一種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發射天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發射天線，其中，所述天線包括飛秒激光器、太赫茲光導天線、硅襯底透鏡和旋轉拋物面發射器，將所述硅襯底透鏡設置在太赫茲光導天線上方，所述飛秒激光器激發太赫茲光導天線產生太赫茲輻射，太赫茲輻射被硅襯底透鏡匯聚后作為旋轉拋物面發射器的饋源。本實用新型具有尺寸小、重量輕、結構簡單、易集成，由于其體積微小的有點，太赫茲輻射經過透鏡會聚作為饋源能夠很好地消除光導天線引起的表面波效應；天線系統的發射能量方向更加集中，增益更大；太赫茲輻射通過拋物面鏡后，光導天線產生的球形輻射被轉化為等相位平面波；有效實現高增益，而且具有低旁瓣等優點。
【專利說明】-種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發射天線 【【技術領域】】
[0001] 本實用新型涉及太赫茲領域，特別是一種用于高功率遠距離太赫茲定向發射的旋 轉拋物面天線。 【【背景技術】】
[0002] 太赫茲的高功率的發射源一直是太赫茲研究領域的難點。2013年10月，奧地利維 也納技術大學的一組研究人員制造出一種新型量子級聯激光器，成功輸出了 1瓦特的太赫 茲福射，打破了此前由美國麻省理工學院所保持的0. 25瓦特的世界紀錄。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的效率、如何設計太赫茲定向發 射天線對于高效利用太赫茲源至關重要。研究太赫茲定向發射是實現太赫茲遠距離探測的 關鍵技術，很多科研人員都進行過該方面的研究。
[0003] 1992年，化akim等人設計了一種對角形卿趴天線，其角形腔是通過兩金屬片挖槽 后拼接得到的，福射效率達到84%。2006年，Douvalis等人設計了一種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上，采用SiC作基片， W提高福射頻率，實驗結果表明蝶形天線的相對帶寬在1到10T化內為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單，之前的太赫茲定向天線研究多 集中在該些方面。根據天線理論，要想獲得更高的的增益和更強的方向性，則天線相對于波 長的比值就要相對較大，分析常見的天線形式，振子天線的尺寸一般為-A (為波長），行波 天線的尺寸為A-10 A，口徑天線的尺寸一般為A-1000 A。可見，口徑天線是最適用于太 赫茲頻段的天線形式。
[0004] 然而，上述天線在實現的高增益和窄波束特性方面的效果并不理想。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種高增益、具有良好的窄波束 特性的遠距離太赫茲定向發射天線。
[0006] 為了實現上述目的，本實用新型提供一種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發 射天線，其中，所述天線包括飛砂激光器、太赫茲光導天線、娃襯底透鏡和旋轉拋物面發射 器，將所述娃襯底透鏡設置在太赫茲光導天線上方，所述飛砂激光器激發太赫茲光導天線 產生太赫茲福射，太赫茲福射被娃襯底透鏡匯聚后作為旋轉拋物面發射器的饋源。
[0007] 根據一種特別優選的【具體實施方式】，娃襯底透鏡是高阻娃襯底透鏡。
[0008] 更優選地，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系方面，兩者是成比例關系的，偶極子天線的 大小又和工作頻率成比例關系，所W透鏡的尺寸取決于工作頻率。
[0011] 隨著透鏡半徑的增大，天線的增益會增大，但當透鏡尺寸大到一定程度W后，增益 增大的速度就減慢，到后來基本保持不變。該個現象很好理解，透鏡起會聚作用，半徑越大， 會聚作用越強，能量散失越少，增益越強。當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系曲線圖。
[0012] 因為此時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并不是此時福射源的增益越大，后面設計的天線的增益就越大。考 慮到該個偶極子天線加會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 源的要求該個角度來確定合適的透鏡尺寸。
[0013] 首先，饋源的口徑要盡可能小一些，盡量減少對反射面的遮擋，否則主瓣增益會下 降，副瓣增益會增高。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生混疊；其次要旋轉對稱， 因為最后天線系統整體也應是旋轉對稱的；最后副瓣電平盡可能低，減少無用的能量分散， 保證主瓣的增益。透鏡半徑為0. 45mm時，福射源雙向福射，會與反射面反射回來的太赫茲 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，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；當透鏡半徑為0. 5mm時，福射源的H 維方向圖是單向福射，主瓣增益大、副瓣增益小，旋轉對稱，非常適合作為反射面天線的饋 源。
[0015] 由此可見，在該部分的優化過程中，福射源的增益并不是追求優化的目標，增益的 優化需要結合后面的天線設計，將天線系統作為整體來優化。因此追求優化的是福射源的 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] 特別優選地，高阻娃襯底透鏡的直徑1毫米。
[0017] 根據本實用新型的一種優選實施方式，所述旋轉拋物面發射器是鉛制旋轉拋物面 發射器。
[001引另一方面，2012年Llombart等人提出利用現有的光導天線結構模型，使其與超半 球透鏡之間保持一定的距離，該樣會提高天線的福射效率。
[0019] 于是，可W通過調節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，此時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，天線的增益逐漸增大，但增長是先快后慢的，是非線性的， 增加到一定距離，增益達到最大，然后增益又逐漸下降。
[0021] 該個現象是很自然的，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 鏡背面發生的反射量減少，使得增益逐漸增大，在距離為0. 036mm時達到最大。之后，距離 繼續增大，偶極子天線離透鏡的距離越來越遠，有相當一部分能量向四周發散損失而沒有 進入會聚透鏡，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 的距離在一個適當值的時候可W得到最佳的增益。
[0022] 之前在優化透鏡尺寸的時候指出透鏡尺寸的優化不應W追求饋源自身的最大增 益為目標，是因為如果片面追求最大增益，福射方向圖會出現雙向福射、形狀崎變、副瓣較 高、遮擋反射等一系列問題，所w該個尺寸要結合最終整體的天線系統來優化。但是在優化 偶極子天線到透鏡距離時，可W將追求饋源自身的最大增益作為優化目標。該是因為無論 偶極子天線到透鏡距離如何，增益的大小如何，經過仿真驗證，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，也就是達到最大增益時，福射效果最好， 主瓣能量非常集中，是綜合優化了透鏡尺寸和偶極子天線到透鏡距離該兩個參數后得到的 最優化的效果。
[0023] 另一方面，透鏡是位于反射面的焦點上的。焦距和口徑直徑是相關的，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達到最佳福照。所W 取f = 0. 5D。，仿真得到-10地線對應的的= 為了保證增益盡可能大，我們留出一定的 裕量價=S3-
[0026] 因此，在本實用新型中，所述饋源與旋轉拋物面發射器的距離滿足f =化25? 0. 5)D。，其中D。是拋物面的口徑。優選地滿足f = 0.抓。，即0. 5倍拋物面直徑。
[0027] 在本實用新型中，太赫茲光導天線通過饋電轉接集成模塊與金屬電極連接。優選 地，所述金屬電極是銅金屬電極。
[0028] 太赫茲光導天線通過饋電轉接集成模塊與金屬電極連接屬于現有技術，在此不做 費述。
[0029] 在本實用新型中，高阻娃襯底透鏡是市場上能夠購買獲得產品，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品。
[0030] 太赫茲光導天線是現有技術中能夠獲得的產品，或根據現有技術記載的內容能夠 重復實施的技術，例如劉紅等人，西安理工大學學報，2011年27卷第3期，《神化嫁太赫茲 光導天線的制備及性能研究》中公開的技術。
[0031] 與現有技術的太赫茲反射面天線的饋源通常采用微波技術中的卿趴天線作為饋 源相比，在太赫茲頻段，本實用新型通過透鏡進行匯聚，不僅使得天線具有尺寸小、重量輕、 易集成的優點，而且還可W消除太赫茲產生時平面天線的表面波效應，是反射面天線的理 想饋源。因此，W透鏡天線作為饋源，W旋轉拋物面作為反射器，是太赫茲該個頻段非常理 想的定向天線。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0032] 圖1-1、1-2為實施例1的天線系統結構示意圖；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系曲線圖；
[00巧]圖4為天線到透鏡距離與天線增益的關系圖。 【【具體實施方式】】
[0036] W下實施例用于非限制性地解釋本實用新型的技術方案。
[0037] 實施例1
[0038] 如圖1所示的天線，包括天線包括飛砂激光器、太赫茲光導天線、娃襯底透鏡和旋 轉拋物面發射器，飛砂激光器激發太赫茲光導天線產生太赫茲福射，太赫茲福射被透鏡匯 聚后作為饋源。
[0039] 如圖2所示，增益設計為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地線對應的為45度，因此該天線系統約為53度。
[0040] 對饋源發出的太赫茲福射（經透鏡會聚）和拋物面反射的太赫茲福射分別得到其 H維能量圖。
[0041] 作為對比，去除高阻娃襯底透鏡，直接將太赫茲光導天線激發的太赫茲福射作為 饋源，測試其經過拋物面反射后的H維能量圖。
[004引對比可W看出：
[0043] 1、經過透鏡會聚作為饋源能夠很好地消除光導天線引起的表面波效應；
[0044] 2、本實施例的透鏡尺寸小、重量輕、結構簡單、易集成，由于其體積微小，對拋物面 反射回來的電磁場不會造成遮擋，可W實現較高的發射品質；
[0045] 3、透鏡作為饋源效果十分顯著，有會聚透鏡作為饋源的情況下，天線系統的發射 能量方向更加集中，增益更大。
[0046] 4、通過拋物面鏡后，光導天線產生的球形福射被轉化為等相位平面波，為后續應 用（如危化品探測和成像）帶來方便。
[0047] 5、拋物面鏡可W實現高增益，而且具有低旁瓣等優點，在太赫茲頻段依然很小巧 便攜，具有很強的實用性。
【權利要求】
1. 一種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發射天線，其特征在于所述天線包括飛秒 激光器、太赫茲光導天線、硅襯底透鏡和旋轉拋物面發射器，將所述硅襯底透鏡設置在太赫 茲光導天線上方，所述飛秒激光器激發太赫茲光導天線產生太赫茲輻射，太赫茲輻射被硅 襯底透鏡匯聚后作為旋轉拋物面發射器的饋源。
2. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于硅襯底透鏡是高阻硅襯底透鏡。
3. 根據權利要求1所述的定向發射天線，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. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于硅襯底透鏡的超半球透鏡焦點和 頂端距離是1. 414倍的透鏡半徑。
5. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于所述旋轉拋物面發射器是鋁制旋 轉拋物面發射器。
6. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于所述饋源與旋轉拋物面發射器的 距離滿足f = (〇. 25?0. 5) D。，其中D。是拋物面的口徑。
7. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于所述饋源與旋轉拋物面發射器的 距尚丨兩足f = 〇? 5D。。
8. 根據權利要求1所述的定向發射天線，其特征在于所述太赫茲光導天線通過饋電轉 接集成模塊與金屬電極連接。
9. 根據權利要求8所述的定向發射天線，其特征在于所述金屬電極是銅金屬電極。
【文檔編號】H01Q19/12GK204205039SQ201420310865
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】鄭小平, 蘇云鵬, 劉夢婷, 程遠 申請人:清華大學, 北京化工大學