太赫茲發射天線系統的制作方法

本發明涉及太赫茲領域，特別是涉及一種太赫茲發射天線系統。

背景技術：

太赫茲發射天線的研究可以大致分為兩類，一類是波長尺度的太赫茲輻射源結構，用于將輻射能量從自由空間耦合到亞波長尺度的發射器中；另一類是成百上千倍波長尺度的口徑面天線，用于聚集信號然后對波束賦形或聚焦。

太赫茲輻射源的產生存在很大技術難度，這也是太赫茲頻段長期以來未被人們充分研究的原因。太赫茲源產生可以由量子級聯激光器、IMPATT二極管、電光整流、光導天線等技術實現，但目前的太赫茲源輻射功率偏小。2013年12月，英國利茲大學成功研制出功率超過1瓦特的量子級聯激光器太赫茲源，打破了此前奧地利維也納技術大學和麻省理工學院的世界紀錄。由于太赫茲源功率偏小，所以研制高效的定向發射天線意義重大。

傳統的反射面太赫茲系統在天線進行掃描時會產生像差，成像的范圍受到限制。太赫茲拋物面反射面天線的饋源通常是借用微波技術中的喇叭天線作為饋源，基本采用微波倍頻的手段從電學角度實現低頻太赫茲饋源，存在方向性低、傳輸線噪聲高等缺點。

技術實現要素：

基于此，有必要針對太赫茲拋物面反射面天線的饋源存在方向性低、傳輸線噪聲高等問題，提供一種太赫茲發射天線系統。

一種太赫茲發射天線系統，包括光導天線、透鏡、主反射器、副反射器；

所述光導天線用于產生太赫茲輻射波；

所述透鏡用于對所述太赫茲輻射波進行會聚，將會聚后的太赫茲輻射波作為發射天線的饋源；

所述副反射器用于將匯聚后的太赫茲輻射波反射至主反射器；

所述主反射器用于將經過副反射器反射的太赫茲波再次進行反射，形成太赫茲波束。

上述太赫茲發射天線系統，包括光導天線、透鏡、主反射器、副反射器。以光導天線與透鏡的組合會聚后的太赫茲輻射波作為發射天線的饋源，所形成的太赫茲波束具有高方向性、傳輸線噪聲小、口面場分布均勻的優點，并且上述太赫茲發射天線系統設計靈活、發射效率高。

在其中一個實施例中，所述主反射器為拋物面結構，所述副反射器為雙曲面結構，且主反射器與副反射器彎曲方向相同。

在其中一個實施例中，所述主反射器拋物面直徑為：

其中，G為太赫茲發射天線增益，D為主反射器直徑拋物面直徑，λ為太赫茲波長，g為太赫茲卡塞格倫定向發射天線的增益因子。

在其中一個實施例中，所述副反射器雙曲面直徑為主反射器直徑的0.11-0.18倍。

在其中一個實施例中，所述主反射器與所述副反射器同軸設置，所述主反射器焦點與副反射器實焦點重合。

在其中一個實施例中，所述透鏡設置于所述副反射器雙曲面的虛焦點處。

在其中一個實施例中，所述光導天線靠近所述透鏡設置，所述光導天線與所述透鏡之間的距離為0-0.04mm。

在其中一個實施例中，所述透鏡的材質為硅。

在其中一個實施例中，所述硅折射率為3.418，臨界輻射角為45度。

在其中一個實施例中，所述光導天線通過饋電轉接集成模塊與金屬電極連接。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的太赫茲發射天線系統結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的太赫茲發射天線系統工作原理示意圖；

圖3為本發明實施例提供的副反射器旋轉雙曲面與天線增益的關系圖；

圖4為本發明實施例提供的副反射器雙曲面焦距與光導天線整體增益的關系圖；

圖5為本發明實施例提供的光導天線到透鏡距離與天線增益的關系圖；

圖6為本發明實施例提供的透鏡半徑與光導天線增益圖；

圖7為本發明實施例提供的透鏡半徑分別為0.45mm、0.5mm和1.5mm時饋源的三維方向圖；

圖8為本發明實施例提供的輻射增益三維方向圖；

圖9為本發明實施例提供的仿真波瓣圖；

圖10為本發明實施例提供的太赫茲發射天線系統結構位置關系圖。

其中：

100-光導天線；

200-透鏡；

300-主反射器；

400-副反射器。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖對本發明的太赫茲發射天線系統進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

請參閱圖1與圖2，本發明一個實施例，提供一種太赫茲發射天線系統，包括光導天線100、透鏡200、主反射器300、副反射器400。所述光導天線100用于產生太赫茲輻射波；所述透鏡200用于對所述太赫茲輻射波進行會聚，將會聚后的太赫茲輻射波作為發射天線的饋源；所述副反射器400用于將匯聚后的太赫茲輻射波反射至主反射器300；所述主反射器300用于將經過副反射器400反射的太赫茲波再次進行反射，形成太赫茲波束。其中，所述光導天線100通過饋電轉接集成模塊與金屬電極連接。

具體地，太赫茲發射天線系統可利用飛秒激光器產生的飛秒激光脈沖，激發光導天線100產生太赫茲輻射波。硅質襯底透鏡200對太赫茲輻射波進行會聚，將會聚后的太赫茲輻射波作為發射天線的饋源。饋源輻射的太赫茲輻射波為球面波，球面波經過副反射器400反射至主反射器300，主反射器300將經過副反射器400反射的太赫茲波再次進行反射，在主反射器300的前方形成較強的太赫茲波束。饋源分布在副反射器400的虛焦點處，縮短了饋線的長度，可以有效減少由傳輸線引入的噪聲，并且太赫茲波束方向性高，同時也更加便于安裝。

本實施例提供的太赫茲發射天線系統，通過光導天線100與透鏡200的組合會聚后的太赫茲輻射波作為發射天線的饋源，所形成的太赫茲波束可以實現高功率定向發射，能量損失小，發射效率高。

其中一個實施例中，請參閱圖2，所述主反射器300為拋物面結構，所述副反射器400為雙曲面結構，且主反射器300與副反射器400彎曲方向相同。具體地，可以采用鋁制旋轉拋物面作為主反射器300，鋁制旋轉雙曲面作為副反射器400。進一步地，饋源置于副反射器400的雙曲面結構的虛焦點F2上，饋源輻射處的太赫茲球面波，經過副反射器400雙曲面結構的反射后，可以看做是從主反射器300拋物面結構的焦點F1，也即副反射器400雙曲面結構的實焦點F1發出的另一個太赫茲球面波，然后投射到主反射器300的拋物面結構上。

其中一個實施例中，所述主反射器300的拋物面結構直徑為：其中，G為太赫茲發射天線增益，D為主反射器300的拋物面結構的直徑，λ為太赫茲波長，g為光導天線100的增益因子。副反射器400雙曲面直徑為主反射器300直徑的0.11-0.18倍，其中，副反射器400的直徑選取要兼顧能量截獲多、遮擋小，需要根據實際情況來優化選取，通過經驗值可以得到雙曲面的直徑為d介于0.11D到0.18D之間。

其中一個實施例，所述主反射器300與所述副反射器400同軸設置，所述主反射器300焦點與副反射器400實焦點重合。進一步地，所述饋源設置于所述副反射器400雙曲面的虛焦點處。其中，主反射器300為拋物面結構，拋物面焦距為f，由公式可以得到拋物面焦距為f的值。其中，ψ₀為拋物面主反射器300半張角。副反射器400為雙曲面結構，雙曲面的焦距為f_c，由確定雙曲面的焦距f_c其中為雙曲面副反射器400半張角。

具體的，請一并參閱圖3，副反射器400可以為旋轉雙曲面結構，其中旋轉雙曲面直徑需要權衡能量多和遮擋小來選擇。

雙曲面的參數方程為：

其中，u,v是參數，u的范圍0～1.2mm，v的范圍是0～2π，dis是供調節以保證雙曲面與拋物面焦點重合的位移量。

雙曲面離心率為e，焦距為f_c，a和b的值與離心率e和焦距f_c相關。離心率e可以由公式：得出，a的值可由公式：得到，根據公式b²＝c²-a²，由a與c的值可以得到b的值。

通過對副反射器400雙曲面的優化就是確定合適的u的值。圖3是副反射器400雙曲面與天線增益的關系圖，從圖3中可以得出，優選的，參數u取1.2mm，此時的能量大并且遮擋小。

進一步地，設的副反射器400位置坐標為0，以這個點位置為原點，向正負兩個方向調整副反射器400的位置，也即是調整副反射器400雙曲面的焦距，需要注意的是與此同時要對雙曲面結構形狀做修正。因為雙曲面的焦距f_c改變，副反射面的半張角就會改變，雙曲面的離心率e也會改變。所以優化焦距不單是改變雙曲面的位置，還要修正雙曲面的形狀。圖4是副反射器400雙曲面焦距與光導天線100整體增益的關系圖。從圖4中可以得出，副反射器400的位置向靠近主反射器300的方向移動75um會得到更大的增益。

其中一個實施例，光導天線100靠近所述透鏡200設置，所述光導天線100為卡塞格倫天線。所述光導天線100與所述透鏡200之間的距離為0-0.04mm。具體地，光導天線100緊貼透鏡200背面，輻射出的太赫茲波容易被反射使得透鏡200正面的增益比較小，光導天線100與透鏡200間隔一定距離后，由于太赫茲波入射角度減小，太赫茲波在透鏡200背面發生的反射量減少，使得增益逐漸增大。當光導天線100與透鏡200之間的距離繼續增大，光導天線100離透鏡200的距離越來越遠時，有一部分太赫茲波向四周發散損失而沒有進入會聚透鏡200，所以光導天線100的增益降低了。因此，光導天線100不能緊貼透鏡200背面，離透鏡200背面的距離在一個適當值的時候可以得到最佳的增益，當光導天線100與透鏡200的距離為0.036mm時增益達到最大。

具體的，通過調節光導天線100到透鏡200表面的距離，可以得到光導天線100到透鏡200距離與天線增益的關系圖。從圖5中可以獲得以下信息：光導天線100緊貼透鏡200背面時，即光導天線100與透鏡200的距離為0，此時光導天線100的增益是最小的。光導天線100距離透鏡200背面的距離增大時，光導天線100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。優選的，光導天線100與透鏡200的距離為0.036mm，此時增益達到最大。

其中一個實施例中，所述透鏡200的材質為硅。進一步地，透鏡200的材質為高阻硅，高阻硅材料折射率易與典型的反射器襯底材料匹配，而且高阻硅材料對太赫茲頻波的線性吸收非常低，因此整個太赫茲頻譜的色散幾乎可以忽略，并且使用高阻硅材料加工制作透鏡200方法簡單。具體的，可以采用折射率為3.418的高阻硅制作透鏡200。透鏡200的臨界輻射角為45度，其焦點和頂端距離是1.414倍的透鏡200半徑。

進一步，透鏡200的尺寸與光導天線100的大小是成比例關系的，光導天線100的大小又是和工作頻率成比例關系的，所以透鏡200的尺寸取決于工作頻率。隨著透鏡200半徑的增大，天線的增益會增大，但當透鏡200尺寸大到一定程度以后，比如1mm后，增益增大的速度就減慢，到后來基本保持不變。圖6為0.21太赫茲下透鏡半徑與光導天線增益圖。

太赫茲發射天線系統中的透鏡200與光導天線100組合作為反射器的饋源，所以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200尺寸越大增益越大，透鏡200的口徑也不能很大。

饋源的方向圖需要滿足的一定的要求，這是太赫茲發射天線系統整體性能的可靠保證。首先饋源最好是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，因為最后太赫茲發射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是透鏡200的半徑分別為0.45mm、0.5mm和1.5mm時饋源的三維方向圖。從圖7中可以看出，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。

透鏡200的半徑、折射率等參數需要通過實驗或仿真來確定，選取的依據就是使得副反射器邊緣的照射電平為-12dB。

進一步，通過HFSS軟件進行仿真實驗。采用太赫茲發射天線系統設計時的等比例縮小的模型的方法來進行仿真。將主反射器300直徑縮小為6mm，增益因子取0.45，對應的光導天線增益為18.9dB。

輻射增益三維方向圖(繞xy平面旋轉180后的結果)，如圖8所示。通過仿真實驗得到光導天線增益為18.0dB，比理論值小0.9dB，相對誤差4.7％。因為18.9dB是理論可獲得的最大值，所以后面還要對各個參數進行優化。從圖8中可以得到主瓣輻射增益很強，方向圖旋轉對稱，是理想的輻射方向圖。同時也驗證了卡塞格倫天線口徑面分布均勻、主瓣較窄、副瓣較大的輻射特性。

請一并參閱圖9，圖9為仿真得到的波瓣圖。圖9中主反射器300是開口朝下的，所以這個波瓣圖的輻射前方是向下的。波瓣寬度15度，說明卡塞格倫天線具有很強的方向性；旁瓣電平小于-30.8dB，遠小于一般天線設計所要求的-20dB的要求；交叉極化電平-19.8dB。從波瓣圖中進一步看出卡塞格倫天線的主瓣更加尖銳。

請一并參閱圖10，在其中一個實施例中，當產生的太赫茲波束為0.21THz時，可以根據實際情況設置太赫茲發射天線系統。如圖10所示，太赫茲發射天線系統中主反射器30拋物面的直徑為61.3mm，焦距為21.46mm。其中，反射器300拋物面的焦距為拋物面的頂點到焦點之間的距離。副反射器400雙曲面的直徑為11.03mm，焦距為15.55mm。副反射器400雙曲面的焦距為饋源至雙曲面的距離。主反射器30拋物面的半張角為71度，副反射器400雙曲面的半張角為22度。

本發明提供的太赫茲發射天線由兩個反射器組成，設計時可選擇和調整的參數增多，增加了設計的靈活性。同時，針對太赫茲探測危化品的特殊性，有時需要太赫茲波束具有特定的相位特征或波形特征，我們可以靈活地選取主反射面和副反射面的形狀，對波束賦形，提高太赫茲發射天線性能。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。