CN114865330A - 一种太赫兹超透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信太赫兹器件技术领域，具体涉及一种太赫兹超透镜天线，用于解决传统透镜存在的绕射、功能单一、尺寸大、成本高等问题。本发明包括顶层横向金属光栅阵、衬底、底层纵向金属光栅阵、喇叭天线和相位调制单元结构，通过将具有不同相位值的相位调制单元结构按照透镜相位计算公式排布成阵列的形式，从超表面正面入射y极化波实现了聚焦，从超表面背面加入矩形喇叭天线入射x极化波将太赫兹球面波转平面波，实现对太赫兹波的准直。本发明具有高转换效率、带宽大、以及准直效果好。本准直系统加入超透镜、波束偏转器件后，实现对太赫兹波的波束控制，有助于在太赫兹通信系统上实现对太赫兹波调控。

Description

一种太赫兹超透镜天线
技术领域
本发明属于通信太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹超透镜天线。
背景技术
太赫兹波的频段位于微波和远红外过渡区，范围为0.1THz～10THz，其波长范围为3000～30μm，能量为0.4～40meV，对比其他频段波，其电磁特性特殊，具有频率高、带宽较宽、强透射能力、携带信息丰富等优势。目前随着社会科技的发展，人们对太赫兹波的探索越来越深入，实现太赫兹器件的小型化和多功能也成为了研究者们追求的目标。
近几年来太赫兹超材料准光器件成为实现太赫兹波调控的一种有效技术。基于超表面的独特特性，可以实现许多效果，如波束偏转、偏振控制、全息图、聚焦透镜等。通常，基于超表面的器件以平坦的、特征尺寸小于或远小于波长的方式完成这些功能，并表现出更高的效率，所有这些都有利于集成器件。当前对于超表面的研究大多是利用其单元结构的谐振特性进行器件设计，但是利用谐振区域或非谐振区域的相位突变可进一步扩大相位覆盖范围，基于广义Snell折射/反射定律可以设计出控制电磁波传播方向的超表面。
在太赫兹通信系统上，使用传统的透镜在测试系统的过程中会有绕射的影响，以及器件具有不可重构性，只具有单一的功能，特征尺寸大、成本高、不易构造等不足。但由于超表面具有平坦、设计灵活性高等优点，可以由此设计太赫兹超透镜天线。
发明内容
针对上述存在的问题或不足，为解决目前现有的太赫兹通信系统上使用的传统透镜天线的单一功能、有绕射影响、特征尺寸大等问题。本发明提供了一种太赫兹超透镜天线，该发明利用非谐振区域实现了超表面宽带的相位覆盖，将超表面补偿在喇叭天线口前，使其口面成为等相位面在远场区域产生平面波，消除一般测试系统中的绕射影响。除此外本发明可以运用同一结构设计异常折射超表面，联合超透镜天线用于太赫兹通信系统，实现了对太赫兹波的准直以及波束偏转等波束控制。
本发明解决上述技术问题提供以下技术方案：
本发明是一种太赫兹超透镜天线，所述超透镜天线包括：顶层横向金属光栅阵、衬底、底层纵向金属光栅阵、喇叭天线、以及形成于衬底中间的相位调制阵列结构，所述相位调制阵列结构包括多个阵列排布的相位调制单元结构，所述相位调制单元结构为在x-y平面的对称轴相对于x轴±45°的开口谐振环(Split-ring resonator)结构。
与现有技术介质透镜天线和微带天线不同的是，本技术方案中通过将超材料结构的相位梯度按照广义Snell定律以及相位排布公式排布成阵列的手段，解决了现有技术中存在的不可重构性、功能单一、特征尺寸大、成本高、相对带宽较窄、损耗较大等不足，产生了介质透镜天线和微带天线预料不到的技术效果。
进一步地，所述顶层横向金属光栅阵的长边沿X轴，短边沿Y轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小；
进一步地，所述底层纵向金属光栅阵的长边沿Y轴，短边沿X轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小；
所述顶层横向金属光栅阵和底层纵向金属光栅阵的长边方向包括顶层为横向、底层为纵向，或者顶层和底层的光栅阵方向相互垂直，此时从超透镜正面入射的太赫兹波的极化方向与顶层横向金属光栅方向垂直，从超透镜背面，即喇叭天线辐射出的准球面波的极化方向与底层纵向金属光栅方向垂直。
进一步地，所述衬底为FR-4、F4B或Rogers中的一种；
进一步地，所述顶层横向金属光栅阵、底层纵向金属光栅阵以及相位调制单元结构中金属材料为Au、Ag、Cu或Al中的一种。
进一步地，所述相位调制阵列结构为多个相位调制单元结构构成的M*N型阵列，其中M和N大小需满足总阵列边长大于一倍波长；
进一步地，所述的一种太赫兹透镜天线，其特征在于，所述相位调制单元结构中，SRR开口大小、开口的朝向、半径大小、以及单元结构的设置位置均是根据所需的聚焦、波束偏转、太赫兹波准直的功能所需的相位分布进行设计调节，且该单元结构位于衬底中间，由此与顶层横向金属光栅阵、底层纵向金属光栅阵构成了三层超表面结构；
进一步地，所述喇叭天线的口径大小是根据所需焦径比(F/D)算出其需覆盖的波束宽度范围设置的，其中波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度。所述喇叭天线的位置是将其相位中心与超透镜焦点重合。
一种用于制备上述太赫兹超透镜天线的制备方法包括以下步骤：
步骤一：确定相位调制单元结构所需的调制功能，然后根据设定的功能去确定每个单元结构位置所需的相位；
步骤二：根据每个单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现所选的几个单元的相位覆盖达到360°；
步骤三：各个相位调制单元结构(6)的位置根据超透镜相位排布公式：
Figure BDA0003635193980000031
排布成超透镜，其中F为焦距，λ为波长，x和y为相位调制单元结构的位置坐标；
步骤四：我们根据所需焦径比算出喇叭天线需覆盖的波束宽度范围，由此去设置喇叭天线(5)的口径大小，其中喇叭天线的波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度，且将喇叭天线(5)相位中心需与超透镜焦点重合，用于实现将喇叭辐射处的准球面波转换为平面波。
与现有技术介质透镜天线和微带天线不同的是，本技术方案中通过将超材料结构的相位梯度按照广义Snell定律以及相位排布公式排布成阵列的手段，解决了现有技术中存在的不可重构性、功能单一、特征尺寸大、成本高、相对带宽较窄、损耗较大等不足，产生了介质透镜天线和微带天线预料不到的技术效果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种太赫兹超透镜天线，从超透镜正面垂直打入y极化的太赫兹波实现了对于太赫兹波的聚焦，从超透镜背面经过喇叭天线口垂直打入x极化的准球面太赫兹波实现了对太赫兹准球面波转换为平面波的功能。
2、本发明提供的一种太赫兹超透镜天线，通过对相位调制单元结构(以下简称SRR)结构开口大小和开口方向的调整，可以实现0～360°相位覆盖，具有较高的极化转换效率，透射极化转换效率达到96％。
3、本发明提供的一种太赫兹超透镜天线，其具有可重构性，可用相同的结构进行不同的排列方式设计异常折射超表面以实现对太赫兹波的异常偏转，在实验的过程中可以使用双透镜实现对太赫兹波更高的增益效果，也可以使用超透镜以及异常折射超表面实现对太赫兹波的波束偏转控制。
4、本发明提供的一种太赫兹超透镜天线，其相位调制结构为二维平面结构，可通过细微加工工艺实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计带来的高难度加工。
5、本发明可工作于常温常压的环境下，且制作、使用方便，具有很好的应用潜力与前景。
附图说明
图1为实施例中器件整体结构立体示意图。
图2为实施例中器件调制单元示意图。
图3为实施例中器件电场近场仿真图。
图4为实施例中所选单元的幅相特性曲线。
图5为实施例中透镜天线在测试通信系统上的方案图。
图中：1-顶层横向金属光栅阵，2-衬底，3-相位调制阵列结构，4-底层纵向金属光栅阵，5-喇叭天线，6-相位调制单元结构。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、特征与功效更容易被理解下面结合具体实施例和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、完整的描述。
如图1-图5所示，本发明提供以下技术方案：
本发明是一种太赫兹超透镜天线，所述超透镜天线包括：顶层横向金属光栅阵1、衬底2、底层纵向金属光栅阵4、喇叭天线5、以及形成于衬底中间的相位调制阵列结构3，所述相位调制阵列结构5包括多个阵列排布的相位调制单元结构6，所述相位调制单元结构6为在x-y平面的对称轴相对于x轴±45°的SRR结构。
进一步地，所述顶层横向金属光栅阵1的长边沿X轴，短边沿Y轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小。
进一步地，所述底层纵向金属光栅阵4的长边沿Y轴，短边沿X轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小。
进一步地，所述衬底2为FR-4、F4B、Rogers等PCB板材类型的一种。
进一步地，所述顶层横向金属光栅阵1、底层纵向金属光栅阵4以及相位调制单元结构6中金属材料为Au、Ag、Cu或Al等高电导率材料的一种。
进一步地，所述相位调制阵列结构3为多个相位调制单元结构6构成的M*N型阵列，其中M和N大小需满足总阵列边长大于一倍波长。
进一步地，所述相位调制单元结构6中，SRR开口大小、开口的朝向、半径大小、以及单元结构的设置位置均是根据所需的聚焦、波束偏转、太赫兹波准直的功能所需的相位分布进行设计调节，且该单元结构位于衬底中间，由此与顶层横向金属光栅阵1、底层纵向金属光栅阵构4成了三层超表面结构。
进一步地，所述喇叭天线5的口径大小是根据所需焦径比(F/D)算出其需覆盖的波束宽度范围设置的，其中波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度。所述喇叭天线5的位置是将其相位中心与超透镜焦点重合。
一种太赫兹超透镜天线的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：确定相位调制单元结构6所需的调制功能，然后根据设定的功能去确定每个单元结构位置所需的相位；
步骤二：根据每个单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构6SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现所选的几个单元的相位覆盖达到360°；
步骤三：各个相位调制单元结构6的位置根据超透镜相位排布公式：
Figure BDA0003635193980000051
排布成超透镜，其中F为焦距；
步骤四：喇叭天线5的口径大小根据所需焦径比算出其需覆盖的波束宽度范围设置的，其中波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度，且将喇叭天线5相位中心需与超透镜焦点重合，用于实现将喇叭辐射处的准球面波转换为平面波。
为使本领域的技术人员更好的理解本发明，下面结合附图对本发明阐述如下：
本发明利用微细加工工艺，将相位调制单元结构6嵌入衬底中间形成光栅-SRR-光栅的三层结构，通过仿真计算说明了该相位调制单元结构6的相位可覆盖360°且在工作频段内极化转换率96％，超透镜和喇叭天线5联合仿真说明了了该超透镜天线具有30db的高增益效果，且球面波转平面波的效果好，因此实现了对太赫兹波的准直功能。
如图1、图2所示，本发明实例包括顶层横向金属光栅阵1、衬底2、形成于衬底中间的相位调制阵列结构3、底层纵向金属光栅阵4、喇叭天线5，所述相位调制阵列结构3包括多个阵列排布的相位调制单元结构6，每个相位调制单元结构6包括开口大小不同的SRR结构.
如图2所示衬底中间层的每个相位调制单元结构6开口方向对称轴沿x轴±45°偏转，顶层横向金属光栅阵1和底层纵向金属光栅阵4间隔排列，光栅阵的长边沿Y/X轴，短边沿X/Y轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小；
当喇叭天线5口出来的x极化准球面波垂直入射时，大部分THz波能够透过三层结构超透镜，透射波发生极化转化并在各个相位调制单元结构6的位置产生一定的相位补偿，部分没有发生极化转换透的THz波将被顶层横向金属光栅阵1反射回中间层的相位调制阵列结构3再次发生极化转换，以此反复最终透过超透镜，因而THz波得到高效的极化转换且通过改变SRR的开口大小保证了交叉极化波满足360°相位变化。
如图3所示当喇叭天线5口径辐射出x极化的准球面波时，x极化波几乎没有透过超透镜，全部转化成为y极化波，且发生极化转换后明显将喇叭天线辐射处的准球面波转换为平面波。
如图4所示，当相位调制单元结构6的开口方向对称轴均为相对于x轴+45°时，我们通过改变其开口大小选取了4个调制单元，相位梯度45°，交叉极化波相移变化覆盖180°，工作频段覆盖0.22THz，介质态的平均幅值约为0.9。
同时，根据几何相位调制原理可知，45°倾斜的SRR结构，在同一开口大小下旋转90°，相位变化可增加180°，同时保持幅值不变，因此该结构可以在两种状态下实现独立的360°相位全覆盖。
如图5所示，同时在测试通信系统上，可以利用双透镜或透镜加上极化偏转超表面来提高透镜天线的增益以及对太赫兹波的波束控制。
综上所述，一种太赫兹超透镜是一种极具发展潜力和实用性的太赫兹波束控制器件，本发明实现的透镜及设计方法为天线测试系统提供了更加简便准确的测试方式，对物体的电磁性能的测量有较高的实用价值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种太赫兹超透镜天线，其特征在于：包括顶层横向金属光栅阵(1)、衬底(2)、底层纵向金属光栅阵(4)、喇叭天线(5)以及形成于衬底中间的相位调制阵列结构(3)，所述相位调制阵列结构(3)包括多个阵列排布的相位调制单元结构(6)，所述相位调制单元结构(6)为开口谐振环，所述相位调制单元结构(6)在x-y平面的对称轴与x轴夹角为+45°或-45°。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述顶层横向金属光栅阵(1)的长边沿X轴，短边沿Y轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小；底层纵向金属光栅阵(4)的长边沿Y轴，短边沿X轴，且长边值为X，短边值为W，金属光栅之间的距离d≥W，其中X为阵列周期大小。
3.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述顶层横向金属光栅阵(1)和底层纵向金属光栅阵(4)的长边方向相互垂直。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述衬底(2)采用FR-4、F4B或Rogers的一种。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述顶层横向金属光栅阵(1)以及相位调制单元结构(6)中金属材料为Au、Ag、Cu或Al的一种。
6.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述相位调制阵列结构(3)为多个相位调制单元构成的M*N型阵列，其中M和N大小需满足总阵列边长大于一倍波长。
7.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述相位调制单元结构(6)中，SRR开口大小、开口的朝向、半径大小以及单元结构的位置设置均是根据所需的聚焦、波束偏转、太赫兹波准直的功能所需的相位分布进行设计调节，且相位调制单元结构(6)位于衬底(2)中间，相位调制单元结构(6)与顶层横向金属光栅阵(1)、底层纵向金属光栅阵(4)构成了三层超表面结构。
8.如权利要求1所述的一种太赫兹超透镜天线，其特征在于，所述喇叭天线(5)的口径大小是根据所需焦径比计算得出其需覆盖的波束宽度范围设置的，其中波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度；所述喇叭天线(5)的位置是将其相位中心与超透镜焦点重合。
9.一种太赫兹超透镜天线的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-8中任意一项所述的一种太赫兹超透镜天线，包括以下步骤：
步骤一：确定相位调制单元结构(6)所需的调制功能，然后根据设定的功能去确定每个单元结构位置所需的相位；
步骤二：根据每个单元结构所处位置的调制相位值，调节对应位置的相位调制单元结构(6)SRR的占比和开口大小以及开口朝向，以实现所选的几个单元的相位覆盖达到360°；
步骤三：各个相位调制单元结构(6)的位置根据超透镜相位排布公式：
Figure FDA0003635193970000021
排布成超透镜，其中F为焦距，λ为波长，x和y为相位调制单元结构的位置坐标；
步骤四：我们根据所需焦径比算出喇叭天线需覆盖的波束宽度范围，由此去设置喇叭天线(5)的口径大小，其中喇叭天线的波束覆盖角度为超透镜焦点至超透镜两边的角度，且将喇叭天线(5)相位中心需与超透镜焦点重合，用于实现将喇叭辐射处的准球面波转换为平面波。
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