太赫兹传输线与天线技术的研究

摘要

太赫兹(THz)科学技术作为一个发展迅速且极为重要的前沿研究领域，在高速无线通信、雷达、医学成像、安全检查、射电天文、电子对抗等不同的领域都有着巨大的应用潜力，对于推动国民经济发展、加强国家安全建设都有着重大的战略意义。
　　基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)具有集成度高、功率容量高、可低成本大规模生产、加工精度高等优点，成为低成本平面太赫兹传输线设计的一种备选方案。为有效研究太赫兹SIW作为传输线的损耗特性，基于实际测试考虑，设计高性能太赫兹SIW到矩形波导的转接成为必要。此外，太赫兹天线作为太赫兹通信和辐射系统中的关键部分，其性能会直接影响整个系统的应用效果。利用低成本工艺实现紧凑且高增益的太赫兹天线是一个有价值的研究方向。
　　本文针对太赫兹传输线和天线技术两方面，做了以下主要工作:
　　1、首先概述了太赫兹科学技术的发展情况，之后分别介绍了太赫兹转接和太赫兹天线的研究背景和发展现状，然后阐述了矩形波导传输、基片集成波导设计以及几何光学(Geometrical Optics，GO)的相关基础理论。
　　2、设计了一款太赫兹SIW-矩形波导转换器，详细讨论了转接结构对于传输系数中谐振点产生的具体影响，利用低成本PCB工艺对D波段和G波段SIW传输线进行了实物加工和测试验证，并对单个导波波长的太赫兹SIW传输线损耗特性和单个转接损耗进行了提取和分析，对损耗特性曲线中的波动进行了分析。证明了该方案可用来实现高性能太赫兹SIW-矩形波导转换器，同时有效探究了太赫兹SIW作为传输线的损耗特性。
　　3、设计了一款太赫兹高增益金属透镜天线，详细阐述了设计原理和过程，从理论上提取和分析了透镜结构在宽频带上的相位补偿效果，利用低成本的金属铣削工艺分别对140GHz和412.5GHz天线进行了实物加工，之后在THz暗室中对S参数、增益、方向图进行了实际测试，并对天线损耗进行了分析。结果显示，140 GHz和412.5 GHz天线在对应频段内的实测最大增益分别达到27.2 dBi和27.7 dBi。验证了该方案用低成本金属铣削工艺来实现高增益太赫兹天线的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 太赫兹技术概述

1．1．2 太赫兹传输线和太赫兹天线的研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 太赫兹传输线转接技术研究现状

1．2．2 太赫兹天线技术研究现状

1．3 论文主要工作和内容

参考文献

第二章 太赫兹传输线与天线的基础设计理论

2．1 矩形波导的基本理论

2．2 基片集成波导概述

2．3 几何光学基础理论

参考文献

第三章 应用于太赫兹频段的SIW传输线损耗特性探究

3．1 对不同SIW-矩形波导转接技术的比较与分析

3．2 太赫兹SIW-矩形波导鳍线转接结构的设计

3．2．1 结构与设计

3．2．2 对传输系数中谐振点的讨论

3．3 D波段和G波段传输线的加工测试与损耗提取

3．3．1 D波段和G波段太赫兹传输线的实测结果

3．3．2 对单个太赫兹鳍线转接损耗和SIW传输线损耗的提取

3．4 本章小结

参考文献

第四章 应用于太赫兹频段的高增益金属透镜天线

4．1 太赫兹天线技术综述

4．2 太赫兹透镜天线的结构与设计过程

4．2．1 太赫兹金属透镜天线的结构

4．2．2 金属透镜阵列的设计

4．2．3 末端角锥喇叭的集成

4．3 140GHz和412．5GHz透镜天线的加工测试与结果分析

4．3．1 太赫兹透镜天线的反射系数测试结果

4．3．2 太赫兹透镜天线的增益和方向图测试结果

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

作者简介