一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线，其中，所述天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将所述硅衬底透镜设置在太赫兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被硅衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。本发明具有尺寸小、重量轻、结构简单、易集成，由于其体积微小的有点，太赫兹辐射经过透镜会聚作为馈源能够很好地消除光导天线引起的表面波效应；天线系统的发射能量方向更加集中，增益更大；太赫兹辐射通过抛物面镜后，光导天线产生的球形辐射被转化为等相位平面波；有效实现高增益，而且具有低旁瓣等优点。
【专利说明】一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线 【【技术领域】】
[0001] 本发明涉及太赫兹领域，特别是一种用于高功率远距离太赫兹定向发射的旋转抛 物面天线。 【【背景技术】】
[0002] 太赫兹的高功率的发射源一直是太赫兹研究领域的难点。2013年10月，奥地利维 也纳技术大学的一组研究人员制造出一种新型量子级联激光器，成功输出了 1瓦特的太赫 兹辐射，打破了此前由美国麻省理工学院所保持的〇. 25瓦特的世界纪录。由此可见，太赫 兹源功率的提升难度很大，所以如何提高太赫兹输出系统的效率、如何设计太赫兹定向发 射天线对于高效利用太赫兹源至关重要。研究太赫兹定向发射是实现太赫兹远距离探测的 关键技术，很多科研人员都进行过这方面的研究。
[0003] 1992年，Joakim等人设计了一种对角形喇ΡΛ天线，其角形腔是通过两金属片挖槽 后拼接得到的，辐射效率达到84%。2006年，Douvalis等人设计了一种95GHz集成的圆锥 形喇叭阵列天线。2008年，Yu-Juen Ren等人在平面蝶形天线的基础上，采用SiC作基片， 以提高辐射频率，实验结果表明蝶形天线的相对带宽在1到ΙΟΤΗζ内为164%，辐射增益比 偶极子天线平均提高了 2. 2dB。由于上述天线制作工艺简单，之前的太赫兹定向天线研究多 集中在这些方面。根据天线理论，要想获得更高的的增益和更强的方向性，则天线相对于波 长的比值就要相对较大，分析常见的天线形式，振子天线的尺寸一般为-λ (为波长），行波 天线的尺寸为λ-10 λ，口径天线的尺寸一般为λ-1000 λ。可见，口径天线是最适用于太 赫兹频段的天线形式。
[0004] 然而，上述天线在实现的高增益和窄波束特性方面的效果并不理想。 【
【发明内容】
】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种高增益、具有良好的窄波束特性 的远距离太赫兹定向发射天线。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天 线，其中，所述天线包括飞秒激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将 所述硅衬底透镜设置在太赫兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太 赫兹辐射，太赫兹辐射被硅衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。
[0007] 根据一种特别优选的【具体实施方式】，硅衬底透镜是高阻硅衬底透镜。
[0008] 更优选地，高阻硅衬底透镜的折射率为3. 418,临界辐射角45度。
[0009] 在本发明中，高阻硅衬底透镜的硅衬底透镜的超半球透镜焦点和顶端距离是 1.414倍的透镜半径。
[0010] 在透镜尺寸与偶极子天线的大小关系方面，两者是成比例关系的，偶极子天线的 大小又和工作频率成比例关系，所以透镜的尺寸取决于工作频率。
[0011] 随着透镜半径的增大，天线的增益会增大，但当透镜尺寸大到一定程度以后，增益 增大的速度就减慢，到后来基本保持不变。这个现象很好理解，透镜起会聚作用，半径越大， 会聚作用越强，能量散失越少，增益越强。当透镜尺寸大到一定程度，辐射源辐射的能量基 本都被透镜会聚了，散失的能量很少，所以天线的增益就不再显著提高了。图6是0. 21太 赫兹下透镜半径与天线增益关系曲线图。
[0012] 因为此时的辐射源模型要作为反射面天线的馈源，天线的整体增益是馈源和反射 面共同作用决定的，所以并不是此时辐射源的增益越大，后面设计的天线的增益就越大。考 虑到这个偶极子天线加会聚透镜的组合模型要作为反射面天线的馈源的属性，我们要从馈 源的要求这个角度来确定合适的透镜尺寸。
[0013] 首先，馈源的口径要尽可能小一些，尽量减少对反射面的遮挡，否则主瓣增益会下 降，副瓣增益会增高。所以尽管透镜尺寸越大增益越大，透镜的口径也不能很大。
[0014] 其次，馈源的方向图最好满足的一定的要求，这是天线系统整体性能的可靠保证。 首先是馈源最好单向辐射而非双向辐射，避免与反射回的波束发生混叠；其次要旋转对称， 因为最后天线系统整体也应是旋转对称的；最后副瓣电平尽可能低，减少无用的能量分散， 保证主瓣的增益。图7-1、7-2、7-3是透镜半径分别为0. 45mm、0. 5mm和1. 5mm时的三维方向 图。从图中可以看出，透镜半径为〇. 45mm时，福射源双向辐射，会与反射面反射回来的太赫 兹波形成混叠，不适宜作为反射面天线的馈源；透镜半径为1. 5mm时，辐射源的副瓣较大， 不满足低副瓣电平的馈源要求，所以也不适于作为馈源；当透镜半径为〇. 5_时，辐射源的 三维方向图是单向辐射，主瓣增益大、副瓣增益小，旋转对称，非常适合作为反射面天线的 馈源。
[0015] 由此可见，在这部分的优化过程中，辐射源的增益并不是追求优化的目标，增益的 优化需要结合后面的天线设计，将天线系统作为整体来优化。因此追求优化的是辐射源的 方向图，在保证一定的增益条件下，使辐射源模型最适合作为反射面天线的馈源。
[0016] 特别优选地，高阻硅衬底透镜的直径1毫米。
[0017] 根据本发明的一种优选实施方式，所述旋转抛物面发射器是铝制旋转抛物面发射 器。
[0018] 另一方面，2012年Llombart等人提出利用现有的光导天线结构模型，使其与超半 球透镜之间保持一定的距离，这样会提高天线的辐射效率。
[0019] 于是，可以通过调节天线到透镜表面的距离得到了天线到透镜距离与天线增益的 关系图，如图8所不。
[0020] 图8可以看出：偶极子天线紧贴透镜背面时，此时天线的增益是最小的。偶极子天 线距离透镜背面的距离增大时，天线的增益逐渐增大，但增长是先快后慢的，是非线性的， 增加到一定距离，增益达到最大，然后增益又逐渐下降。
[0021] 这个现象是很自然的，偶极子天线紧贴透镜背面，辐射出的太赫兹波容易被反射 使得透镜正面的增益比较小，距离一定距离后，由于太赫兹波入射角度减小，太赫兹波在透 镜背面发生的反射量减少，使得增益逐渐增大，在距离为0. 036mm时达到最大。之后，距离 继续增大，偶极子天线离透镜的距离越来越远，有相当一部分能量向四周发散损失而没有 进入会聚透镜，所以天线的增益降低了。所以，偶极子天线不能紧贴透镜背面，离透镜背面 的距离在一个适当值的时候可以得到最佳的增益。
[0022] 之前在优化透镜尺寸的时候指出透镜尺寸的优化不应以追求馈源自身的最大增 益为目标，是因为如果片面追求最大增益，辐射方向图会出现双向辐射、形状畸变、副瓣较 高、遮挡反射等一系列问题，所以这个尺寸要结合最终整体的天线系统来优化。但是在优化 偶极子天线到透镜距离时，可以将追求馈源自身的最大增益作为优化目标。这是因为无论 偶极子天线到透镜距离如何，增益的大小如何，经过仿真验证，辐射源模型的辐射方向图都 十分接近，满足作为良好馈源的所有要求。图9-1、9-2、9-3分别是距离为0· 01mm、0. 02mm 和0. 037mm时辐射源的三维方向图，三幅图的辐射模式接近，特别是距离为0. 037mm，也就 是达到最大增益时，辐射效果最好，主瓣能量非常集中，是综合优化了透镜尺寸和偶极子天 线到透镜距离这两个参数后得到的最优化的效果。
[0023] 另一方面，透镜是位于反射面的焦点上的。焦距和口径直径是相关的，一般满足：
[0024] f = (0· 25 ?0· 5)D0
【权利要求】
1. 一种高功率远距离太赫兹旋转抛物面定向发射天线，其特征在于所述天线包括飞秒 激光器、太赫兹光导天线、硅衬底透镜和旋转抛物面发射器，将所述硅衬底透镜设置在太赫 兹光导天线上方，所述飞秒激光器激发太赫兹光导天线产生太赫兹辐射，太赫兹辐射被硅 衬底透镜汇聚后作为旋转抛物面发射器的馈源。
2. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于硅衬底透镜是高阻硅衬底透镜。
3. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于高阻硅衬底透镜的折射率为 3. 418,临界辐射角45度。
4. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于硅衬底透镜的超半球透镜焦点和 顶端距离是1. 414倍的透镜半径。
5. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述旋转抛物面发射器是铝制旋 转抛物面发射器。
6. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述馈源与旋转抛物面发射器的 距离满足f = (〇. 25?0. 5) D。，其中D。是抛物面的口径。
7. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述馈源与旋转抛物面发射器的 距尚?两足f = 〇· 5D。。
8. 根据权利要求1所述的定向发射天线，其特征在于所述太赫兹光导天线通过馈电转 接集成模块与金属电极连接。
9. 根据权利要求7所述的定向发射天线，其特征在于所述金属电极是铜金属电极。
【文档编号】H01Q19/06GK104112900SQ201410259371
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】郑小平, 苏云鹏, 刘梦婷, 程远 申请人:清华大学, 北京化工大学