一种太赫兹平面透射阵极化扭转单元的制作方法

本发明属于毫米波/太赫兹技术领域。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，无线通信系统面临越来越多的挑战，现阶段规划的无线频带资源已经逐渐趋于饱和，无法满足通信技术发展的要求。因此，人们将目光逐渐转向未曾开发利用的太赫兹频段。随着对太赫兹频段通信技术的深入研究，天线作为无线通信不可或缺的组成部分，其技术指标有着更高的要求，也吸引了越来越多的关注。

在毫米波/太赫兹频段，由于电磁波在空气中的衰减大，通常都需要高增益的天线。在微波频段，传统的微带线天线阵可以提供很高的增益，但是当频率上升至太赫兹频段，微带线的损耗(包括金属损耗、介质损耗、辐射损耗)会严重限制它的应用。当前在各种太赫兹系统中，大都使用空间馈电的介质透镜以及抛物面天线等部件，这类部件既能实现聚焦功能，又没有馈电网络产生的损耗，很容易实现超高增益。但是，由于其体积大、重量重且为非平面结构，不利于安装。这在集成化和成本控制要求越来越高的趋势下，它们的应用场合受到限制。而基于周期平面结构的反射阵、透射阵天线、反射镜和透镜等部件，除拥有传统抛物面天线和透镜所具有的优点外，还具有设计灵活、体积小、易加工和低成本等特点，非常适合在毫米波/太赫兹频段使用。

目前透射阵天线的主要形式有多层微带型和介质打孔型，在微波/毫米波频段，利用常规的pcb工艺技术，即能完成透射阵的加工。在太赫兹频段，由于单元的结构尺寸很小，加工精度要求高，采用常规的pcb加工工艺，很难满足大多数平面结构单元的设计精度要求。光学中的微加工工艺能够达到微米级别的加工精度，满足太赫兹频段器件的加工需求，但其工艺复杂，成本高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种基于pcb工艺的太赫兹平面透射阵极化扭转单元，该透射单元由位于上下层的极化栅条和中间层的箭头形状金属支节组成，具有低成本、高增益、结构简单、传输幅相灵活可调、易于小型化等特点。

实现本发明的技术方案如下：本发明提出的太赫兹平面透射阵极化扭转单元，包括介质基板、金属栅条和箭头形金属支节三部分。其中：两层相同厚度和材质的介质基板通过半固化片压合而成，单元为正方形；金属栅条部分分别位于上下表面，上下层栅条数量均为三个，上层栅条方向与下层栅条方向正交；箭头形状金属支节部分位于中间层，其对称轴沿单元的对角线方向放置，互相垂直的两个金属支节长度可以控制传输相位，箭头整体旋转角度控制传输幅度。

本发明的有益效果：

1、通过极化栅的正交配置，提高了单元的透射效率，透射波有很高的极化转换效率和极化纯度，同时单元的插入损耗小于1db。

2、利用单层箭头形状的两个金属支节长度变化，实现透射波360°的补偿相移，结构简单，可以采用常规的pcb技术加工，容易实现低成本高增益的平面太赫兹透射阵天线。

附图说明

图1是太赫兹平面透射阵极化扭转单元的结构图，其中1为上层极化栅条，2为箭头形状金属支节，3为下层极化栅条，4为上层介质板，5为下层介质板。

图2是图1所示箭头形状金属支节部分俯视图，互相垂直的支节长度为l，整体结构以对角线为对称轴，其中箭头形状整体可沿中心旋转角度α。

图3是图2中的透射单元构成的25×25的平面透射阵，每个单元的尺寸与阵中所需传输相位对应。

图4是图2中金属支节长度l由0.2mm到0.6mm变化时0.1thz的插入损耗。

图5是图2中金属支节长度l由0.2mm到0.6mm变化时0.1thz的传输相位。

图6是图2中箭头形状结构整体旋转角度α由0°到30°变化时0.1thz的插入损耗。

图7是图2中箭头形状结构整体旋转角度α由0°到30°变化时0.1thz的传输相位。

图8是本发明透射单元组成25×25的平面透射阵与角锥喇叭的e面方向图对比。

图9是本发明透射单元组成25×25的平面透射阵与角锥喇叭的h面方向图对比。

具体实施方式

本发明设计了一种工作在太赫兹频段的箭头形极化扭转单元，通过增加极化栅的方法，提高了单元的透射效率；采用轴对称旋转箭头覆盖360°传输相位，实现了透射阵所需的相位补偿。由于其简单的特殊对称结构，使单元尺寸的精度要求下降了，采用常规的pcb技术加工工艺，即可实现低成本、高增益的平面太赫兹透射阵天线。

下面结合25×25太赫兹平面透射阵实施例对本发明进行举例说明。

周期结构设计可以通过采用无限大周期边界来分析阵中单元匹配特性。其中，如图1所示，均匀分布的金属栅条被分别印刷在双层介质板的上下两面，上下层栅条方向正交，箭头形状金属结构被印刷在双层介质板的中间层，介质板采用的是0.127mm厚的taconicrf-35，在0.1thz频点的介电常数和损耗正切角分别是3.5和0.0011；上层极化栅沿着x轴方向放置，其宽度为0.23mm、间隔为0.23mm，能够实现极化选择的功能，即y极化的入射波可以透过它，而x极化的入射波则会被反射；中间层是箭头形状结构，相互垂直的支节长度为l、宽度为0.23mm、沿对角线的支节长度为3mm，其对称轴沿着单元的对角线放置，箭头形状结构可以实现极化转换的功能；下表面是沿着y轴方向放置的极化栅，参数与上表面相同。因此，当单元被法向入射的x极化的电磁波照射后，箭头形状结构上同时感应出了x和y极化的电流，同时由于x方向的极化栅的存在，箭头形状结构散射的x极化波将会被极化栅反射，而由其散射的y极化波则能够穿过极化栅。

为了实现360°的透射相位覆盖，需要调整l的大小来改变单元的透射相位如图2所示，金属支节长度l由0.2mm到0.6mm变化时将获得180°的传输相位改变如图4所示，而将单元的箭头形状结构沿着单元中心旋转90°后可获得对应另一半180°的传输相位改变。不同长度的l在0.1thz的透射系数如图3所示，可以观察到360°的相位覆盖已经满足，同时最大的透射损耗约为0.85db。另外，将箭头形状结构整体旋转角度α由0°到30°变化时，0.1thz的插入损耗从0.82db逐渐增加到8.49db(图5)，同时对应的传输相位几乎没有改变(图6)。

三层结构的透射阵阵面箭头形状单元分布如图7所示，阵面由25×25个单元组成，对应的口径大小为34.5mm×34.5mm，其上下两面均分布着宽度和间隔均为0.23mm的极化栅，并且两个面内的极化栅方向相互正交。设计的透射阵天线由增益为20dbi、e面和h面方向图照射角内近似等化的角锥喇叭馈电，其焦径比(f/d)为1。图8、图9分别给出了透射阵天线和馈电角锥喇叭的e面、h面cst全波仿真增益和辐射方向图。可以看出：透射阵天线比馈电喇叭增益高8db左右，实现了高增益特性。

以上内容是结合具体的优选方式对本发明所做的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做成若干简单推演或替换，如采用无极化栅条或单层极化栅条设计等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。