匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线

摘要

本发明涉及匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，适用于太赫兹频段的平面高增益天线。利用匹配近零折射率超材料透镜折射率近似为零的特性，对天线辐射的电磁波起到聚焦作用，从而达到了提高天线增益和增强方向性的目的。匹配近零折射率超材料透镜的阻抗与天线介质板的阻抗近似相等，使得天线与透镜之间不需要支架支撑而可以直接相连，减小了天线的整体尺寸和加工难度，提高了天线的机械强度和稳定性，这对于太赫兹频段物理尺寸较小的天线来说，显得尤为突出。

说明书

技术领域

本发明涉及匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，适用于太赫兹 频段的平面高增益天线。

背景技术

太赫兹技术已经被广泛应用在军用和民用方面，如雷达领域、电子对抗领域、 安全检查和无损检测等。天线是雷达、通信和成像系统中的关键器件，高性能 天线在太赫兹频段的设计与实现是一项重要的研究课题。然而由于传统金属、 介质和半导体在太赫兹频段范围有损耗大、色散大以及电子迁移率低等缺点， 采用常规加工工艺已无法完全满足太赫兹天线的要求。集成扩展半球透镜天线， 在太赫兹系统中得到了大量应用，但是这种扩展半球介质透镜，一方面自身成 本较高，另一方面还增加了整个太赫兹系统的质量、体积以及便携性。太赫兹 天线的突破必然要依赖新理论、新材料和新工艺的发展与应用。而“超材料”这一 概念的引入，很大程度上地促进了太赫兹天线的发展。而目前各国研究人员所 设计的基于超材料的天线透镜阻抗与空气相匹配，这就要在天线和超材料透镜 之间隔开一定的距离，往往是通过加载支架的方式来实现，这在太赫兹等高频 段实现起来较为困难。本专利提出一种匹配的近零折射率超材料透镜天线，所 设计的超材料透镜阻抗与天线相匹配，使透镜与天线可以直接相连，从而使太 赫兹集成透镜天线无论是在天线性能还是机械强度方面的均有明显的提升。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提出匹配近零折射率超材料的太赫 兹平面透镜天线，应用一种匹配的近零折射率超材料技术解决了太赫兹频段 平面天线（以对数周期天线为例）增益较低的问题，可提供一种体积小、 成本低、结构稳定、高增益的天线。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，该透镜天线 中透镜和天线的阻抗相等。

该透镜天线中透镜单元结构的介质板材料为Duroid5880，介电常数为2.2， 长度为a=600μm，宽度为a=600μm，厚度为d=95μm,介质板上下表面的金属线 长a=600μm，线宽b=176μm,中心圆的半径c=265μm；该透镜天线中天线的介质 板材料为砷化镓，介电常数为12.9，长度为600um，宽度为600um，厚度为 250um；最外半径为R₁=151um，中心导体角β=45deg，锯齿的张角δ=45deg， 周期τ=R_n+1／R_n=a_n+1／a_n=0.65，R_n+1为天线第n+1个齿的外半径，R_n为天线第n个 齿的外半径，齿宽参数σ=a_n／R_n=0.81。

本发明的透镜天线工作在太赫兹频段（以340GHz为例），天线驻波小于1.1， 加载匹配近零折射率超材料透镜后天线增益由4.0dB提高到8.7dB，3dB波束宽 度由68°减小到32°。

有益效果

利用匹配近零折射率超材料透镜折射率近似为零的特性，对天线辐射的电 磁波起到聚焦作用，从而达到了提高天线增益和增强方向性的目的。匹配近零 折射率超材料透镜的阻抗与天线介质板的阻抗近似相等，使得天线与透镜之间 不需要支架支撑而可以直接相连，减小了天线的整体尺寸和加工难度，提高了 天线的机械强度和稳定性，这对于太赫兹频段物理尺寸较小的天线来说，显得 尤为突出。

附图说明

图1a是本发明的透镜天线的结构示意图；

图1b为本发明的透镜天线中天线的结构示意图；

图2是本发明透镜天线中透镜单元的俯视图和侧视图；

图3是本发明中匹配近零折射率超材料的S参数的幅度和相位；

图4是本发明中匹配近零折射率超材料的等效阻抗、折射率、介电常数和 磁导率；

图5是本发明对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后反射系数 比较曲线；

图6是本发明对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后增益随频 率变化比较的曲线；

图7是本发明对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后339GHz、 340GHz、和341GHz三频点方向图比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一种优选实施例，匹配近零折射率超材料透镜天线的结构如 图1所示。本发明包括对数周期天线和超材料透镜。

超材料透镜天线的结构的俯视图如图1（a）所示：对数周期天线的金属片 粘贴在介质板的上表面，并放置在匹配近零折射率超材料透镜的正上方，匹配 近零折射率超材料透镜放置在介质板的下表面；匹配近零折射率超材料透镜上 下表面的结构完全相同，且位置完全对称。

本实施例的对数周期天线的结构如图1（b）所示，天线的介质板材料为砷 化镓，介电常数为12.9，长度为600um，宽度为600um，厚度为250um。最外 半径为R₁=151um，中心导体角β=45deg，锯齿的张角δ=45deg，周期

τ=R_n+1／R_n=a_n+1／a_n=0.65，齿宽参数σ=a_n／R_n=0.81。

本实施例的匹配近零折射率超材料透镜单元结构如图2中(a)和(b)所示。中 间介质板材料为Duroid5880，介电常数为2.2，长度为a=600um，宽度为a=600um， 厚度为d=95um,上下表面的金属线长a=600um，线宽b=176um,中心圆的半径 c=265um。

图3（a）和（b）分别显示了匹配近零折射率超材料透镜单元结构的反射系 数和传输系数的幅度和相位，可以看出在340GHz附近，透镜具有良好的穿透性。

匹配近零折射率超材料的等效特性阻抗如图4（a）所示，可以看出，在 339-341GHz之间，透镜的阻抗为0.34，与天线介质板砷化镓的阻抗0.33近似 相等，因此匹配近零折射率透镜可以与介质板直接相连。图4（b）显示的是匹 配近零折射率超材料的等效折射率，显示了在339-341GHz频段折射率在-1和0 之间，属于近零折射率范围。图4（c）显示了匹配近零折射率超材料的等效介 电常数，可以看出在339-341GHz频段内，等效介电常数|ε|<1。匹配近零折射率 超材料的等效磁导率如图4（d）所示，在339-341GHz频段内，等效磁导率|μ|<0.2。

匹配近零折射率超材料透镜采用5*5个单元结构。

对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后反射系数的比较如图5 所示，中心频点为340GHz的天线加载匹配近零折射率超材料透镜后工作带宽为 339-341GHz，和对数周期天线的工作频段匹配较好，仅带宽稍微变窄。图6显 示了对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后增益随频率变化的比 较，可以看出加载匹配近零折射率超材料透镜后，在339-341GHz频带内天线增 益提高了约4.5dB。对数周期天线加载匹配近零折射率超材料透镜前后339GHz、 340GHz、和341GHz方向图比较如图7所示，可以看出，加载匹配近零折射率 超材料透镜后天线增益得到提高，3dB波束宽度减小了近1/2，方向性明显变好。

由以下表可以看出，在339GHz、340GHz和341GHz三个频点上，天线加 载匹配近零折射率超材料透镜后的增益和3dB波束宽度的比较结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所 作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。