CN113948877A - 一种太赫兹龙伯透镜多波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于太赫兹龙伯透镜多波束天线，涉及太赫兹天线领域，所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线包括金属枝节透镜和天线馈源，其中金属枝节透镜包括多个不同高度及直径的金属柱，通过调整金属柱的尺寸可以实现不同的等效介电常数分布，从而离散地逼近龙伯透镜所需的介电常数分布，透镜上下两侧的平板在末端展开了一定的张角来增加天线的方向性，可以不要任何有源器件，只需要进行端口的切换便可实现一维的波束扫描；于该天线的准光学工作方式，天线波束的指向只与馈源所在位置相关，相较于相控阵天线，该天线在进行波束扫描时，将不存在增益下降，旁瓣升高，栅瓣出现等问题，可在较宽的工作频带内进行馈源增益的提升。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹天线领域，具体涉及是一种太赫兹龙伯透镜多波束天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，太赫兹技术的精度高及宽频带的特性使其逐渐在通信、雷达、遥感等领域扮演着更加重要的角色。在太赫兹频段，为了应对较高的路径传播损耗，大规模、大口径的天线阵列是太赫兹天线发展的趋势。但大规模的天线阵列需要使用大量的收发组件来实现波束的灵活控制，这些收发组件将极大地增加系统的成本。
为了解决该问题，无源的波束形成网络是一种有效的方案，该类网络可以通过激励不同的馈电端口产生不同的相位梯度，从而实现不同的波束指向，该类设计相交于有源的相控阵天线成本更低，可靠性高，更加适用于毫米波及太赫兹频段的应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明设计了一种太赫兹龙伯透镜多波束天线，离散地逼近了龙伯透镜所需的介电常数分布，透镜上下的金属平板波导在末端展开了张角来增加天线的方向性，天线的馈源为矩阵波导，在进行波束扫描时，将不存在增益下降，旁瓣升高，栅瓣出现等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太赫兹龙伯透镜多波束天线，包括龙伯透镜和天线馈源，龙伯透镜包括多个高度和直径均不相同的金属柱，金属柱在一个圆形区域布置，金属柱顶端和底端为平行的金属平板波导，顶端的金属平板波导与金属柱顶端设有空气间隙，透镜辐射口处金属平板波导为半圆形，透镜辐射口的金属平板波导边缘设有张角；龙伯透镜中心处的折射率为1.414，龙伯透镜最外侧的折射率为1；
天线馈源为包括多个共面波导，共面波导布置在所述圆形区域的外侧，共面波导沿靠近矩形边的一个圆弧布置，所述圆弧与所述圆形区域同圆心，共面波导开口向外，共面波导上的平行双槽线逐渐展宽为两个三角形，对两种传输线进行阻抗及模式的匹配，其中共面波导段的特性阻抗为50ohm。
金属柱的横截面为多边形或圆形，多边形至少四条边。
金属柱到圆心的距离(n-1)*P，n为正整数，P为透镜单元自身的边长。
同一介电常数透镜层厚度应小于一倍波长，透镜单元应小于四分之一波长；金属平板波导的高度小于二分之一波长。
介电常数分层为6层，每层的厚度分别为d1至d6，d1＝500μm，d2＝d3＝d4＝d5＝d6＝625μm，每层单元对应的介电常数从内到外依次为2，1.89，1.75，1.56，1.31，1；共面波导所在圆弧的直径Lens_D＝6000μm。
所述张角α为25°-35°。
共面波导中：双槽线的间距WG_W1＝160μm，所述三角形末端内侧之间的距离WG_W2＝300μm，三角形末端宽度WG_W3＝100μm，共面波导的长度WG_L＝450μm，共面波导的宽度WG_W＝500μm，双槽线平行段的长度WG_L1＝200μm，双槽线平行段末端到三角形末端的距离WG_L2＝125μm。
金属平板波导的厚度T＝30μm，两块金属平板波导之间的距离H＝250μm，设置有五种规格的金属柱，金属柱的直径分别为R1＝22.5μm，R2＝16.25μm，R3＝10μm，R4＝20μm，R5＝17.5μm，依次对应金属柱的高度分别为L1＝L2＝L3＝125μm，L4＝100μm，L5＝75μm。
工作频段为280～320GHz，天线的纵向尺寸最大值为7.25mm，天线的横向尺寸最大值为6.44mm，天线整体厚度为1mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线包括金属枝节透镜和天线馈源，其中金属枝节透镜主要由多个不同高度及直径的金属柱单元组成，通过调整单元的高度及直径可以实现不同的等效介电常数分布。由于龙伯透镜所需的连续介电常数变化在现实中难以实现，本发明离散地逼近了龙伯透镜所需的介电常数分布，透镜上下的金属平板波导在末端展开了张角来增加天线的方向性，天线的馈源为矩阵波导，
在太赫兹频段，由于现阶段半导体工艺的限制，有源的移相器的制作成本及生产难度极高，暂时难以产业化,该发明使用的方案可以不要任何有源器件，只需要进行端口的切换便可实现一维的波束扫描；由于该天线的准光学工作方式，天线波束的指向只与馈源所在位置相关，相较于相控阵天线，该天线在进行波束扫描时，将不存在增益下降，旁瓣升高，栅瓣出现等问题；该天线使用龙伯透镜作为天线的波束形成网络，由于龙伯透镜的非谐振工作特征，该天线只需保证透镜单元在工作频带内的折射率不发生剧烈的变化，便可在较宽的工作频带内进行馈源增益的提升。
该天线可以使用金属微加工工艺制作，纯金属的透镜及馈源的设计使得天线中不存在介质损耗，该工艺极大地提升了天线效率。
综上所述，本发明具有成本低，损耗低、工作带宽宽、波束扫描范围大等优点。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
进一步的，波导后端设计了波导到共面波导的转接结构，便于与探针连接进行测试。
进一步的，根据龙伯透镜的等效介电常数分布确定各位置单元的几何尺寸，其中透镜中心处的折射率为1.414，透镜最外侧的折射率为1，从而实现球面波输入平面波输出的效果。
进一步的，同一介电常数透镜层厚度应小于一波长，透镜单元应小于四分之一波长，能实现更好的辐射效果
进一步的，金属平板波导的高度应小于半波长，能实现平板波导中场的单模式传输
进一步的，增加天线的方向性，透镜上下的金属平板波导分别张开25°-35°角增加辐射口面大小，针对天线所需的方向性，该张角可以选择其他的角度，张角渐变段的长度同样可以改变天线的方向性及阻抗匹配特性，渐变段越长，反射信号越小。
附图说明
图1是本发明天线的三维结构示意图。
图2是本发明天线的主视示意图。
图3是本发明天线的左视示意图。
图4是本发明天线的俯视示意图。
图5是本发明中透镜单元的三维示意图。
图6是本发明中透镜单元的主视示意图。
图7是本发明中透镜单元的左视示意图。
图8是本发明中透镜单元的俯视示意图。
图9是本发明中透镜部分的俯视示意图。
图10是本发明中波导馈源的三维示意图。
图11是本发明中波导馈源的主视示意图。
图12是本发明中波导馈源的左视示意图。
图13是本发明中波导馈源的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所述的用于太赫兹龙伯透镜多波束天线包括基于非等高金属柱单元的龙伯透镜以及用来激励透镜的天线馈源，具体结构如图1所示；为了实现龙伯透镜所需的连续介电常数变化，天线将多层离散设计的透镜单元沿圆周周期性排布，近似理想龙伯透镜的介电常数分布，为了保证单元在工作频段具有良好的等效。
透镜单元如图5所示，单元上下两端为金属平板波导，金属柱1位于结构的中心，金属柱1与下底面的金属平板波导相接，金属柱1上端与上侧金属平板波导之间留有空气间隙，在设计中金属平板波导间的高度H保持不变，单元的长宽P也保持不变，只通过调整不同周期中金属柱1的高度Ln便可改变单元的等效介电常数，透镜单元的等效折射率可通过置于周期边界中的透镜单元的S参数反演提取，为了保证透镜中单TEM模的场的传播，透镜高度H应小于半波长。
一种太赫兹龙伯透镜多波束天线，包括龙伯透镜和天线馈源，龙伯透镜包括多个高度和直径均不相同的金属柱1，金属柱1在一个圆形区域布置，金属柱1顶端和底端为金属平板波导3，顶端的金属平板波导与金属柱顶端设有空气间隙，透镜辐射口处金属平板波导为半圆形，透镜辐射口的金属平板波导边缘设有张角；龙伯透镜中心处的折射率为1.414，龙伯透镜最外侧的折射率为1；
天线馈源为包括多个共面波导2，共面波导2布置在所述圆形区域的外侧，共面波导2沿靠近矩形边的一个圆弧布置，所述圆弧与所述圆形区域同圆心，共面波导2开口向外，共面波导上的平行双槽线21逐渐展宽为两个三角形22，对两种传输线进行阻抗及模式的匹配，其中共面波导段的特性阻抗为50ohm。
金属柱1的横截面为多边形或圆形，多边形至少四条边。
金属柱1到圆心的距离(n-1)*P，n为正整数，P为透镜单元自身的边长。
同一介电常数透镜层厚度应小于一倍波长，透镜单元应小于四分之一波长；平板波导2的高度小于二分之一波长。
参考图3，所述张角α为25°-35°
进行透镜整体设计时，在根据天线的工作频率在选取完合适的透镜直径Lens_D后，根据龙伯透镜的半径-介电常数计算公式:
εr＝2-(r/R)2 (1)
式中r＝P(n-1)，先计算出处于透镜不同位置处的透镜单元所需的介电常数后，调整金属柱高度设计透镜单元，之后根据单元距离圆心的距离及单元宽度和公式(2)确定该圆周内的单元个数。
m＝2πP(n-1)/P (2)
该透镜的介电常数分层为6层，每层的厚度分别为d1至d6，每层单元对应的介电常数从内到外依次为2，1.89，1.75，1.56，1.31，1。
在实验中可证实，在有限的透镜尺寸内，随着透镜分层数量的增大，透镜的工作带宽、传输效率都会提升，但当分层过多时，正向效果会逐渐衰减，同时天线制作难度会增加。
为了增强天线的方向性，透镜辐射口的金属平板波导逐渐张开，图1中所示结构的张角为30°，天线的增益和工作带宽取决于张角的角度以及张角渐变段的长度，设计中可根据增益的需求对张角大小及渐变段大小进行调整。
天线馈源为金属共面波导，为了使用探针激励天线，波导中设计了共面波导到波导的转接，末端的共面波导两侧的槽线将逐渐展宽成为一对三角形进行阻抗与模式的转换，该结构便于与高频探针相连接，所有馈源放置在透镜的焦平面上，输出端口位于图9中的d6处，该馈源的具体结构如图10所示。
双槽线21的间距为WG_W1，所述三角形22末端内侧之间的距离为WG_W2，三角形22末端宽度为WG_W3，共面波导2的长度为WG_L，共面波导2的宽度为WG_W，双槽线21平行段的长度WG_L1，双槽线平行段末端到三角形末端的距离WG_L2；金属平板波导的厚度为T，两块金属平板波导之间的距离为H，设置有五种规格的金属柱，金属柱的直径分别为R1，R2，R3，R4，R5，依次对应金属柱的高度分别为L1＝L2＝L3，L4，L5。
具体的结构参数尺寸如表1所示：
表1
本发明提供一种太赫兹龙伯透镜多波束天线，工作频段为280～320GHz，天线的纵向尺寸最大值为7.25mm，天线的横向尺寸最大值为6.44mm，天线整体厚度为1mm；在带宽内反射系数小于-10dB，天线增益大于14dBi，波束扫描角度为±65°，波束交叠为-4.5dB。结果表明，所提出的天线可以在太赫兹频段提供稳定的无源波束扫描能力。
Claims (9)
1.一种太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，包括金属枝节透镜和天线馈源，金属枝节透镜包括多个高度和直径均不相同的金属柱(1)，金属柱(1)在一个圆形区域布置，金属柱顶端和底端为平行的金属平板波导(3)，顶端的金属平板波导与金属柱顶端设有空气间隙，透镜辐射口处金属平板波导为半圆形，透镜辐射口的金属平板波导边缘设有张角；龙伯透镜中心处的折射率为1.414，龙伯透镜最外侧的折射率为1；
天线馈源包括多个共面波导(2)，共面波导(2)布置在所述圆形区域的外侧，共面波导(2)沿靠近矩形边的一个圆弧布置，所述圆弧与所述圆形区域同圆心，共面波导(2)开口向外，共面波导上的平行双槽线(21)逐渐展宽为两个三角形(22)，对两种传输线进行阻抗及模式的匹配，其中共面波导段的特性阻抗为50ohm。
2.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，金属柱(1)的横截面为多边形或圆形，多边形至少四条边。
3.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，金属柱(1)到圆心的距离(n-1)*P，n为正整数，P为透镜单元自身的边长。
4.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，同一介电常数透镜层厚度应小于一倍波长，透镜单元应小于四分之一波长；金属平板波导的高度小于二分之一波长。
5.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，介电常数分层为6层，每层的厚度分别为d1至d6，d1＝500μm，d2＝d3＝d4＝d5＝d6＝625μm，每层单元对应的介电常数从内到外依次为2，1.89，1.75，1.56，1.31，1；共面波导所在圆弧的直径Lens_D＝6000μm。
6.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，所述张角α为25°-35°。
7.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，共面波导中：双槽线(21)的间距WG_W1＝160μm，所述三角形(22)的末端内侧之间的距离WG_W2＝300μm，三角形(22)的末端宽度WG_W3＝100μm，共面波导(2)的长度WG_L＝450μm，共面波导(2)的宽度WG_W＝500μm，双槽线平行段的长度WG_L1＝200μm，双槽线平行段末端到三角形末端的距离WG_L2＝125μm。
8.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，金属平板波导的厚度T＝30μm，两块金属平板波导之间的距离H＝250μm，设置有五种规格的金属柱，金属柱的直径分别为R1＝22.5μm，R2＝16.25μm，R3＝10μm，R4＝20μm，R5＝17.5μm，依次对应金属柱的高度分别为L1＝L2＝L3＝125μm，L4＝100μm，L5＝75μm。
9.根据权利要求1所述的太赫兹龙伯透镜多波束天线，其特征在于，工作频段为280～320GHz，天线的纵向尺寸最大值为7.25mm，天线的横向尺寸最大值为6.44mm，天线整体厚度为1mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220118 |