一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法技术

本发明专利技术属于太赫兹波通信天线技术领域，具体地说，涉及一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法，该太赫兹透镜喇叭天线包括：喇叭天线(1)和太赫兹透镜(2)；将太赫兹透镜(2)覆盖在喇叭天线(1)的喇叭开口处，且二者为一体式结构，不可拆卸；该方法包括：步骤1)计算喇叭天线的参数；步骤2)计算太赫兹透镜的外部参数；步骤3)计算太赫兹透镜的内部参数；步骤4)根据步骤1)

【技术实现步骤摘要】
一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法


[0001]本专利技术属于太赫兹波通信天线
，具体地说，涉及一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波与毫米波相比，其带宽更宽，更易实现高速通信。因此，太赫兹通讯设备的研究引起了研究人员的关注，其中，太赫兹天线作为太赫兹通信中的重要部件，起到改变波束形状和指向，改变能量分布的作用，因此，广泛的被应用于太赫兹波通信领域。
[0003]太赫兹天线的增益相对较低、波束宽度较宽，因此，需要对太赫兹单天线辐射的波束进行调制，使其达到高增益、窄波束的效果。调制的方法主要是利用反射式、透射式、衍射式、干涉式的方式以及这些方式的相互组合，对波束的幅相进行调制。
[0004]其中，反射式的方式的增益最高，但是，反射式方式需要偏馈，增益与口径的大小正相关，因此，为了实现小型化集成化的系统，不采用反射式的聚焦方式；
[0005]衍射式的方式主要是利用光栅或者衍射透镜实现，该种方法加工精度要求低，但是，其损耗相对大，旁瓣高，带宽窄，因此，在宽带通信场景下的应用较少；
[0006]干涉式的方式主要是利用阵列天线实现，阵列天线弥补了单个馈源天线的增益较低、波束宽度较宽的问题，排布成不同的阵列形式，如线阵、大面阵、稀布阵列等，这种方式可以使得波束指向性好，并且可以通过改变馈电端的幅度和相位改变波束的增益、指向、宽度等指标，并且可以实现一定程度的小型化、集成化，但是，阵列天线的成本高，为了实现高增益、指向性好的效果往往需要几千至几十万个阵元，同时系统较为复杂，维修也极为困难，这限制了阵列天线的应用场景。
[0007]因此，综上所述，透射式的方式相对最容易实现高增益和小型化集成化，虽然这种方式不能如阵列天线一样进行电扫描，但是可以实现波束机械扫描的需求。现有的方法制备出的天线并不能馈源喇叭天线和透镜天线可以合为一体，无法实现集成。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法，该太赫兹透镜喇叭天线包括：喇叭天线和太赫兹透镜；将太赫兹透镜覆盖在喇叭天线的喇叭开口处，且二者为一体式结构，不可拆卸；该方法包括：
[0009]步骤1)计算喇叭天线的参数；所述喇叭天线的参数包括：喇叭天线的口径、喇叭长度和喇叭张角；
[0010]步骤2)计算太赫兹透镜的外部参数；所述太赫兹透镜的外部参数包括：发射源到太赫兹透镜表面的距离，太赫兹透镜的焦距、太赫兹透镜的口径和透镜的数值孔径；
[0011]步骤3)计算太赫兹透镜的内部参数；所述太赫兹透镜的内部参数包括：透镜前表面的半径、透镜后表面的曲率半径和透镜高次型系数；
[0012]步骤4)根据步骤1)
‑
步骤3)的结果，得到太赫兹透镜喇叭天线，利用蒙特卡洛法，
对得到的太赫兹透镜喇叭天线进行公差调整；
[0013]步骤5)利用口径场积分法，计算透镜喇叭天线的远场增益，并判断计算结果是否符合要求，完成太赫兹透镜喇叭天线的制备。
[0014]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：
[0015]假设喇叭天线的口径为D、喇叭长度为L和喇叭张角为θ，则喇叭天线的口径D；
[0016]D＝L sinθ
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(1)
[0017]其中，喇叭长度L为喇叭天线的馈电端到开口端之间的距离，喇叭长度L满足；
[0018]5λ≤L≤15λ
[0019]喇叭张角θ满足；
[0020]θ≤30
°
[0021]喇叭天线的口径D满足：
[0022]10λ≤D≤15λ
[0023]其中，λ为波长。
[0024]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)具体包括：
[0025]假设发射源到太赫兹透镜表面的距离为L1，太赫兹透镜的焦距为f；太赫兹透镜的口径为D1；透镜的数值孔径为NA；
[0026]发射源到太赫兹透镜表面的距离L1＝L，则L1满足：
[0027]5λ≤L1≤15λ
[0028]透镜的焦距f：
[0029][0030]其中，L2为透镜的像距，由于远场高增益天线为无焦像空间，因此L2＝∞，由此可知f＝L1＝L，则满足：
[0031]5λ≤f≤15λ
[0032]太赫兹透镜的口径D1＝D，与喇叭天线的口径相同，则D1满足：
[0033]10λ≤D1≤15λ
[0034]其中，λ为波长；
[0035]喇叭张角θ的正弦决定透镜的数值孔径NA，透镜的数值孔径NA＝sinθ，取在0.3
‑
0.5之间，即满足：
[0036]0.3≤sinθ≤0.5。
[0037]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤3)具体包括：
[0038]设定太赫兹透镜为平凸透镜，则太赫兹透镜的前表面为平面透镜面型，其后表面为凸面透镜面型；平面透镜面型与喇叭天线的喇叭口面重合；
[0039]透镜前表面的半径等于喇叭天线的喇叭口的半径；
[0040]透镜后表面的凸面透镜面型的表达式为
[0041][0042]其中，z为太赫兹透镜的光轴；r为太赫兹透镜的子午面坐标；k为conic常量；c为透
镜后表面的曲率半径；a1为透镜后表面的透镜高次型系数；
[0043]根据上式，同时调整k，c和a1；使得从太赫兹透镜出射的波束为平行波束，则调整结束。
[0044]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤4)具体包括：
[0045]根据步骤1)
‑
步骤3)的结果，得到太赫兹透镜喇叭天线，利用蒙特卡洛法，对得到的太赫兹透镜喇叭天线进行公差分析；
[0046]在公差为
±
0.2mm范围内，如果得到的太赫兹透镜喇叭天线出射的波面波像差小于或等于λ/14，则达到要求，并转至步骤5)；
[0047]如果太赫兹透镜喇叭天线的出射的波面波像差大于λ/14，则通过缩小太赫兹透镜喇叭天线的公差，直至太赫兹透镜喇叭天线的出射波面波像差小于λ/14；
[0048]如果缩小至
±
0.05mm仍不能满足上述要求，则重新进行步骤3)，进行重新设计。
[0049]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤5)具体包括：
[0050]利用快速多级子法，计算在不同频率下透镜喇叭天线的远场增益，并判断计算得到的远场增益是否符合要求；
[0051]当计算得到的远场增益在所需频率范围内均高于或等于25dB，则获得的远场增益实现高增益、窄波束的需求，结束操作，完成太赫兹透镜喇叭天线的制备；
[0052]如计算得到的远场增益在所需频率范围内均低于25dB的需求，则重复步骤3)
‑
5)，直至计算得到的远场增益在所需频率范围内均高于或等于25dB。
[0053]本专利技术与现有技术相比的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备太赫兹透镜喇叭天线的方法，其特征在于，该太赫兹透镜喇叭天线包括：喇叭天线(1)和太赫兹透镜(2)；将太赫兹透镜(2)覆盖在喇叭天线(1)的喇叭开口处，且二者为一体式结构，不可拆卸；该方法包括：步骤1)计算喇叭天线的参数；所述喇叭天线的参数包括：喇叭天线的口径、喇叭长度和喇叭张角；步骤2)计算太赫兹透镜的外部参数；所述太赫兹透镜的外部参数包括：发射源到太赫兹透镜表面的距离，太赫兹透镜的焦距、太赫兹透镜的口径和透镜的数值孔径；步骤3)计算太赫兹透镜的内部参数；所述太赫兹透镜的内部参数包括：透镜前表面的半径、透镜后表面的曲率半径和透镜高次型系数；步骤4)根据步骤1)
‑
步骤3)的结果，得到太赫兹透镜喇叭天线，利用蒙特卡洛法，对得到的太赫兹透镜喇叭天线进行公差调整；步骤5)利用口径场积分法，计算透镜喇叭天线的远场增益，并判断计算结果是否符合要求，完成太赫兹透镜喇叭天线的制备。2.根据权利要求1所述的制备太赫兹透镜喇叭天线的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：假设喇叭天线的口径为D、喇叭长度为L和喇叭张角为θ，则喇叭天线的口径D；D＝L sinθ
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(1)其中，喇叭长度L为喇叭天线的馈电端到开口端之间的距离，喇叭长度L满足；5λ≤L≤15λ喇叭张角θ满足；θ≤30
°
喇叭天线的口径D满足：10λ≤D≤15λ其中，λ为波长。3.根据权利要求1所述的制备太赫兹透镜喇叭天线的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：假设发射源到太赫兹透镜表面的距离为L1，太赫兹透镜的焦距为f；太赫兹透镜的口径为D1；透镜的数值孔径为NA；发射源到太赫兹透镜表面的距离L1＝L，则L1满足：5λ≤L1≤15λ透镜的焦距f：其中，L2为透镜的像距，由于远场高增益天线为无焦像空间，因此L2＝∞，由此可知f＝L1＝L，则满足：5λ≤f≤15λ太赫兹透镜的口径D1＝D，与喇叭天线的口径相同，则D1满足：10λ≤D1≤15λ其中，λ为波长；
喇叭张...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘喆，项道才，王酣，沙长涛，
申请(专利权)人：中国电子技术标准化研究院，
类型：发明
国别省市：