雙向波紋太赫茲喇叭天線的製作方法

2023-11-10 23:54:07

本發明涉及一種太赫茲通信單元組件，具體是一種雙向波紋太赫茲喇叭天線。

背景技術：

太赫茲(thz)波是指頻率在0.1～10thz範圍內的電磁波，波長大概在0.03～3mm範圍內，介於微波與遠紅外光之間。太赫茲科學技術領域是電子學與光子學交叉融合的一個電磁波譜新領域。由於太赫茲波處於電磁波譜的特殊位置，因此太赫茲波具有它自己的獨特優勢：穿透性強、通信傳輸容量大、方向性好、適用於衛星間星際通信以及短距離的大氣通信。但是太赫茲波應用於通信中時也會受到一些因素的限制，最為嚴重的一點就是太赫茲波在大氣中傳輸時衰減較大，水蒸氣對太赫茲波的吸收最為嚴重。近年來由於新材料、新技術的發展，特別是超快技術的推進使得太赫茲技術得以迅速發展。

太赫茲天線作為發射和接收太赫茲波的裝置，是太赫茲無線通信系統必不可少的器件之一。目前應用與太赫茲頻段的天線主要有平面天線、新材料天線和喇叭天線。平面天線存在一種致命的缺陷—厚介質模式(也被成為表面波效應)，會帶來大量的能量損失；新材料天線主要依賴於新材料的發展與創新；喇叭天線作為一種定向性的天線，在太赫茲無線通信中作為發射信號的饋源使用，現有技術使用的喇叭天線存在增益低、旁瓣電平大等缺陷，而加入波紋槽後可以提高增益、抑制旁瓣，易於實現軸對稱的波束，但存在不能集中把能量定向傳輸等問題。

技術實現要素：

本發明旨在解決現有技術中太赫茲天線增益較低，不能集中把能量定向傳輸的問題。提出一種雙向波紋太赫茲喇叭天線，該天線與傳統的波紋喇叭天線相比，模式變換段波紋數目減少，並且天線增益與3db主瓣寬度均優於傳統的波紋喇叭天線。

本發明解決上述技術問題的技術方案是提出一種雙向波紋太赫茲喇叭天線，該天線包括：波導段、模式變換段以及輻射段三部分，所述波導段為圓形波導，所述模式變換段包括m(m通常取2-6)個軸向波紋(電磁波輻射方向為軸向)，所述輻射段包括n(n由輻射段長度決定)個縱向波紋組成(垂直於電磁波輻射方向為縱向)。當圓形波導內需要傳輸te11模式波，其波導段內半徑a1根據公式：1.84≤2πa1/λc≤3.83確定，波導段長度為1個波長，即中心頻率對應的波長λc。

所述模式變換段內半徑與圓形波導內半徑相同；其包括m個軸向的同心波紋，由內向外依次為第1個波紋到第m個波紋，模式變換段將te11模式波轉化為he11模式波。由輻射段將轉變為he11模式波的太赫茲波定向傳輸出去。

本發明的實施例進一步包括：根據公式：確定所述模式變換段軸向波紋的槽深，其中，h(n)為第n個波紋的槽深，n取(1，2，…，m)，m為軸向波紋數，由內到外依次為第1到第m個波紋。

本發明的實施例進一步包括根據公式：a(z)＝0.268*z+1.014(0≤z≤10λc)確定所述輻射段輸入端內半徑與輸出端內半徑，當z取0時，a(0)為輸入端內半徑；當z取10λc時，a(10λc)為輸出端內半徑，其中，z為輻射段長度。

本發明的實施例進一步包括，根據中心頻率對應的波長λc，調用公式：λc＝5p計算輻射段中每個縱向同心波紋的波紋周期p，每個波紋周期p由槽寬w和齒寬t組成，即p＝w+t，槽寬w與齒寬t的關係為w/t＝4，輻射段的水平傾斜角θ最優為15°，縱向波紋的槽深均為λc/4。輻射段主要實現太赫茲波定向傳播。

本發明通過在喇叭腔內嵌入圓環波紋槽以抑制旁瓣電平，使遠場振幅分布錐削，得到對稱的方向圖，從而達到提高天線增益的目的。本發明能夠有效的提高天線的增益、降低天線的3db主瓣寬度。結構緊湊、體積小、重量輕，具有突出的使用性特徵，適用於太赫茲通信系統。

附圖說明

圖1是本發明雙向波紋太赫茲喇叭天線仿真截面圖；

圖2是本發明雙向波紋太赫茲喇叭天線幾何截面圖；

圖3是本發明雙向波紋太赫茲喇叭天線的s11參數、增益、3db主瓣寬度仿真曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述，僅用於解釋本發明，不能理解為對本發明的限制。如圖1所示為本發明雙向波紋太赫茲喇叭天線仿真截面圖，天線工作於320-380ghz頻率範圍內。其結構材料為銅，包括波導段、模式變換段、輻射段三部分，波導段連接模式變換段，模式變換段介于波導段和輻射段之間，波導段採用圓波導，模式變換段採用軸向波紋，輻射段採用縱向波紋。太赫茲波由波導輸入端傳入波導段，再由模式變換段把te11模式波轉變為he11模式波，最後由輻射段把太赫茲波定向傳輸出去。

圖2為本發明雙向波紋太赫茲喇叭天線幾何截面圖。包括，波導段1、模式變換段2、輻射段3。

其波導段內半徑a1由下式確定：1.84≤2πa1/λc≤3.83，波導長度為1個波長，即中心頻率對應的波長λc。

模式變換段採用m個軸向波紋，由內到外依次為第1到第m個波紋(m通常取2-6)，根據公式：確定波紋的槽深(即波紋半徑的長度)。其中，h(n)為第n個波紋的槽深，n取(1，2，…，m)。本實施例優選於λc＝5p，p為波紋周期，每個波紋周期由槽寬w(即波紋寬度)和齒寬t組成，即p＝w+t；槽寬w與齒寬t的比值最優選可為w/t＝4。

如所述模式變換段內半徑與波導段內半徑相同同為a1，長度為0.75λc；軸向波紋數優選m＝2，2個軸向波紋的槽深依次為λc/2，λc/4。

根據輻射段長度z調用公式：a(z)＝0.268*z+1.014(0≤z≤10λc)確定輻射段輸入端內半徑與輸出端內半徑，當z取0時，a(0)為輸入端內半徑；當z取10λc時，a(10λc)為輸出端內半徑。其中，z為輻射段的長度。

從輻射段輸入端到輸出端由n個縱向同心波紋組成；本實施例縱向波紋數優選n＝49，輻射段λc＝5p，p為波紋周期，每個波紋周期由槽寬(即波紋寬度)w與齒寬t組成，p＝w+t，w/t＝4，縱向波紋的槽深(即波紋半徑長度)均為λc/4；輻射段的水平傾斜角θ為15°。

利用cst2013電磁仿真軟體對示例進行測試，工作頻率範圍為320～380ghz，其中心頻率為350ghz。

圖3(a)是利用cst2013電磁仿真軟體對示例進行測試獲得的s11參數曲線，由圖可知在320～380ghz範圍內s11均小於-23db，在335ghz處，s11達到-36db，在350ghz中心頻點處，s11為-25db。

圖3(b)是利用cst2013電磁仿真軟體對示例進行測試的增益，由圖可知其頻率範圍為320～380ghz，在整個工作頻率範圍內其增益均高於24.2db，中心頻點350ghz處的增益為25.4db，在380ghz處增益達到最大值27.1db。

圖3(c)是利用cst2013電磁仿真軟體對示例進行測試的3db主瓣寬度，由圖可知在320～380ghz範圍內，3db主瓣寬度的範圍為8.1°～11.9°，在350ghz中心頻點處，其3db主瓣寬度為11.2°，其最小值出現在380ghz處。本發明提出雙向波紋太赫茲喇叭天線大大減小了3db主瓣寬度，能夠集中的把電磁波定向輻射。

儘管已經描述和示出了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變形，本發明的範圍由權利要求及其同等物限定。