[发明专利]匹配近零折射率超材料的太赫兹平面透镜天线

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明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=600μm，宽度为a=600μm，厚度为d=95μm,介质板上下表面的金属线长a=600μm，线宽b=176μm,中心圆的半径c=265μm；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=151um，中心导体角β=45deg，锯齿的张角δ=45deg，周期τ=R_n+1／R_n=a_n+1／a_n=0.65，R_n+1为天线第n+1个齿的外半径，R_n为天线第n个齿的外半径，齿宽参数σ=a_n／R_n=0.81。

本发明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是本发明的透镜天线的结构示意图；

图1b为本发明的透镜天线中天线的结构示意图；

图2是本发明透镜天线中透镜单元的俯视图和侧视图；

图3是本发明中匹配近零折射率超材料的S参数的幅度和相位；

图4是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一种优选实施例，匹配近零折射率超材料透镜天线的结构如图1所示。本发明包括对数周期天线和超材料透镜。