匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术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=600 u m，览度为a=600 u m，厚度为d=95 u m,介质板上下表面的金属线长a=600 u m，线宽b=176 μ m,中心圆的半径c=265 μ m ;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=ISlum,中心导体角β =45deg,锯齿的张角 S=45deg,周期 τ =Rn+1 / Rn=an+1 / an=0.65, Rn+1 为天线第 n+1 个齿的外半径，Rn为天线第η个齿的外半径,齿宽参数σ =an / Rn=0.81。本专利技术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是本专利技术的透镜天线的结构示意图；图1b为本专利技术的透镜天线中天线的结构示意图；图2是本专利技术透镜天线中透镜单元的俯视图和侧视图；图3是本专利技术中匹配近零折射率超材料的S参数的幅度和相位；图4是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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】对本专利技术作进一步的详细说明。作为本专利技术的一种优选实施例，匹配近零折射率超材料透镜天线的结构如图1所示。本专利技术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=ISlum,中心导体角β =45deg,锯齿的张角S=45deg,周期τ =Rn+1 / Rn=an+1 / an=0.65，齿览参数 σ =an / Rn=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O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I 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I μ I〈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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，其特征在于：透镜天线中透镜和天线的阻抗相等。

【技术特征摘要】
1.匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，其特征在于:透镜天线中透镜和天线的阻抗相等。2.根据权利要求1所述的匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线，其特征在于: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=600 u m，览度为a=600 u m，厚度为d=95 u m,介质板上下表面的金属线长a=600 u m，线览b=176 μ m,中心圆的半径c=265 μ m ;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600 μ m,宽度为600 μ m,厚度为250 μ m ;最外半径为1^=151 μ m,中心导体角β =45deg,锯齿的张角 S=45deg,周期 τ =Rn+1 / Rn=an+1 / an=0.65, Rn+1 为天线第 n+1 个齿的外半径，Rn...

【专利技术属性】
技术研发人员：司黎明，刘埇，张庆乐，吕昕，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：