申请/专利权人：电子科技大学

申请日：2017-08-09

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN107611602B

主分类号：H01Q1/38(20060101)

分类号：H01Q1/38(20060101);H01Q21/29(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.02.13#实质审查的生效;2018.01.19#公开

摘要：太赫兹波段极化转换天线，涉及天线技术及电磁功能器件领域。本发明包括设置于金属导体介质底板上方的半导体介质基板，在介质基板的上表面设置有正交排列的周期性的天线阵列，所述天线阵列由至少两行天线单元构成，每一行为一个周期，每一行包括6个天线单元，所述天线单元包括正交十字形轴线和设置于十字形轴线的4个分支上的线栅，每个分支上的线栅由3条相互平行且垂直于所在分支中线的栅条构成，天线单元分别沿互相垂直的两个方向的分支中线构成上下对称和左右对称，各栅条长度自内向外逐条递增，各栅条的宽度相等，相邻栅条之间的间距相等。本发明通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该工艺可通过微细加工手段实现，成本低廉，易于加工。

主权项：1.太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，包括设置于金属导体介质底板上方的半导体介质基板，在所述半导体介质基板的上表面设置有正交排列的周期性的天线阵列，所述天线阵列由至少两行天线单元构成，每一行为一个周期，每一行包括6个天线单元，所述天线单元包括正交十字形轴线和设置于十字形轴线的4个分支上的线栅，每个分支上的线栅由3条相互平行且被所在分支垂直平分的栅条构成，天线单元分别沿互相垂直的两个方向的分支构成上下对称和左右对称，各栅条长度自内向外逐条递增，各栅条的宽度相等，相邻栅条之间的间距相等；在同一行中，相邻天线单元的中心间距L＝300μm，金属导体介质底板厚度和阵列天线厚度皆为0.5μm，阵列天线的线宽s＝10μm，相邻栅条之间的距离d＝5μm；同一个天线单元行线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为Lx，111μm≤Lx≤168μm，次长的栅条长度为L3＝0.6Lx，最短的栅条长度为L4＝0.6L3，行线方向上两个最长栅条的外侧之间的距离为L6，79μm≤L6≤208μm；同一个天线单元列线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为Ly，59μm≤Ly≤228μm，次长的栅条长度为L1＝0.6Ly，最短的栅条长度为L2＝0.6L1，列线方向上两个最长栅条的外侧之间的距离为L5，151μm≤L5≤248μm；十字形轴线宽度和栅条宽度皆为s＝10μm；每一行中，自起端向终端顺次排序，各天线单元的参数分别为：第一个天线单元的Lx为168微米，Ly为228微米，L5为248微米，L6为208微米；第二个天线单元的Lx为111微米，Ly为97微米，L5为151微米，L6为117微米；第三个天线单元的Lx为177微米，Ly为74微米，L5为217微米，L6为94微米；第四个天线单元的Lx为187微米，Ly为78微米，L5为227微米，L6为98微米；第五个天线单元的Lx为111微米，Ly为183微米，L5为151微米，L6为203微米；第六个天线单元的Lx为111微米，Ly为59微米，L5为151微米，L6为79微米。

全文数据：太赫兹波段极化转换天线技术领域本发明涉及天线技术及电磁功能器件领域。背景技术太赫兹波是频率范围在0.3THZ〜IOTHz的一种新型、有很多独特优点的电磁波。太赫兹技术的独特性能使其在生物医学、天文学、通信技术、安检等方面有着广阔的应用前景。由于它的频率很高，并且太赫兹光子的能量很低，因此不容易破坏需要被检测的物质，这项技术会给生活及科学领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活方式。阵列天线是由许多相似单元按照设计要求以一定的规则排列并且通过特定的激励获得预期辐射特性的特殊天线结构。平面反射阵列天线作为一种抛物面天线和相控阵两者优势结合体的出现，具有低剖面、轻质量和低损耗等特点，这些优势使反射阵天线在雷达系统、深空探测和射电天文等领域得到越来越广泛的应用。伴随当前无线通信技术的快速发展，以及各国科研人员对诸多天线研究领域的提出，都促使了新型结构天线的产生。阵列天线是根据我们的设计要求，通过改变单元的各种参数以及介质基地的材料等，能够获取最好的辐射方向性，这是阵列天线的最突出的优点。反射阵列的设计主要包含三个方面:单元设计、阵列设计、馈源设计，最重要的一部分是单元设计，确定单元结构之后根据反射相位来改变单元的参数。最后对反射阵列进行仿真，对各项指标进行调整。[0004]反射阵天线的相位补偿主要有改变枝节长度、改变单元尺寸、旋转单元角度等方式，本发明主要采用改变单元尺寸的方式。电磁波在传播的过程中电场的两个分量相位差为〇度（同相或者是180度反相时，合成电场矢量是直线极化，此时的电磁波称为线极化波;如果电磁场在传播的过程中电场的水平分量和垂直分量振幅不变，相位相差90度，可以得到圆极化波，如果极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，那么这个电磁波为右旋极化波，反之，则成为左旋极化波。电磁波在传播过程中产生圆极化波的基本条件可以表述为:存在空间上两个正交的并且振幅相等的线极化电场分量，相位相差为90度。如果入射波为线极化，电场经过介质基板时候，分解成两个互相正交，振幅相等的电场分量，一个分量沿空气传播，另外一个分量继续沿介质基板传播，通过调节基板介质的材料和单元参数，使这两个分量的相位差为90度的时候，线极化入射的电磁波就以圆极化的方式反射出去，因此产生圆极化波。为了避免反射阵中的辐射方向图中栅瓣的出现，辐射方向角与阵列单元间距通常由公式2-1来确定的。式中，d为单元间距，λ〇为电磁波波长，Θ为反射主辐射方向的偏转角度。本发明中所有单元间距都是相等的。发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、成本低的阵列反射天线，实现线极化波到圆极化波的转换。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，包括设置于金属导体介质底板上方的介质基板，在介质基板的上表面设置有正交排列的周期性的天线阵列，所述天线阵列由至少两行天线单元构成，每一行为一个周期，每一行包括6个天线单元，所述天线单元包括正交十字形轴线和设置于十字形轴线的4个分支上的线栅，每个分支上的线栅由3条相互平行且垂直于所在分支中线的栅条构成，天线单元分别沿互相垂直的两个方向的分支中线构成上下对称和左右对称，各栅条长度自内向外逐条递增，各栅条的宽度相等，相邻栅条之间的间距相等。栅条与十字形轴线的重合部分同属于栅条与十字形轴线。本文所称的周期，是对于重复的结构而言，一个周期就是一个重复的单元并非天线单元）。具体到本发明，包括多行的天线单元，每一行为一个周期，即各行的结构是相同的。进一步的，在同一行中，相邻天线单元的中心间距L=300ym，金属导体介质底板厚度和阵列天线厚度皆为〇.5μηι，阵列天线的线宽8=1^!11，相邻栅条之间的距离1=541]1;行线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为Lx，11IymSLxS168μηι，次长的栅条长度为L3=O.6LX，最短的栅条长度为L4=O.6L3,两个行线方向最长栅条的外侧之间的距离为L6,79ym^；L6^；208ym；列线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为1^，59以1111^228以1]1，次长的栅条长度为1^=0.6Ly，最短的栅条长度为L2=OJL1，两个列线方向最长栅条的外侧之间的距离为L5,151ym^；L5^；248ym；十字形轴线宽度和栅条宽度皆为s=l〇Mi。每一行中，自起端向终端顺次排序，以微米为单位，各天线单元的参数分别为：进一步的，以金属导体介质底板为底面，从俯视角度，以行线方向为左右方向，所述起端为左端，所述终端为右端。本发明的有益效果是：1本发明的阵列天线采用二维平面的微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该工艺可通过微细加工手段实现，成本低廉，易于加工。2本发明采用平面波入射，不需要外加其他复杂激励方式，使得该发明在实现量产化有很大优势。3本发明可以通过改变单元的参数实现由线极化电磁波到圆极化电磁波的转化。附图说明：图1为本发明天线单元的俯视图。图2为太赫兹单层反射单元立体图。图3为太赫兹反射阵列立体示意图。图4为单元反射相移曲线图。图5为出了电磁仿真辐射方向图。图中：1.金属导体介质底板，2.半导体介质基板，3.天线单元。表1:在谐振点339·5GHz尺寸Lx和Ly与的足和艮的对应关系。具体实施方式本发明所采用的设计方案为，设计出在特定太赫兹频点上对线极化入射的平面波具有特定角度的反射阵列，并且能把线极化平面波转换为圆极化平面波。该发明采用垂直入射的线极化平面波，极化方向沿图1中的§方向，与X轴和y轴正方向的夹角均为45°。当线极化电磁波传播过来时，电场可以分解为沿X方向的良和沿y方向的^，由于电场的传播方向与X轴和y轴的夹角是45。，所以分解的沿尾方向和鳥方向的电场分量大小相等，通过合理设计反射单元结构，使得水平极化分量尾和垂直极化分量的相位相差90°，线极化入射的平面波就转换成了圆极化平面波。本发明将人工微结构与石英介质结合形成一种反射单元结构，并通过二维平面排列形成复合阵列反射面，通过控制单元结构尺寸改变人工微结构反射相位，实现线极化波到圆极化波的转换。本发明的整体设计方案示意图如图1，包括：金属导体介质底板1，其材质为铜，半导体介质基板2，其材质为石英；半导体介质基板2上设置反射单元阵列结构。反射单元如图2所示，采用“十”字形结构加线栅，由于在X方向相邻单元的的具体参数是不一样的，所以单元间隔通常要用公式2-1来确定，本发明中单元长度L=300ym，具体实施的尺寸如表1所示。本发明采用线极化波入射，馈源极化方向沿对角线方向且与X轴方向成45度入射，每个阵元应该满足:y方向实现的相位补偿比X方向实现的相位补偿多90度，如图4所示，本发明采用的“十”字加线栅结构，使得在谐振点附近有IOGHz的带宽，并且相移平滑度和移相范围都能得到较好的保证。实施例：参见图1〜5图3仅为示意图，图中大小比例并非严格遵从各项结构参数）。太赫兹波段极化转换天线，包括设置于金属导体介质底板上方的半导体介质基板，在介质基板的上表面设置有正交排列的周期性的天线阵列，所述天线阵列由至少两行天线单元构成，每一行为一个周期，每一行包括6个天线单元，所述天线单元包括正交十字形轴线和设置于十字形轴线的4个分支上的线栅，每个分支上的线栅由3条相互平行且垂直于所在分支中线的栅条构成，天线单元分别沿互相垂直的两个方向的分支中线构成上下对称和左右对称，各栅条长度自内向外逐条递增，各栅条的宽度相等，相邻栅条之间的间距相等。本实施方式适用频率339.5GHZ，单元采用“十”字形结构加线栅，由于在X方向相邻单元的的具体参数是不一样的，所以单元间隔通常用公式2-1来确定。如果单元间距取得不合适，就会形成栅瓣。测试结果显示下述结构参数的实施例具有最佳性能：相邻天线单元的中心间距L=300μηι，金属导体介质底板厚度和阵列天线厚度皆为0.5μm，阵列天线的线宽s=ΙΟμπι，相邻栅条之间的距离d=5μπι;行线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为Lx，11IymSLxS168μηι，次长的栅条长度为L3=O.6LX，最短的栅条长度为L4=O.6L3,两个行线方向最长栅条的外侧之间的距离为L6,79ym^；L6^；208ym；列线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为1^，59以1111^228以1]1，次长的栅条长度为1^=0.6Ly，最短的栅条长度为L2=OJL1，两个列线方向最长栅条的外侧之间的距离为L5,151ym^；L5^；248ym；十字形轴线宽度和栅条宽度皆为s=l〇Mi。每一行中，自起端向终端顺次排序，以微米为单位，各天线单元的参数分别与表1一致。以金属导体介质底板为底面，从俯视角度，以行线方向为左右方向，所述起端为左端，所述终端为右端。表1

权利要求：1.太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，包括设置于金属导体介质底板上方的半导体介质基板，在介质基板的上表面设置有正交排列的周期性的天线阵列，所述天线阵列由至少两行天线单元构成，每一行为一个周期，每一行包括6个天线单元，所述天线单元包括正交十字形轴线和设置于十字形轴线的4个分支上的线栅，每个分支上的线栅由3条相互平行且垂直于所在分支中线的栅条构成，天线单元分别沿互相垂直的两个方向的分支中线构成上下对称和左右对称，各栅条长度自内向外逐条递增，各栅条的宽度相等，相邻栅条之间的间距相等。2.如权利要求1所述的太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，在同一行中，相邻天线单元的中心间距L=300ym，金属导体介质底板厚度和阵列天线厚度皆为0.5μηι，阵列天线的线宽s=ΙΟμπι，相邻栅条之间的距离d=5μηι;行线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为Lx，lllymLx168ym，次长的栅条长度为L3=O.6LX，最短的栅条长度为L4=O.6L3,两个行线方向最长栅条的外侧之间的距离为L6,79ym^；L6^；208ym；列线方向设置的栅条中，最长的栅条长度为1^，59以1111^228以1]1，次长的栅条长度为1^1=0.6Ly，最短的栅条长度为L2=OJL1，两个列线方向最长栅条的外侧之间的距离为L5,151ym^；L5^；248ym；十字形轴线宽度和栅条宽度皆为s=l〇Mi。3.如权利要求2所述的太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，每一行中，自起端向终端顺次排序，以微米为单位，各天线单元的参数分别为：4.如权利要求2所述的太赫兹波段极化转换天线，其特征在于，以金属导体介质底板为底面，从俯视角度，以行线方向为左右方向，所述起端为左端，所述终端为右端。

百度查询： 电子科技大学 太赫兹波段的极化转换天线

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