CN207517892U - 太赫兹天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹天线系统，包括：主反射器、副反射器、第一馈源、透镜、第二馈源；所述第一馈源用于产生宽频太赫兹频率梳；所述透镜用于将第一馈源产生的宽频太赫兹梳进行会聚准直；所述第二馈源用于产生调频连续信号，并将所述调频连续信号发射。所述副反射器用于将会聚准直后宽频太赫兹频率梳反射至主反射面；所述主反射器将所述宽频太赫兹频率梳的高频太赫兹波进行再次反射。上述太赫兹天线系统，采用双馈源结构，把单一的输出频点扩展为具有一定带宽的输出频段，把宽带信号转变为带宽更大的调频连续信号，并将该信号发射，使得这种双馈源结构能够实现更大发射和接收带宽。

Description

太赫兹天线系统

技术领域

本实用新型涉及太赫兹领域，特别是涉及一种太赫兹天线系统。

背景技术

太赫兹天线系统作为太赫兹雷达系统关键部件，其性能好坏对整个雷达系统具有重要影响。

传统的太赫兹天线系统结构简单、设计灵活，具有高增益、低旁瓣、高分辨率等特性，非常适用于高分辨雷达和智能探测系统。但由于发射和接收带宽较小，使得传统的太赫兹天线系统很难发射大带宽的信号。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有太赫兹天线系难以实现更大发射和接收带宽的技术问题，提供一种太赫兹天线系统。

一种太赫兹天线系统，包括：主反射器、副反射器、第一馈源、第二馈源，所述主反射器及副反射器间隔设置，所述第一馈源设置于主反射器与副反射器之间，所述第二馈源设置于所述副反射器远离主反射器的一侧；

所述第一馈源用于产生宽频太赫兹频率梳，并反射到副反射器；

所述第二馈源用于产生调频连续信号，并将所述调频连续信号发射至副反射器；

所述副反射器用于将会聚准直后宽频太赫兹频率梳反射至主反射器，并将所述调频连续信号透射到主反射器；

所述主反射器将所述宽频太赫兹频率梳的高频太赫兹波或所述调频连续信号进行再次反射。

在其中一个实施例中，所述第一馈源包括太赫兹级联激光器、射频注入模块和外腔谐振模块，所述太赫兹级联激光器与所述射频注入模块串联，所述射频注入模块与所述外腔谐振模块串联；

所述太赫兹级联激光器用于发出太赫兹波；

所述射频注入模块用于拓宽所述太赫兹波的频谱；

所述外腔谐振模块用于对拓宽的太赫兹波的频谱进行采样，形成所述宽频太赫兹梳。

在其中一个实施例中，所述第二馈源包括线性调频源、固态倍频链和圆极化喇叭，所述线性调频源与所述固态倍频链串联，所述固态倍频链与圆极化喇叭串联；

所述线性调频源用于生成宽带信号；

所述固态倍频链用于将所述宽带信号经过倍频的处理后形成所述调频连续信号；

所述圆极化喇叭用于将所述发射所述调频连续信号。

在其中一个实施例中，所述主反射器为抛物面结构，所述主反射器为抛物面结构，所述副反射器为双曲面结构，所述主反射器与所述副反射器同轴设置且弯曲方向相同，所述主反射器与副反射器的实焦点重合。

在其中一个实施例中，所述太赫兹天线系统还包括馈源切换机构和透镜，所述馈源切换机构用于实现馈源间的切换；所述透镜与所述第一馈源相邻设置，所述透镜用于将所述第一馈源产生的宽频太赫兹梳进行准直。

在其中一个实施例中，所述第二馈源设置于所述主反射器与副反射器重合的实焦点处；所述第一馈源设置于副反射器双曲面的虚焦点处。

在其中一个实施例中，所述副反射面包括周期性排列的超材料结构单元

在其中一个实施例中，所述超材料结构单元包括第一金属层、介质加载层、第二金属层和高频基板层，所述第一金属层与所述第二金属层不相邻，所述介质加载层位于第一金属层和第二金属层之间，所述高频基板层位于远离第一基板层的一端。

在其中一个实施例中，所述超材料结构单元整体为正方形，所述第一金属层为十字形，所述第一金属层的面积小于所述第二金属层的面积。

在其中一个实施例中，所述超材料结构单元的间隙构成串联电容，所述材料结构单元条带状结构构成串联电感，周期性超材料结构单元构成等效串联LC振荡电路；所述超材料结构单元的介电常数实部为正，磁导率实部为负。

上述太赫兹天线系统，采用双馈源结构，所述第一馈源能够对所接收的激光频谱进行扩展，把单一的输出频点扩展为具有一定带宽的输出频段。所述第二馈源能将宽带信号转变为带宽更大的调频连续信号，并将该信号发射，使得这种双馈源结构能够实现更大发射和接收带宽。

附图说明

图1为所述太赫兹天线系统结构图；

图2为第一馈源与透镜结构放大图；

图3为第二馈源结构放大图；

图4为超材料结构单元一种形态的俯视图；

图5为在该种形态下超材料结构单元的左视图；

图6为超材料结构单元的另一种形态的俯视图；

图7为该形态下超材料结构单元的左视图；

图8为周期性排列的超材料结构单元；

图9为加入透镜前的第一馈源辐射方向图；

图10为加入透镜后的第一馈源在软件HFSS中的工程模型；

图11为第一馈源加透镜后辐射方向图；

图12为第二馈源的COMSOL的工程模型及辐射方向图；

图13为第二馈源喇叭的表面电场分布及等势线；

其中：

太赫兹天线系统 10

主反射器 110

副反射器 120

第一馈源 130

太赫兹量子级联激光器 132

射频注入模块 134

外腔谐振模块 136

透镜 140

第二馈源 150

线性调频源 152

固态倍频链 154

圆极化喇叭 156

超材料结构单元 20

第一金属层 202

介质加载层 204

第二金属层 206

高频基板 208

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图及具体实施例对太赫兹天线系统进行进一步的描述。但是，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不限于本实用新型所描述的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型的一个实施例，提供一种太赫兹天线系统10包括：主反射器110、副反射器120、第一馈源130、第二馈源150；所述主反射器110及副反射器120间隔设置，所述第一馈源130设置于主反射器110与副反射器120之间，所述第二馈源150设置于所述副反射器120远离主反射器110的一侧。所述第一馈源130用于产生宽频太赫兹频率梳，并反射到副反射器120上；所述第二馈源150用于产生调频连续信号，并将所述调频连续信号发射至副反射器120；所述副反射器120用于将会聚准直后宽频太赫兹频率梳反射至主反射器110，并将所述调频连续信号透射到主反射器110；

进一步的，在双反射面天线系统中，包括一个抛物面结构的主反射器110和一个双曲面结构的副反射器120。

在其中一个实施例中，所述主反射器110为抛物面结构，焦点为F1’，所述副反射器120为双曲面结构，焦点有两个，分别是实焦点F1和虚焦点F2，所述主反射器110与所述副反射器120同轴设置且弯曲方向相同，所述主反射器110的焦点F1’与副反射器120的实焦点F1重合。

进一步的，所述第二馈源150设置在所述主反射器110与副反射器120重合的实焦点F1处；所述第一馈源130设置在所述副反射器120双曲面的虚焦点F2处。所述第一馈源发出的宽频太赫兹波经副反射器120双曲面结构的反射后，可以理解为是从主反射器110抛物面结构的焦点F1’，也即副反射器120双曲面结构的实焦点F1发出的另一个宽频太赫兹波，然后再投射到主反射器110的抛物面上。

进一步的，所述太赫兹天线系统10可以实现更大的发射和接收带宽。

具体的，所述太赫兹天线系统10还采用了双馈源结构，包括第一馈源130和第二馈源150，所述第一馈源130能产生宽频太赫兹频率梳，所述宽频的频带范围在2.5THz～5THz，可用于物质识别；所述第二馈源150是中心频率670GHz，带宽50GHz的调频连续波，用于成像。需要说明的是，本申请提到高频是指所述第一馈源所产生的频带范围在2.5THz～5THz的太赫兹波，相对的，低频为所述第二馈源形成的中心频率为670GHz，带宽50GHz的太赫兹波。

在其中一个实施例中，请参阅图2，所述第一馈源130包括太赫兹级联激光器132、射频注入模块134和外腔谐振模块136，所述太赫兹级联激光器132与所述射频注入模块134串联，所述射频注入模块134与所述外腔谐振模块136串联；所述太赫兹级联激光器132用于发出太赫兹波；所述射频注入模块134用于拓宽所述太赫兹波的频谱；所述外腔谐振模块136用于对拓宽的太赫兹波的频谱进行采样，形成宽频太赫兹梳。可以理解，第一馈源130以太赫兹级联激光器132为核心器件，使得太赫兹级联激光器132发出的太赫兹波在射频注入模块134注入射频信号，将单一的输出频点扩展为具有一定带宽的频段输出，然后进入外腔调谐模块136，利用外腔技术对展宽的激光光谱进行采样，具体方式为，稳定的多纵模输出状态形成连续谱，由光栅进行选模输出，光栅与器件之间形成外腔模式，通过调节外腔可以输出不同频率的太赫兹信号，从而实现对太赫兹光谱采集的目的。太赫兹信号进而通过光学元件会聚并发射到自由空间中，此光学元件可以是任意一种具有会聚作用的光学器件。

上述方法为非相干探测技术，不需要专门的探测光对时序脉冲采样，系统方面自然省略了信号同步机制，能够有效的降低系统设计复杂度；另外，在上述方法在一种实施例中采用扫频的方式直接获得被测目标的频域谱信息，频域谱由在不同太赫兹频点处所检测到的太赫兹信号强度所构成，检测方法简单直接。基于太赫兹级联激光器132的高输出功率，能够实现开放环境下远距离太赫兹光谱测量。

在其中一个实施例中，请参见图3，所述第二馈源150包括线性调频源152、固态倍频链154和圆极化喇叭156，所述线性调频源152与所述固态倍频链154串联，所述固态倍频链154与圆极化喇叭156串联；所述线性调频源152用于生成宽带信号；所述固态倍频链154用于将所述宽带信号经过倍频的处理后形成调频连续信号；所述圆极化喇叭156用于将所述调频连续信号发射。可以理解，第二馈源150主要依赖固态倍频链154将线性调频源产生的宽带信号进行放大，将线性调频源生成的宽带信号经过36次倍频后，生成在0.67THz生成50GHz带宽的发射信号。所述生成的发射信号时一系列的调频连续波，所述调频连续波通过带有发散透镜的圆锥喇叭天线定向发射出去。

在一种应用场景中所述发散透镜的材料为聚四氯乙烯。

在一种应用场景中，固态倍频链154主要通过倍频器将宽带信号进行倍频处理，同时为了增大倍频器功率容量，采用两个三结变容肖特基二极管反向并联。这样有两个优点，第一是将直流偏置馈电结构和射频电路结构做在同一个石英基板上，这样会省去射频电路金丝键合结构，减小电路设计的不确定性；第二是在输入段用一个电路结构既能实现射频低通滤波，又能实现电路匹配，减小基板长度进而减小射频信号在电路中的损耗。

进一步的，为了保证两个馈源的辐射性能能够相对独立，所述太赫兹天线系统10还包括馈源切换机构，用来实现两种馈源间的切换。

具体的，所述馈源切换机构可以是开关器件切换，网闸切换，继电器切换等。

在其中一个实施中所述馈源切换机构采用开关器件切换。

进一步的，所述太赫兹天线系统10还包括透镜140，用于将第一馈源130产生的宽频太赫兹梳进行会聚准直；

进一步的，所述副反射器120具有频率选择功能，因此所述副反射器120相当于频率选择面(Frequency Selection Surface，以下简称FSS)。传统微波FSS属于一种周期结构，因此在本实用新型的一个实施例重点在于超材料结构单元20的形式和排布。

具体的，所述副反射器120(也是FSS)由超材料制成，FSS单元可以是以下两种形式的任意一种，一是金属贴片呈周期性排布，另一种是在整块金属面上进行挖孔，也呈周期性排布。具体的形式通常根据实际的工作特性，如参照反射和透射等进行设计。上述提到的超材料是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合纳米材料。而且这些性质主要来自人工的特殊结构，超材料的设计的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。

在其中一个实施例中，请参见图4～图7，所述副反射面包括周期性排列的超材料结构单元20，所述超材料单元结构的形状多种多样，可以为环形或者矩形的一种。

具体的，所述超材料结构单元20为正方形，即长L与宽W等长。

在其中一个实施例中，所述超材料结构单元20的长L和宽W均为15微米。

具体的，所述超材料的结构单元包括第一金属层202、介质加载层204、第二金属层206和高频基板208，所述第一金属层202、介质加载层204、第二金属层206依次层叠设置于所述高频基板208的表面，所述所述介质加载层204位于第一金属层202和第二金属层206之间。

在其中一个实施例中，所述第一金属层202为十字谐振环，所述十字谐振环的臂长为L1，臂宽为W1，其中L1的长度可调，取值范围是2微米～10微米，W1的取值范围为13.6微米～15微米，所述第二金属层206为正方形，长和宽的取值范围为13.6微米～15微米，所述第一金属层202的面积L1*W1的值与所述第二金属层206的形状以及面积不相等，这样所述第一金属层202与第二金属层206之间可以形成电容，构成谐振结构。通过调节两金属层的尺寸参数可以实现调节电容值。

在其中一个实施例中，请参见图4和图5第一金属层202的臂宽W1为13.6微米，臂长L为2微米～10微米，相对应的，第二金属层206的长和宽为15微米，所述第一金属层202的面积小于第二金属层206的面积，整个超材料结构单元高H为1.27微米，所述第一金属层202位于整个超材料结合单元20的端侧。

在其中一个实施例中，请参见图6和图7，第一金属层202’的臂宽W1’为15微米，臂长L’为2微米～10微米，相对应的，第二金属层206’的长和宽为13.6微米，所述第一金属层202’的面积大于第二金属层206’的面积，整个超材料结构单元高H为1.27微米，所述第一金属层202’位于整个超材料结合单元20’的端侧。

进一步的，所述介质加载层204整体呈正方形，由绝缘材料构成，所述绝缘材料可以为二氧化硅、聚酰亚胺、氮化硅等，其中所述介质加载层的生长方法采用等离子增强化学的气相沉积法，所述等离子增强化学的气相沉积法是在化学气相沉积中，激发气体，使其产生低温等离子体，增强反应物质的化学活性，从而进行外延的一种方法。在其中一个实施例中，所述绝缘材料为二氧化硅，所述介质加载层204的边长为15微米。

进一步的，所述高频基板208为罗杰斯高频基板。

进一步的，所述第一金属层202和第二金属层206的间隙302可形成电容，请参见图8，同时由于大量周期性排列的超材料结构单元平铺所述副反射器表面，因此位于不同超材料结构单元的同一金属层的金属条带的间隙300也可形成形成电容，正是由于电容形成复杂，一般采用计算机仿真的手段对这样的结构进行分析。

所述超材料结构单元20本身的层结构形成了串联的电感，这样大面积的周期性单元结构形成等效串联的LC振荡电路，所述超材料结构单元的谐振频率为f_m，具体表达式为：

其中，电容C由第一金属层202的面积和介质加载层204的厚度决定，电感L₂由第一金属层202的长度L1和宽度W1决定。

进一步的，超材料结构单元的尺寸和谐振频率f_m有关。

在其中一个实施例中，为了使特定频率零穿透，所述超材料结构单元20的介电常数实部为正值，磁导率实部为负值。

馈源的辐射方向要满足一定的要求，这是太赫兹天线系统10整体性能的可靠保证，请参阅图8，在没加透镜140之前，所述第一馈源130向多个方向辐射能量，加入透镜后，在软件HFSS软件下进行仿真，所述第一馈源130的辐射方向参阅图9，明显使能量得到了会聚。

进一步的，请参阅图10和图11，所述第二馈源，可以理解为带透镜的圆锥形喇叭天线在COMSOL的工程模型下进行仿真，所述第二馈源的辐射方向集中，所述圆极化喇叭156表面的电场以及等势线相应也比较集中，同时入端参数值为-23.188dB，远小于-10dB的常规要求。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。本实用新型具体可以应用于安全领域，由于本实用新型具有双馈源，既可以产生用于物质探测的宽频太赫兹频率梳，也可以产生用于远距离成像的调频连续波，可应用于国家安全相关的领域，比如对于隐蔽的爆炸物、隐藏的枪支、邮寄的非法药品的检测和用于机场的快速安检等但不局限于上述应用。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹天线系统，其特征在于，包括：主反射器、副反射器、第一馈源、第二馈源，所述主反射器及副反射器间隔设置，所述第一馈源设置于主反射器与副反射器之间，所述第二馈源设置于所述副反射器远离主反射器的一侧；

所述第一馈源用于产生宽频太赫兹频率梳，并反射到副反射器；

所述第二馈源用于产生调频连续信号，并将所述调频连续信号发射至副反射器；

所述副反射器用于将会聚准直后宽频太赫兹频率梳反射至主反射器，并将所述调频连续信号透射到主反射器；

所述主反射器将所述宽频太赫兹频率梳的高频太赫兹波或所述调频连续信号进行再次反射。

2.根据权利要求1所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述第一馈源包括太赫兹级联激光器、射频注入模块和外腔谐振模块，所述太赫兹级联激光器与所述射频注入模块串联，所述射频注入模块与所述外腔谐振模块串联；

所述太赫兹级联激光器用于发出太赫兹波；

所述射频注入模块用于拓宽所述太赫兹波的频谱；

所述外腔谐振模块用于对拓宽的太赫兹波的频谱进行采样，形成所述宽频太赫兹梳。

3.根据权利要求1所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述第二馈源包括线性调频源、固态倍频链和圆极化喇叭，所述线性调频源与所述固态倍频链串联，所述固态倍频链与圆极化喇叭串联；

所述线性调频源用于生成宽带信号；

所述固态倍频链用于将所述宽带信号经过倍频的处理后形成所述调频连续信号；

所述圆极化喇叭用于将所述发射所述调频连续信号。

4.根据权利要求1所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述主反射器为抛物面结构，所述副反射器为双曲面结构，所述主反射器与所述副反射器同轴设置且弯曲方向相同，所述主反射器与副反射器的实焦点重合。

5.根据权利要求1所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述太赫兹天线系统还包括馈源切换机构和透镜，所述馈源切换机构用于实现馈源间的切换；所述透镜与所述第一馈源相邻设置，所述透镜用于将所述第一馈源产生的宽频太赫兹梳进行准直。

6.根据权利要求4所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述第二馈源设置于所述主反射器与副反射器重合的实焦点处；所述第一馈源设置于副反射器双曲面的虚焦点处。

7.根据权利要求1所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述副反射器包括周期性排列的超材料结构单元。

8.根据权利要求7所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述超材料结构单元包括第一金属层、介质加载层、第二金属层和高频基板，所述第一金属层、介质加载层、第二金属层和高频基板依次层叠设置于所述高频基板的表面，所述介质加载层位于第一金属层和第二金属层之间。

9.根据权利要求8所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述超材料结构单元整体为正方形，所述第一金属层为十字形，所述第一金属层和所述第二金属层的形状及面积不同。

10.根据权利要求9所述的太赫兹天线系统，其特征在于，所述超材料结构单元的间隙构成串联电容，所述材料结构单元条带状结构构成串联电感，周期性超材料结构单元构成等效串联LC振荡电路；所述超材料结构单元的介电常数实部为正，磁导率实部为负。