基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线及其实现方法技术

一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线，包括：由上而下依次设置的顶层透射阵固定用夹具、上层保护用泡沫、透射阵、中层支撑用泡沫、馈源波导以及支架，其中：顶层透射阵固定夹具内部自下至上设有三个空腔，透射阵包括：保护层、上层导电图案、介质层、下层导电图案以及粘合层。本发明专利技术通过阵列不同位置的单元对电磁波进行相位补偿，从而可以精确控制天线的波束宽度；相比于常规的透射阵列天线，极化转换单元仅需要单层介质，从而获得更小的体积；同时，薄膜工艺加工精度高，导电图案线条尺寸精细，克服了PCB工艺精度较低引起的太赫兹透射阵天线性能差的问题。

THz narrow beam transmission array antenna based on thin film technology and its implementation

【技术实现步骤摘要】
基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线及其实现方法
本专利技术涉及的是一种微波通信领域的技术，具体是一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线及其实现方法。
技术介绍
平面透射式阵列是现有实现窄波束天线的常用方法，其设计思想来源于利用介质厚度的变化调节波程差的透镜天线。平面透射阵由大量呈周期或准周期排列、具有特定传输相位的单元组成，通过调节各阵列单元的结构参数实现所需的相位，可将介质透镜曲面结构平面化。根据阵列设计和几何光学理论，合理调节透射阵面各单元的补偿相位，可使馈源发射出的类球面波转换为类平面波，最终在远场所设计的方向获得笔形、扇形或其它形状的波束；但现有的平面透射阵天线一般工作在较低频段，通常采用PCB工艺实现。在太赫兹频段，PCB板材损耗较大，且PCB工艺加工精度较低，难以满足太赫兹频段阵列单元的尺寸要求。因此，基于PCB技术的太赫兹透射阵天线性能较差，无法满足太赫兹无线系统的应用需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线及其实现方法，可覆盖太赫兹频段，具有高方向性、波束宽度小、结构简单、易于组装、体积小、质量轻和成本低等优点。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线，包括：由上而下依次设置的顶层透射阵固定用夹具、上层保护用泡沫、透射阵、中层支撑用泡沫、馈源波导以及支架，其中：顶层透射阵固定用夹具和支架将透射阵、上层保护用泡沫以及中层支撑用泡沫固定在一起，上层保护用泡沫避免透射阵直接暴露于空气中被氧化污染，中层支撑用泡沫确保透射阵与馈源波导的间距符合设计要求，馈源波导辐射出电磁波，电磁波通过中层支撑用泡沫达到透射阵，透射阵对接收到的电磁波波束进行调控并在边射方向形成所需要的窄波束电磁辐射。所述的顶层透射阵固定夹具内部自下至上设有三个空腔，其中：位于底部的空腔为圆柱体且其尺寸与馈源波导上部圆盘尺寸相同，位于中部的空腔为长方体且其尺寸与中层支撑用泡沫尺寸相同，位于上部的空腔为长方体且其尺寸与上层保护用泡沫尺寸相同。所述的顶层透射阵固定夹具为低介电常数的介质，有效避免了对电磁波的扰动。所述的上层保护用泡沫与中层支撑用泡沫均为长方体结构，其材质为介电常数近似为1的介质，电磁特性与空气接近，在有效避免透射阵直接暴露于空气中被氧化污染并保证透射阵与馈源波导距离符合设计尺寸的同时，也保证了天线的辐射特性不受影响。所述的透射阵基于极化转换谐振原理，在实现正交线极化相互转换的同时，使各单元具有独立控制的补偿相位；该透射阵的外形为长方体以实现对接收到的电磁波波束进行调控并在边射方向形成所需要的窄波束电磁辐射功能，具体包括：保护层、上层导电图案、介质层、下层导电图案以及粘合层，其中：上层导电图案具有导电性以透过横向线极化电磁波并反射纵向线极化电磁波，介质层为介电常数为3.4的介质，下层导电图案具有导电性以便在谐振频率附近频带内将纵向与横向线极化电磁波相互转换，长方体结构的粘合层为具有粘性的低介电常数介质，长方体结构的保护层为具有防氧化保护作用的低介电常数介质。所述的馈源波导包括：矩形波导、分别位于矩形波导两端的圆盘和法兰盘，其中：圆盘位于靠近透射阵一侧，法兰盘位于远离透射阵一侧，圆盘与法兰盘上均开有矩形波导口。所述的馈源波导远离透射阵一侧的法兰盘上的矩形波导口用于外部连接。所述的支架为圆台形结构，包括上层圆环、中层连接斜臂和底层圆环。所述的透射阵，通过以下薄膜工艺实现，包括以下步骤：步骤1、制备两片掩模版并平铺在介质层薄膜上下两侧，并将掩模版及介质层一起放入电子束蒸发机器中，通过电子束蒸发在介质层薄膜两面完成上层导电图案和下层导电图案的加工。步骤2、对介质层薄膜两面均进行氧等离子体处理，起到清洁作用的同时提高薄膜整体的亲水性；将介质层薄膜吸附在匀胶机上，上层导电图案朝上，使用移液枪滴上预先配置好的保护层溶液，设置匀胶机的转速为3000转/分钟，旋涂时间设置为40秒，从而可以在介质层薄膜上层得到均匀的具有防氧化保护作用的保护层。步骤3、将介质层薄膜吸附在匀胶机上，下层导电图案朝上，滴上预先配置好的粘合层溶液，设置匀胶机的转速为4200转/分钟，旋涂时间设置为1分钟，从而可以在介质层薄膜下层得到均匀的具有粘性的粘合层。步骤4、将提前裁剪好的中层支撑用泡沫放置在粘合层上，并加热固化30分钟，即可利用粘合层将介质层薄膜与中层支撑用泡沫粘在一起。技术效果与现有技术相比，本专利技术在太赫兹频段利用薄膜工艺实现了一种重量与体积得到减小的窄波束天线；本专利技术通过阵列不同位置的单元对电磁波进行相位补偿，从而可以精确控制天线的波束宽度；相比于常规的透射阵列天线，极化转换单元仅需要单层介质，从而获得更小的体积；同时，薄膜工艺加工精度高，导电图案线条尺寸精细，克服了PCB工艺精度较低引起的太赫兹透射阵天线性能差的问题。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2和图3为本专利技术中顶层透射阵固定夹具的示意图与底部视图；图4为本专利技术中透射阵的示意图；图5a为本专利技术中透射阵导电图案部分的示意图；b为本专利技术中透射阵下层导电图案图形化单元的示意图；图6为本专利技术中馈源波导的示意图；图7为本专利技术中上层保护用泡沫、透射阵、中层支撑用泡沫、馈源波导四者之间的位置关系解释图；图8为本专利技术中支架的a主视图、b俯视图以及c左视图；图9为单一馈源波导在310GHz，时的方向性方向图；图10为单一馈源波导在310GHz，时的方向性方向图；图11为透射阵列天线在310GHz，时的方向性方向图；图12为透射阵列天线在310GHz，时的方向性方向图。图中：顶层透射阵固定夹具1、顶层透射阵固定夹具四个等尺寸孔洞11、顶层透射阵固定夹具内部挖空第一长方体区域12、顶层透射阵固定夹具内部挖空第二长方体区域13、顶层透射阵固定夹具内部挖空圆柱体区域14、上层保护用泡沫2、透射阵3、透射阵上层图案31、透射阵介质层32、透射阵下层图案33、透射阵下层图案单个单元331、透射阵粘合层34、透射阵保护层35、中层支撑用泡沫4、馈源波导5、馈源波导靠近透射阵一侧的圆盘51、馈源波导靠近透射阵一侧的矩形波导口52、馈源波导远离透射阵一侧的矩形波导口53、馈源波导远离透射阵一侧的法兰盘54、支架6、支架上层圆环61、支架中层连接斜臂62、支架底层圆环63。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线，包括：顶层透射阵固定夹具1、上层保护用泡沫2、透射阵3、中层支撑用泡沫4、馈源波导5以及支架6；所述的透射阵3设置在上层保护用泡沫2与中层支撑用泡沫4之间，所述的上层保护用泡沫2、透射阵3与中层支撑用泡沫4设置在顶层透射阵固定夹具1和馈源波导5之间并通过四根贯穿顶层透射阵固定夹具1的塑料螺丝与支架6固定；所述的馈源波导远离透射阵一侧的矩形波导口53本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征在于，包括：由上而下依次设置的顶层透射阵固定用夹具、上层保护用泡沫、透射阵、中层支撑用泡沫、馈源波导以及支架，其中：顶层透射阵固定夹具内部自下至上设有三个空腔，透射阵包括：保护层、上层导电图案、介质层、下层导电图案以及粘合层。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜工艺的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征在于，包括：由上而下依次设置的顶层透射阵固定用夹具、上层保护用泡沫、透射阵、中层支撑用泡沫、馈源波导以及支架，其中：顶层透射阵固定夹具内部自下至上设有三个空腔，透射阵包括：保护层、上层导电图案、介质层、下层导电图案以及粘合层。


2.根据权利要求1所述的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征是，所述的顶层透射阵固定夹具中，位于底部的空腔为圆柱体且其尺寸与馈源波导上部圆盘尺寸相同，位于中部的空腔为长方体且其尺寸与中层支撑用泡沫尺寸相同，位于上部的空腔为长方体且其尺寸与上层保护用泡沫尺寸相同。


3.根据权利要求1所述的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征是，所述的透射阵为长方体结构以实现对接收到的电磁波波束进行调控并在边射方向形成所需要的窄波束电磁辐射功能。


4.根据权利要求1所述的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征是，所述的上层导电图案具有导电性以透过横向线极化电磁波并反射纵向线极化电磁波，下层导电图案具有导电性以便在谐振频率附近频带内将纵向与横向线极化电磁波相互转换。


5.根据权利要求4所述的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征是，长方体结构的粘合层为具有粘性的低介电常数的聚二甲基硅氧烷，长方体结构的保护层为具有防氧化保护作用的低介电常数的聚甲基丙烯酸甲酯。


6.根据权利要求1所述的太赫兹窄波束透射阵天线，其特征是，所述的馈源波导包括：矩形波导、分别位于矩形波导两端的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴林晟，陈谢鹏，冯金龙，孔海龙，毛军发，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31