馈电系统2，第二介质层设置有太赫兹超材料随机辐射孔网1。

太赫兹超宽带变耦合馈电系统2位于太赫兹超材料随机辐射孔网1与金属底板3之间的介质材料中；

如图2所示，太赫兹超材料随机辐射孔网1由多个不同结构参数与电磁参数的超材料单元模块11组成；各类超材料单元的电磁参数与结构参数决定了超材料单元在太赫兹宽带范围内各个离散频点与极化方向上的阻抗特性与辐射特征。

太赫兹超材料随机辐射孔径1在各个离散频点上的探测模式通过其上的超材料单元模块11的参数与位置随机性产生；

其中，各类超材料单元模块11具有不同电磁参数与结构参数，不同的超材料单元模块11谐振频率在整个工作带宽内随机分布，其在太赫兹超材料随机辐射孔径1上的位置也随机分布。具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块11定向耦合能量并辐射，其参数分布特性与位置分布特征是通过优化方法获取，实现大探测模式容量、低探测模式相关性的目的。

超材料单元模块11通过改变结构参数改变其谐振频率的分布特征，从而使得具有不用参数下的超材料单元从特定频率的电磁波中耦合能量并进行辐射。在整个孔径面的位置上阵列排布各类型的超材料单元模块11，构成了太赫兹超材料随机辐射孔网1。根据天线阵理论，当以特定频率激励时，位于随机位置、在该频率上谐振的超材料单元模块11将从电磁波中耦合能量并辐射，从而该太赫兹超材料随机辐射孔网1产生探测模式具有低相关性，且以不同频率激励，该太赫兹超材料随机辐射孔网1产生的探测模式具有低相关性。

具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块11定向耦合能量并辐射，其参数分布特性与位置分布特征是通过优化方法获取，实现大探测模式容量、低探测模式相关性的目的。

超材料单元模块11用于从太赫兹超宽带变耦合馈电系统2中有选择性的耦合能量并进行辐射，其所产生的探测模式包含幅度和相位特征的辐射方向图相关性系数低于0.2。

超材料单元模块11其谐振特性为宽带多频点谐振，通过电磁参数与结构参数的选择对其谐振特性进行控制，多个超材料单元模块11间的耦合通过高阻磁壁或者低阻导行环结构进行控制。

如图3所示，太赫兹超宽带变耦合馈电系统2包括宽带馈电模块21、匹配模块22和太赫兹能量传输模块23；宽带馈电模块21将能量传输到带状线上进行进一步的传输；匹配模块22实现宽带馈电模块21与太赫兹能量传输模块23的梯度阻抗匹配；太赫兹能量传输模块23实现传输能量在整个太赫兹超材料随机辐射孔网1区域的均匀能量覆盖。

具体的，宽带馈电模块21与外部馈电源相连，将输入的能量传递到带状线上，并传输至匹配模块22；宽带馈电模块21的特征阻抗与馈电部分的阻抗实现宽带匹配，保证输入能量几乎没有反射；超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线的回波损耗及端口间的互耦损耗如图4所示。

匹配模块22采用多级多模渐变带状线设计方法，根据带状线反射系数优化设计结果，通过多级多模式优化带状线的阻抗渐变形式即带状线宽度渐变方式时，其反射系数可近似为0；匹配模块22实现了从宽带馈电模块21的特征阻抗到太赫兹能量传输模块23特征阻抗的变换，从而使得由宽带馈电模块21传输来的能量经由匹配模块22传输至太赫兹能量传输模块23，并均匀分布在太赫兹能量传输模块23之上。

匹配模块22采用空间三维交叉混合渐变结构，具体结构如图3所示，所述的匹配模块22是由两个对称的渐变线一端相交、另一端与一个直线相切围成的渐变线结构，两个渐变线相交一端与宽带馈电模块21连接，两个渐变线与直线相切一端与太赫兹能量传输模块23连接。实现工作带宽内从输入阻抗到输出阻抗的匹配，反射系数小于-20dB。

太赫兹能量传输模块23采用交叉带状线结构，由匹配模块22传输来的能量均匀的分布在太赫兹能量传输模块23前端，经由太赫兹能量传输模块23均匀的覆盖太赫兹高分辨率太赫兹孔径1上每个超材料单元模块11；从而使得超材料单元模块11可以从宽频带激励中同时选取特定频率耦合能量并进行辐射。

太赫兹能量传输模块23采用格型单向传输结构，实现能量无反射传输；在同侧馈电的多个端口中，任意两个端口之间的隔离度都低于-15dB。

超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线产生的探测模式之间相关性低，构成实现超分辨率成像的物理基础。

该发明实施例所描述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线中，超材料单元模块11、宽带馈电模块21以及太赫兹能量传输模块23的电磁特性对结构加工误差不敏感，加工误差控制在10％以内即可，远高于传统高频器件。

由于本发明中太赫兹超材料随机辐射孔网1和太赫兹超宽带变耦合馈电系统2的设计，该超宽带大容量太赫兹超材料孔径成像天线在相同馈电端口、不同激励频率下的探测模式幅度图与在不同馈电端口、相同激励频率下的探测模式幅度图如图5所示，在前向辐射中，不同频点与不同馈电端口所形成的探测模式具有明显的差异，即探测模式相关性很低；其辐射效率如图6所示，其辐射效率均高于75％，且辐射效率随着频率的升高有所升高。通过本发明的设计，如图7所示，其探测模式间的相关性均低于0.2，适合于关联成像、高效率探测等应用场景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，包括：金属底板(3)、设置在金属底板(3)上的第一介质层和设置在第一介质层上的第二介质层；第一介质层上设置有太赫兹超宽带变耦合馈电系统(2)，第二介质层设置有太赫兹超材料随机辐射孔网(1)；

所述的太赫兹超材料随机辐射孔网(1)由多个具有不同电磁参数与结构参数的超材料单元模块(11)阵列排布构成；

超材料单元模块(11)用于从太赫兹超宽带变耦合馈电系统(2)中有选择性的耦合能量并进行辐射；

所述的太赫兹超宽带变耦合馈电系统(2)包括依次连接的宽带馈电模块(21)、匹配模块(22)和太赫兹能量传输模块(23)；

宽带馈电模块(21)，用于接收从馈源馈入的能量，将其传输到带状线上，并经过匹配模块(22)将能量传递给太赫兹能量传输模块(23)；

匹配模块(22)，用于从宽带馈电模块(21)至太赫兹能量传输模块(23)的混合渐变式阻抗匹配，并将能量从宽带馈电模块(21)均匀传输至太赫兹能量传输模块(23)；

太赫兹能量传输模块(23)，用于将匹配模块(22)传输的能量，均匀的传输到整个太赫兹超材料随机辐射孔网(1)覆盖区域，使每个超材料单元模块(11)等概率的从太赫兹能量传输模块(23)中定向耦合能量。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，所述的太赫兹超材料随机辐射孔网(1)在各个离散频点上的探测模式通过其上的多个超材料单元模块(11)的参数与位置随机性产生；

其中，多个超材料单元模块(11)具有不同电磁参数与结构参数，不同的超材料单元模块(11)谐振频率在整个工作带宽内随机分布，不同的超材料单元模块(11)在太赫兹超材料随机辐射孔网(1)上随机分布。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，所述的超材料单元模块(11)的谐振特性为宽带多频点谐振，通过电磁参数与结构参数的选择对其谐振特性进行控制，多个超材料单元模块(11)间的耦合通过高阻磁壁或者低阻导行环结构进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，所述的超材料单元模块(11)产生的探测模式相关性系数低于0.2。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，所述的匹配模块(22)是由两个对称的渐变线一端相交、另一端与一个直线相切围成的渐变线结构，两个渐变线相交一端与宽带馈电模块(21)连接，两个渐变线与直线相切一端与太赫兹能量传输模块(23)连接。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，匹配模块(22)的反射系数小于-20dB。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，所述的太赫兹能量传输模块(23)为网格结构，太赫兹能量传输模块(23)的能量无反射传输。

8.根据权利要求1所述的一种超宽带大容量太赫兹超材料随机辐射天线，其特征在于，在太赫兹能量传输模块(23)同侧馈电的多个端口中，任意两个端口之间的隔离度都低于-15dB。