一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线的制作方法

1.本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线。


背景技术：

2.平面反射阵天线基于超表面结构，以平面周期阵列代替阵列单元，具有结构简单、低成本、体积小、波束调控灵活的优势。对于毫米波及太赫兹天线而言，加工精度要求高，很多具有复杂精密结构的天线形式无法实现，而平面反射阵天线是一种很好的解决方案，可以满足高增益波束、多波束、特定形状波束等辐射特性要求，且无需复杂的三维结构。针对毫米波及太赫兹频段，为了获得宽带、低副瓣、低交叉极化等性能，要求平面反射阵单元有宽的调相范围，对入射波极化方式与入射角度不敏感，相位调制的宽带一致性好，且应避免利用精细结构调制相位，减少加工精度误差对天线性能的影响。
3.现有的平面反射阵单元结构形状各异，在微波段有品种繁多的反射阵天线形式，但缺乏对加工精度的考量。这一问题在微波段可以不予考虑，但是到了毫米波太赫兹波段，由于频率高波长短，很多细小结构已经超过了加工精度的极限值。因此，很多微波段的反射阵天线尽管有足够宽的相位调制范围且有较好的宽带一致性，但是多采用复杂的单元结构形式，到了毫米波和太赫兹波段不再适用。由于加工精度受限，很多精细结构难以保证与设计相符，加工误差会造成调制相位远远偏离预设值，因此造成天线的辐射性能恶化，出现如增益降低、副瓣升高、交叉极化电平升高等问题。针对毫米波及太赫兹频段的平面反射阵天线，反射阵单元的设计应充分考虑加工精度的影响，采用尽可能简单的单元结构，且避免相位调制对细微结构的依赖性。
4.现有的平面反射阵设计采用的单元结构难以兼顾宽相位调制范围与任意入射波极化形式。当入射波极化固定时，单元设计有很好的自由度，单元结构可以只需在一个维度变化，可以较为容易设计结构形式满足全相覆盖的要求。当入射波极化为任意方向时，单元需要采用90度旋转对称结构，单元结构设计的自由度降低，往往调制相位范围不足，因此宽的相位调制范围需要依赖细微结构的变化。在反射阵天线设计中，馈源照射每一单元的位置与角度不同，因此为提高天线性能，需要反射阵单元有极化不敏感特性，同时也应满足全相位覆盖，从而减少调制相位误差对阵列总体性能的恶化。
5.毫米波及太赫兹频段由于工艺能力受限，很多天线形式难以加工，而毫米波与太赫兹技术的发展又对波束调制有越来越高的要求，如高定向波束、多波束、特定角度的干扰抑制等种种问题都对天线设计提出了很大的挑战。平面反射阵天线具有波束调制灵活、结构简单、易于加工、体积小、成本低等特点，在微波频段已经取代了很多传统天线形式。但对于毫米波及太赫兹频段而言，利用反射阵单元结构来弥补空间相位从而实现波束调制，这需要高精度的微表面加工工艺，对于很多设计方案而言加工误差使得天线性能恶化严重，无法直接从微波段引入毫米波及太赫兹频段。因此尽管毫米波及太赫兹平面反射阵天线的设计原理上与微波段类似，但实际可行的设计方案仍十分有限，天线性能难以提高。
6.图1为一种基本的平面反射阵设计方案，反射阵单元采用基本的方形贴片周期结构，在介质基底下表面为全金属地，介质基底上表面蚀刻设计好的金属图案，电磁波照射反射阵单元时，由于全金属地的存在电磁波无法透射，少部分能量被金属与介质基底吸收，大部分能量反射，通过调节周期表面单元的大小，即改变正方形周期表面的边长，可以实现对反射相位的调控。进一步地，用所设计反射阵单元周期排列形成反射面，当馈源照射反射面时，计算每一个单元位置的接收入射波与预定反射波的相位差，通过调制相位与周期结构大小的关系调整每一个阵元的金属图案大小，从而实现对整个反射面上空间相位的控制。馈源采用偏馈的方式可以有效避免馈源遮挡对天线口径效率的影响，设计周期单元的金属图案形式可以获得更优良的天线辐射性能。
7.实际平面反射阵天线设计中，为了满足宽带、低副瓣、高增益、低交叉极化等要求，需要采用不同的周期表面单元形式。图2为一种与本方案相近的太赫兹反射阵设计，基于双开口方环反射单元，天线工作于220ghz。基底采用泡沫，在基底上下表面使用金贴片设计双开口方环结构及地板，改变开口环大小可以实现全相位范围的调制。当电磁波垂直照射超表面时，若电场极化方向为x方向，则在开口双环上会产生谐振效应，谐振频率处的反射相位为零，偏移谐振频率处的反射相位位于0
°
～180
°
之间。入射波频率固定时，通过改变环形缝隙的尺寸可以改变其固有谐振频率，从而实现对反射相位的调控。根据设计结构特点，该反射阵对斜入射时的偏转角度不敏感，由于没有旋转对称性，其对入射波的电场极化方向较为敏感。此外，调制相位对缝隙宽度变化较为敏感，对加工精度要求较高。反射阵天线采用法线方向垂直照射馈电，每一阵元结构根据反射相位补偿误差选择相应的尺寸大小。
8.通过分析国内外发表文献、专利和产品，现有的平面反射阵设计方案中大多针对微波频段，尽管相关学者提出了多种复杂的反射阵单元结构，但是由于加工精度的限制，在毫米波和太赫兹频段利用各种精细的结构实现相位调控是不现实的，很多结构无法直接搬移到高频段。现有的用于毫米波及太赫兹反射阵的切实可行的设计方案比较有限，反射阵单元结构的选择大多基于传统环形或贴片形式，改进型的设计方案难以兼顾带宽、极化敏感性、加工精度敏感性、宽相位调制范围等多种特性，相关研究有待深入。
9.采用传统贴片或者环形结构实现相位调控仅对窄频带有较好的效果，由于该类结构谐振性较强，仅在谐振频率点处有明显的相位调制能力，工作频率偏移谐振频率后相位调制功能很快失效。基于传统贴片或者环形结构反射阵单元设计的太赫兹反射阵天线由于结构简单对加工精度要求较低、设计较为容易，比较适合窄频带毫米波或太赫兹天线设计，但无法满足宽频带内对天线工作性能的需求。
10.改进型的多种反射阵单元结构可以利用多谐振特性满足不同工作频率的相位调制需求，基于多谐振频率实现宽带覆盖。但是多谐振单元的设计在有限空间内设计自由度较低，如周期选择典型值λ/2(λ为自由空间波长)，此时谐振单元长度与周期长度在同一量级，多谐振结构设计较为复杂。可查设计方案一般采用两种设计思路。第一种是利用细长的多枝节结构作为谐振单元的相位延迟线，如树杈型或对数周期型结构，此时金属线一般很细且谐振频率对枝节尺寸的变化非常敏感，对加工精度提出了较高的要求。且为了满足极化不敏感特性需要采用90度旋转对称图案，进一步增加了结构的复杂度。另一种思路是利用多个阵子作为谐振单元本身，此时阵子大多数仅能沿一维排列，仅能对单一方向极化的入射波具备有效的相位调制能力，而对另一极化方向失效。而极化敏感特性为平面反射阵
天线的设计增加了困难，对天线辐射性能影响较大。


技术实现要素：

11.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
12.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
13.一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线，包括波导馈源和方环嵌套反射阵单元两部分；波导馈源偏移法线一定角度照射反射面，天线辐射方向与馈源入射方向镜像对称。
14.优选地，方环嵌套反射阵单元，采用三层结构，包括方环嵌套金属表面、介质基底和金属地板；方环嵌套金属表面位于上层，介质基底位于中间层，金属地板位于下层。
15.优选地，方环嵌套反射阵单元，具有90
°
旋转对称性，无极化敏感特性，对不同极化入射波均能够实现有效相位调制。
16.优选地，方环嵌套金属表面和金属地板采用包括镀金和镀银在内的低损耗金属材料，介质基底采用包括石英和高分子聚合物在内的低损耗介质材料。
17.优选地，方环嵌套反射阵单元为立方体，方环嵌套金属表面的厚度远远小于介质基底的厚度。
18.优选地，方环嵌套金属表面包括六个方环，组成嵌套环结构，其内部包括五个小金属环，五个小金属环中的中心环与其它四环均有交叠，所有环形结构的线宽一致。
19.优选地，方环嵌套反射阵单元采用六个方环组合的形式形成宽带谐振单元，利用外环产生低频窄带谐振，利用内部组合环形成宽带谐振，满足宽带覆盖需求。
20.本发明所带来的有益技术效果：
21.本发明提出的新型反射阵单元结构兼顾全相位调制、宽频带、抗极化敏感等特性的设计需要，突破了传统方案对于相位、频带、极化无法兼顾的难题，相比其它具有宽频带且宽相位调制范围的结构，本方案采用旋转对称结构，无极化敏感性，相比于其它基于旋转对称结构的设计方案，本发明有更宽的有效带宽。
22.本发明所提新型反射阵单元结构避免了相位调制能力与精细结构的依赖性，引入宽带阵子实现宽带调相，降低了对加工精度的要求，因此适合于毫米波及太赫兹频段的应用，相比于其它宽带反射阵单元，结构简单、易于加工、性能稳定、成品率高。
23.本发明所提基于新型反射阵单元的太赫兹反射阵天线易于加工、成本低、体积小、辐射性能优良，可以弥补现有太赫兹天线的不足，如增益受限、加工难度大、副瓣及交叉极化电平高等问题。
附图说明
24.图1为平面反射阵天线基本设计方案图；其中，(a)为反射阵单元示结构示意图；(b)为反射阵天线结构示意图；
25.图2为一种太赫兹平面反射阵设计方案图；其中，(a)为反射阵单元结构示意图；(b)反射阵面结构示意图；
26.图3为方环嵌套反射阵单元结构图；其中(a)为立体图；(b)为俯视图；
27.其中，1-方环嵌套金属表面；2-介质基底；3-金属地板；
28.图4为方环嵌套反射阵单元反射相位随单元结构大小变化关系图；
29.图5为工作频率分别为200ghz，300ghz，400ghz时嵌套方环金属图案上的感应电流分布图；(a)为工作频率为200ghz时的感应电流分布图；(b)为工作频率为300ghz时的感应电流分布图；(c)为工作频率为400ghz时的感应电流分布图；
30.图6为基于方环嵌套结构的太赫兹反射阵天线图；其中(a)为整体结构图；(b)为反射阵面局部示意图；
31.图7为所提太赫兹反射阵天线在不同频率的辐射方向图；
32.图8所提反射阵天线主极化与交叉极化电平对比图；
具体实施方式
33.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
34.本发明提出的方环嵌套反射阵单元，其结构如图3所示，包括方环嵌套金属表面1、介质基底2和金属地板3。其中，方环嵌套金属表面1和金属地板3采用镀金、镀银等低损耗金属材料，介质基底2采用石英、高分子聚合物等低损耗介质材料。反射阵单元为立方体，边长为p，厚度为t，金属表面厚度远远小于介质基底厚度。方环嵌套金属表面1包含六个方环，组成嵌套环结构，最外围大金属方环边长为a，内部含五个小金属环，中心环与其它四环均有交叠，所有环形结构的线宽一致。
35.通过改变a的大小来调整方环嵌套金属表面1的尺寸，形成一系列具有不同大小金属图案的反射阵单元，所有单元按照周期p紧密排列形成周期结构，构成反射阵列。改变a时，金属图案的线宽保持不变，图形等比例放大或者缩小，控制a的大小可以改变反射相位的大小。所提反射阵单元的反射相位与边长a的关系仿真结果如图4所示。设定中心频率为300ghz时，在中心频率处a在50μm～300μm之间变化，反射相位调控范围超过500
°
，可以满足360
°
全相覆盖的需要。改变工作频率，相位变化曲线基本保持一致，不同频率的相位曲线相对平行，选择线性度较好的中间段可以满足宽频带、宽相位调制范围的需要。此外，由于反射相位依赖于结构变化，线宽选择对反射相位曲线的影响不大，因此降低了对加工精度的严格要求。
36.为了说明本方案的设计思路，深入阐述所提新型结构的工作机理，分析了不同工作频率处的感应电流。入射波沿反射阵单元法线方向垂直照射，极化方式为水平线极化。由结构的对称性可知，无论入射场极化方式为垂直极化还是水平极化，都有相同的电流分布，故仅需分析其中一种即可。图5为工作频率分别为200ghz，300ghz，400ghz时嵌套方环金属图案上的感应电流分布图。
37.可以看到，当工作频率位于低端200ghz时，感应电流主要分布于最外围大金属环，内部五个小金属环几乎不参与工作。电流在外围环上呈现1-λ的谐振模式，此时与传统单环结构工作原理相同。当工作频率升高至300ghz甚至400ghz时，此时感应电流主要分布与内部五个方环，而最外围大环上的电流相对较弱。此时，内部五个小方环嵌套形成类花瓣结构，其实构成了一个无极化选择特性的宽带谐振单元，与宽带天线工作原理相似。中心小方环的上下两臂构成两个平行放置的谐振阵子，在阵子的四个末端分别连接一个金属环结构进行延伸，大大拓展原有阵子的带宽。因此当频率升高时，内部五个小环参与工作，工作模
式不发生改变，有相似的模式电流分布。多个金属环的组合结构可以在宽带内产生谐振，从而实现宽频带相位调制。值得一提的时，内外金属环相结合时，还可以在内外环之间形成等效寄生电容，这有助于拓展调制相位的覆盖范围超过360
°
。
38.在新型反射阵单元的基础上，设计了一款中心频率为300ghz的太赫兹反射阵天线，说明所提反射阵在天线设计中的应用价值，同时提供一款性能优良的太赫兹反射阵天线设计方案。太赫兹反射阵天线结构如图6所示，主要由波导馈源和反射阵面两部分构成。波导馈源偏移法线一定角度照射反射面，不同位置的反射面单元根据相位补偿条件选择合适的结构大小。此处设计馈源偏移法线20
°
照射，天线辐射方向与馈源入射方向镜像对称。
39.图7和图8分别为仿真的不同频率处的二维辐射方向图和中心频率的主极化与交叉极化电平对比图。从仿真结果可以看到，在250～350ghz宽带范围内，天线方向图均保持高度的一致性，方向图形状几乎不变，最大辐射方向与设计辐射方向(θ＝-20
°
)一致，天线性能在宽带内保持稳定。同时，天线在中心频率处有低于-35db的交叉极化电平，极化纯度高，可满足高性能太赫兹天线的需求。
40.本发明的关键点有如下几项：
41.本发明提出了一种方环嵌套反射阵单元结构，基于宽带谐振单元产生多谐振特性，实现宽带覆盖，引入有效寄生电容实现360
°
全相调制。
42.本发明所提新型反射阵单元结构具有90
°
旋转对称性，因而无极化敏感特性，对不同极化入射波均可实现有效相位调制。
43.基于新型反射阵结构，本发明提出了一种太赫兹平面反射阵天线，天线具有宽频带、低副瓣、低交叉极化特性。
44.保护点有如下几项：
45.提出方环嵌套反射阵单元结构模型，模型具有90
°
旋转对称特性，可抗极化敏感性。
46.提出方环嵌套反射阵单元结构模型，模型采用六个方环组合的形式形成宽带谐振单元，利用外环产生低频窄带谐振，利用内部组合环形成宽带谐振，满足宽带覆盖需求。
47.提出方环嵌套反射阵单元结构模型，该结构特点为调制反射相位依赖结构整体尺寸而非局部细微结构变化，对金属线宽变化不敏感，因此降低对加工精度的严格要求。
48.提出基于方环嵌套反射阵单元的太赫兹平面反射阵天线设计，结合了反射阵单元的抗极化敏感性、宽带稳定性、宽相位调制性实现高性能太赫兹天线，满足宽频带、低副瓣、低交叉极化电平等需要。
49.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。