一種高功率遠(yuǎn)距離太赫茲旋轉(zhuǎn)拋物面定向發(fā)射天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種高功率遠(yuǎn)距離太赫茲旋轉(zhuǎn)拋物面定向發(fā)射天線，其中，所述天線包括飛秒激光器、太赫茲光導(dǎo)天線、硅襯底透鏡和旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器，將所述硅襯底透鏡設(shè)置在太赫茲光導(dǎo)天線上方，所述飛秒激光器激發(fā)太赫茲光導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射，太赫茲輻射被硅襯底透鏡匯聚后作為旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的饋源。本實(shí)用新型具有尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易集成，由于其體積微小的有點(diǎn)，太赫茲輻射經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚作為饋源能夠很好地消除光導(dǎo)天線引起的表面波效應(yīng)；天線系統(tǒng)的發(fā)射能量方向更加集中，增益更大；太赫茲輻射通過(guò)拋物面鏡后，光導(dǎo)天線產(chǎn)生的球形輻射被轉(zhuǎn)化為等相位平面波；有效實(shí)現(xiàn)高增益，而且具有低旁瓣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】-種高功率遠(yuǎn)距離太赫茲旋轉(zhuǎn)拋物面定向發(fā)射天線 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本實(shí)用新型涉及太赫茲領(lǐng)域，特別是一種用于高功率遠(yuǎn)距離太赫茲定向發(fā)射的旋 轉(zhuǎn)拋物面天線。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 太赫茲的高功率的發(fā)射源一直是太赫茲研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。2013年10月，奧地利維 也納技術(shù)大學(xué)的一組研究人員制造出一種新型量子級(jí)聯(lián)激光器，成功輸出了 1瓦特的太赫 茲福射，打破了此前由美國(guó)麻省理工學(xué)院所保持的0. 25瓦特的世界紀(jì)錄。由此可見，太赫 茲源功率的提升難度很大，所W如何提高太赫茲輸出系統(tǒng)的效率、如何設(shè)計(jì)太赫茲定向發(fā) 射天線對(duì)于高效利用太赫茲源至關(guān)重要。研究太赫茲定向發(fā)射是實(shí)現(xiàn)太赫茲遠(yuǎn)距離探測(cè)的 關(guān)鍵技術(shù)，很多科研人員都進(jìn)行過(guò)該方面的研究。
[0003] 1992年，化akim等人設(shè)計(jì)了一種對(duì)角形卿趴天線，其角形腔是通過(guò)兩金屬片挖槽 后拼接得到的，福射效率達(dá)到84%。2006年，Douvalis等人設(shè)計(jì)了一種95GHz集成的圓錐 形卿趴陣列天線。2008年，化-化en Ren等人在平面蝶形天線的基礎(chǔ)上，采用SiC作基片， W提高福射頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蝶形天線的相對(duì)帶寬在1到10T化內(nèi)為164%，福射增益比 偶極子天線平均提高了 2. 2地。由于上述天線制作工藝簡(jiǎn)單，之前的太赫茲定向天線研究多 集中在該些方面。根據(jù)天線理論，要想獲得更高的的增益和更強(qiáng)的方向性，則天線相對(duì)于波 長(zhǎng)的比值就要相對(duì)較大，分析常見的天線形式，振子天線的尺寸一般為-A (為波長(zhǎng)），行波 天線的尺寸為A-10 A，口徑天線的尺寸一般為A-1000 A?？梢姡趶教炀€是最適用于太 赫茲頻段的天線形式。
[0004] 然而，上述天線在實(shí)現(xiàn)的高增益和窄波束特性方面的效果并不理想。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高增益、具有良好的窄波束 特性的遠(yuǎn)距離太赫茲定向發(fā)射天線。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種高功率遠(yuǎn)距離太赫茲旋轉(zhuǎn)拋物面定向發(fā) 射天線，其中，所述天線包括飛砂激光器、太赫茲光導(dǎo)天線、娃襯底透鏡和旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射 器，將所述娃襯底透鏡設(shè)置在太赫茲光導(dǎo)天線上方，所述飛砂激光器激發(fā)太赫茲光導(dǎo)天線 產(chǎn)生太赫茲福射，太赫茲福射被娃襯底透鏡匯聚后作為旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的饋源。
[0007] 根據(jù)一種特別優(yōu)選的【具體實(shí)施方式】，娃襯底透鏡是高阻娃襯底透鏡。
[0008] 更優(yōu)選地，高阻娃襯底透鏡的折射率為3. 418,臨界福射角45度。
[0009] 在本實(shí)用新型中，高阻娃襯底透鏡的娃襯底透鏡的超半球透鏡焦點(diǎn)和頂端距離是 1.414倍的透鏡半徑。
[0010] 在透鏡尺寸與偶極子天線的大小關(guān)系方面，兩者是成比例關(guān)系的，偶極子天線的 大小又和工作頻率成比例關(guān)系，所W透鏡的尺寸取決于工作頻率。
[0011] 隨著透鏡半徑的增大，天線的增益會(huì)增大，但當(dāng)透鏡尺寸大到一定程度W后，增益 增大的速度就減慢，到后來(lái)基本保持不變。該個(gè)現(xiàn)象很好理解，透鏡起會(huì)聚作用，半徑越大， 會(huì)聚作用越強(qiáng)，能量散失越少，增益越強(qiáng)。當(dāng)透鏡尺寸大到一定程度，福射源福射的能量基 本都被透鏡會(huì)聚了，散失的能量很少，所W天線的增益就不再顯著提高了。圖3是0. 21太 赫茲下透鏡半徑與天線增益關(guān)系曲線圖。
[0012] 因?yàn)榇藭r(shí)的福射源模型要作為反射面天線的饋源，天線的整體增益是饋源和反射 面共同作用決定的，所W并不是此時(shí)福射源的增益越大，后面設(shè)計(jì)的天線的增益就越大?？?慮到該個(gè)偶極子天線加會(huì)聚透鏡的組合模型要作為反射面天線的饋源的屬性，我們要從饋 源的要求該個(gè)角度來(lái)確定合適的透鏡尺寸。
[0013] 首先，饋源的口徑要盡可能小一些，盡量減少對(duì)反射面的遮擋，否則主瓣增益會(huì)下 降，副瓣增益會(huì)增高。所W盡管透鏡尺寸越大增益越大，透鏡的口徑也不能很大。
[0014] 其次，饋源的方向圖最好滿足的一定的要求，該是天線系統(tǒng)整體性能的可靠保證。 首先是饋源最好單向福射而非雙向福射，避免與反射回的波束發(fā)生混疊；其次要旋轉(zhuǎn)對(duì)稱， 因?yàn)樽詈筇炀€系統(tǒng)整體也應(yīng)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的；最后副瓣電平盡可能低，減少無(wú)用的能量分散， 保證主瓣的增益。透鏡半徑為0. 45mm時(shí)，福射源雙向福射，會(huì)與反射面反射回來(lái)的太赫茲 波形成混疊，不適宜作為反射面天線的饋源；透鏡半徑為1. 5mm時(shí)，福射源的副瓣較大，不 滿足低副瓣電平的饋源要求，所W也不適于作為饋源；當(dāng)透鏡半徑為0. 5mm時(shí)，福射源的H 維方向圖是單向福射，主瓣增益大、副瓣增益小，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，非常適合作為反射面天線的饋 源。
[0015] 由此可見，在該部分的優(yōu)化過(guò)程中，福射源的增益并不是追求優(yōu)化的目標(biāo)，增益的 優(yōu)化需要結(jié)合后面的天線設(shè)計(jì)，將天線系統(tǒng)作為整體來(lái)優(yōu)化。因此追求優(yōu)化的是福射源的 方向圖，在保證一定的增益條件下，使福射源模型最適合作為反射面天線的饋源。
[0016] 特別優(yōu)選地，高阻娃襯底透鏡的直徑1毫米。
[0017] 根據(jù)本實(shí)用新型的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器是鉛制旋轉(zhuǎn)拋物面 發(fā)射器。
[001引另一方面，2012年Llombart等人提出利用現(xiàn)有的光導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)模型，使其與超半 球透鏡之間保持一定的距離，該樣會(huì)提高天線的福射效率。
[0019] 于是，可W通過(guò)調(diào)節(jié)天線到透鏡表面的距離得到了天線到透鏡距離與天線增益的 關(guān)系圖，如圖4所7]^。
[0020] 圖4可W看出；偶極子天線緊貼透鏡背面時(shí)，此時(shí)天線的增益是最小的。偶極子天 線距離透鏡背面的距離增大時(shí)，天線的增益逐漸增大，但增長(zhǎng)是先快后慢的，是非線性的， 增加到一定距離，增益達(dá)到最大，然后增益又逐漸下降。
[0021] 該個(gè)現(xiàn)象是很自然的，偶極子天線緊貼透鏡背面，福射出的太赫茲波容易被反射 使得透鏡正面的增益比較小，距離一定距離后，由于太赫茲波入射角度減小，太赫茲波在透 鏡背面發(fā)生的反射量減少，使得增益逐漸增大，在距離為0. 036mm時(shí)達(dá)到最大。之后，距離 繼續(xù)增大，偶極子天線離透鏡的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，有相當(dāng)一部分能量向四周發(fā)散損失而沒有 進(jìn)入會(huì)聚透鏡，所W天線的增益降低了。所W，偶極子天線不能緊貼透鏡背面，離透鏡背面 的距離在一個(gè)適當(dāng)值的時(shí)候可W得到最佳的增益。
[0022] 之前在優(yōu)化透鏡尺寸的時(shí)候指出透鏡尺寸的優(yōu)化不應(yīng)W追求饋源自身的最大增 益為目標(biāo)，是因?yàn)槿绻孀非笞畲笤鲆?，福射方向圖會(huì)出現(xiàn)雙向福射、形狀崎變、副瓣較 高、遮擋反射等一系列問題，所w該個(gè)尺寸要結(jié)合最終整體的天線系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化。但是在優(yōu)化 偶極子天線到透鏡距離時(shí)，可W將追求饋源自身的最大增益作為優(yōu)化目標(biāo)。該是因?yàn)闊o(wú)論 偶極子天線到透鏡距離如何，增益的大小如何，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，福射源模型的福射方向圖都 十分接近，滿足作為良好饋源的所有要求。距離為0. 〇lmm、〇. 02mm和0. 037mm時(shí)福射源的H 維方向圖的福射模式接近，特別是距離為0. 037mm，也就是達(dá)到最大增益時(shí)，福射效果最好， 主瓣能量非常集中，是綜合優(yōu)化了透鏡尺寸和偶極子天線到透鏡距離該兩個(gè)參數(shù)后得到的 最優(yōu)化的效果。
[0023] 另一方面，透鏡是位于反射面的焦點(diǎn)上的。焦距和口徑直徑是相關(guān)的，一般滿足：
[0024] f=〇).25?O.WD〇
[00巧]如果反射面邊緣的增益是-10地，那么反射面與饋源的匹配會(huì)達(dá)到最佳福照。所W 取f = 0. 5D。，仿真得到-10地線對(duì)應(yīng)的的= 為了保證增益盡可能大，我們留出一定的 裕量?jī)r(jià)=S3-
[0026] 因此，在本實(shí)用新型中，所述饋源與旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的距離滿足f =化25? 0. 5)D。，其中D。是拋物面的口徑。優(yōu)選地滿足f = 0.抓。，即0. 5倍拋物面直徑。
[0027] 在本實(shí)用新型中，太赫茲光導(dǎo)天線通過(guò)饋電轉(zhuǎn)接集成模塊與金屬電極連接。優(yōu)選 地，所述金屬電極是銅金屬電極。
[0028] 太赫茲光導(dǎo)天線通過(guò)饋電轉(zhuǎn)接集成模塊與金屬電極連接屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不做 費(fèi)述。
[0029] 在本實(shí)用新型中，高阻娃襯底透鏡是市場(chǎng)上能夠購(gòu)買獲得產(chǎn)品，例如東方閃光 (北京）光電科技有限公司銷售的高阻娃透鏡產(chǎn)品。
[0030] 太赫茲光導(dǎo)天線是現(xiàn)有技術(shù)中能夠獲得的產(chǎn)品，或根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)記載的內(nèi)容能夠 重復(fù)實(shí)施的技術(shù)，例如劉紅等人，西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011年27卷第3期，《神化嫁太赫茲 光導(dǎo)天線的制備及性能研究》中公開的技術(shù)。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)的太赫茲反射面天線的饋源通常采用微波技術(shù)中的卿趴天線作為饋 源相比，在太赫茲頻段，本實(shí)用新型通過(guò)透鏡進(jìn)行匯聚，不僅使得天線具有尺寸小、重量輕、 易集成的優(yōu)點(diǎn)，而且還可W消除太赫茲產(chǎn)生時(shí)平面天線的表面波效應(yīng)，是反射面天線的理 想饋源。因此，W透鏡天線作為饋源，W旋轉(zhuǎn)拋物面作為反射器，是太赫茲該個(gè)頻段非常理 想的定向天線。 【【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
[0032] 圖1-1、1-2為實(shí)施例1的天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中上部是偶極子天線，下部是透 鏡；
[0033] 圖2為增益曲線圖；
[0034] 圖3是0. 21太赫茲下透鏡半徑與天線增益關(guān)系曲線圖；
[00巧]圖4為天線到透鏡距離與天線增益的關(guān)系圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0036] W下實(shí)施例用于非限制性地解釋本實(shí)用新型的技術(shù)方案。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] 如圖1所示的天線，包括天線包括飛砂激光器、太赫茲光導(dǎo)天線、娃襯底透鏡和旋 轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器，飛砂激光器激發(fā)太赫茲光導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲福射，太赫茲福射被透鏡匯 聚后作為饋源。
[0039] 如圖2所示，增益設(shè)計(jì)為40地，中也頻率為0. 21THZ，頻率范圍從0. 2TOz到 0. 22THZ，該頻段恰好是大氣中水汽對(duì)太赫茲吸收較弱的窗口頻率。口徑尺寸為58. 5mm，焦 距29. 2mm，仿真得到-10地線對(duì)應(yīng)的為45度，因此該天線系統(tǒng)約為53度。
[0040] 對(duì)饋源發(fā)出的太赫茲福射（經(jīng)透鏡會(huì)聚）和拋物面反射的太赫茲福射分別得到其 H維能量圖。
[0041] 作為對(duì)比，去除高阻娃襯底透鏡，直接將太赫茲光導(dǎo)天線激發(fā)的太赫茲福射作為 饋源，測(cè)試其經(jīng)過(guò)拋物面反射后的H維能量圖。
[004引對(duì)比可W看出：
[0043] 1、經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚作為饋源能夠很好地消除光導(dǎo)天線引起的表面波效應(yīng)；
[0044] 2、本實(shí)施例的透鏡尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易集成，由于其體積微小，對(duì)拋物面 反射回來(lái)的電磁場(chǎng)不會(huì)造成遮擋，可W實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)射品質(zhì)；
[0045] 3、透鏡作為饋源效果十分顯著，有會(huì)聚透鏡作為饋源的情況下，天線系統(tǒng)的發(fā)射 能量方向更加集中，增益更大。
[0046] 4、通過(guò)拋物面鏡后，光導(dǎo)天線產(chǎn)生的球形福射被轉(zhuǎn)化為等相位平面波，為后續(xù)應(yīng) 用（如?；诽綔y(cè)和成像）帶來(lái)方便。
[0047] 5、拋物面鏡可W實(shí)現(xiàn)高增益，而且具有低旁瓣等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲頻段依然很小巧 便攜，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【權(quán)利要求】
1. 一種高功率遠(yuǎn)距離太赫茲旋轉(zhuǎn)拋物面定向發(fā)射天線，其特征在于所述天線包括飛秒 激光器、太赫茲光導(dǎo)天線、硅襯底透鏡和旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器，將所述硅襯底透鏡設(shè)置在太赫 茲光導(dǎo)天線上方，所述飛秒激光器激發(fā)太赫茲光導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射，太赫茲輻射被硅 襯底透鏡匯聚后作為旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的饋源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于硅襯底透鏡是高阻硅襯底透鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于高阻硅襯底透鏡的折射率為 3.418,臨界輻射角45度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于硅襯底透鏡的超半球透鏡焦點(diǎn)和 頂端距離是1. 414倍的透鏡半徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器是鋁制旋 轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于所述饋源與旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的 距離滿足f = (〇. 25?0. 5) D。，其中D。是拋物面的口徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于所述饋源與旋轉(zhuǎn)拋物面發(fā)射器的 距尚丨兩足f = 〇? 5D。。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向發(fā)射天線，其特征在于所述太赫茲光導(dǎo)天線通過(guò)饋電轉(zhuǎn) 接集成模塊與金屬電極連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的定向發(fā)射天線，其特征在于所述金屬電極是銅金屬電極。
【文檔編號(hào)】H01Q19/12GK204205039SQ201420310865
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】鄭小平, 蘇云鵬, 劉夢(mèng)婷, 程遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京化工大學(xué)