[發明專利]一種高功率遠距離太赫茲旋轉拋物面定向發射天線

在審

• 申請號: 201410259371.1
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104112900A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 鄭小平;蘇云鵬;劉夢婷;程遠
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京化工大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q19/06;H01Q15/02;H01Q19/12
• 代理公司: 北京君智知識產權代理事務所 11305
• 代理人: 黃綠雯

【技術領域】

本發明涉及太赫茲領域，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】

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瓦特的太赫茲輻射，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，所以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這方面的研究。

1992年，Joakim等人設計了一種對角形喇叭天線，其角形腔是通過兩金屬片挖槽后拼接得到的，輻射效率達到84％。2006年，Douvalis等人設計了一種95GHz集成的圓錐形喇叭陣列天線。2008年，Yu-Juen?Ren等人在平面蝶形天線的基礎上，采用SiC作基片，以提高輻射頻率，實驗結果表明蝶形天線的相對帶寬在1到10THz內為164％，輻射增益比偶極子天線平均提高了2.2dB。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這些方面。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-λ(為波長)，行波天線的尺寸為λ-10λ，口徑天線的尺寸一般為λ-1000λ。可見，口徑天線是最適用于太赫茲頻段的天線形式。

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。

【發明內容】

本發明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。

為了實現上述目的，本發明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。

根據一種特別優選的具體實施方式，硅襯底透鏡是高阻硅襯底透鏡。

更優選地，高阻硅襯底透鏡的折射率為3.418，臨界輻射角45度。

在本發明中，高阻硅襯底透鏡的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。

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，所以透鏡的尺寸取決于工作頻率。

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以后，增益增大的速度就減慢，到后來基本保持不變。這個現象很好理解，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，輻射源輻射的能量基本都被透鏡會聚了，散失的能量很少，所以天線的增益就不再顯著提高了。圖6是0.21太赫茲下透鏡半徑與天線增益關系曲線圖。

因為此時的輻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，所以并不是此時輻射源的增益越大，后面設計的天線的增益就越大。考慮到這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這個角度來確定合適的透鏡尺寸。

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。所以盡管透鏡尺寸越大增益越大，透鏡的口徑也不能很大。

其次，饋源的方向圖最好滿足的一定的要求，這是天線系統整體性能的可靠保證。首先是饋源最好單向輻射而非雙向輻射，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。圖7-1、7-2、7-3是透鏡半徑分別為0.45mm、0.5mm和1.5mm時的三維方向圖。從圖中可以看出，透鏡半徑為0.45mm時，輻射源雙向輻射，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，輻射源的副瓣較大，不滿足低副瓣電平的饋源要求，所以也不適于作為饋源；當透鏡半徑為0.5mm時，輻射源的三維方向圖是單向輻射，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。