一種寬帶高增益太赫茲透鏡天線及其組陣設計

吳 丹, 何應然, 王 政, 梁保衛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所, 河北 石家莊 050081)

0 引言

太赫茲波是指頻率0. 1~10 THz 的電磁輻射,該波段介于微波與遠紅外輻射之間。 相比微波和紅外波段,太赫茲波技術近年來才得到應有的關注和重視[1]。 在無線通信方面,太赫茲特別適合寬帶移動通信和空間通信,是下一代通信技術關注的一個重點和熱點。 在雷達遙感探測方面,太赫茲能實現比微波和毫米波更高的分辨率,更精確地定位和成像[2]。 太赫茲通信系統的關鍵技術之一是太赫茲天線技術。 雖然太赫茲技術具有十分明顯的優勢,但現實情況是缺乏對高增益、高精度太赫茲天線技術的研究[3]。

透鏡天線具有無饋電遮擋、容易實現多波束和波束掃描的技術特點,是高增益天線的一個重要發展方向[4-5]。 由于透鏡天線是三維實體結構,它在微波頻段低頻存在體積、質量龐大的缺陷。 但對于毫米波和太赫茲應用來說,透鏡體積、質量明顯減小,透鏡天線成為有吸引力的天線形式[6-8]。

透射式天線相比反射式天線具有口徑無遮擋的技術優點[9],適合組陣應用。 透鏡陣列天線既具有口徑天線饋電簡單的優點,又具有陣列天線低剖面、可靈活擴展、可快速部署的優點。 受可用材料和加工工藝的限制,透鏡天線技術一直滯后于反射面天線和陣列天線技術的發展。 近年來,透鏡材料和加工工藝已經取得長足進步。 另一方面,相控陣技術憑借自身的電子波束掃描、多波束和自適應抗干擾等能力,越來越受到用戶的青睞[10]。 將透鏡陣列天線與有源相控陣體制相結合,能夠避免大規模饋電網絡的高損耗,具備空間功率合成能力,能夠實現高增益、高EIRP 和高G/T 值,可應用于衛星通信、電子對抗等領域。

本文提出一種可實現高增益太赫茲輻射的透鏡陣列天線方案。 首先,介紹高增益太赫茲透鏡單元的設計方法、容差分析和實物樣機的測試結果。 然后,介紹太赫茲透鏡單元組陣設計,在保證天線低剖面的前提下,通過天線陣面面積的擴展,將天線增益進一步提升。

1 太赫茲透鏡陣列天線的系統組成

本文所提的太赫茲透鏡陣列天線由多個高增益的太赫茲透鏡天線單元組成,天線的中心工作頻率為220 GHz。 常見的透鏡天線類型有介質透鏡、金屬加速透鏡和透射陣天線[10]。 其中,介質透鏡相比另外2 種透鏡天線具有工作帶寬大和天線效率高的優點,因此本文優選了這種透鏡形式。 太赫茲介質透鏡單元主要包括介質聚焦透鏡和喇叭饋源2 部分,通過饋源照射透鏡獲得高增益定向波束。 多個透鏡單元后端用有源相控陣體制完成高效率的天線增益合成。

采用有源合成的優勢在于,可以避免透鏡單元之間合成網絡的饋電損耗對天線EIRP 值和G/T 值的影響。 對接收陣列天線,每個透鏡單元對應的饋源連接LNA 和移相器后,通過波束合成網絡形成一個接收端口。 對發射陣列天線,發射機的太赫茲信號通過波束合成網絡將一路信號分為多路,每一路連接移相器后,與太赫茲功放相連,功放的輸出信號通過饋源喇叭照射太赫茲透鏡后輻射到自由空間。因此發射透鏡陣列天線還具有空間功率合成的能力。 對于太赫茲無線通信來說,由于單個功率源的發射功率難以超過10 mW,因此空間功率合成對于太赫茲發射天線來說具有重要意義。

相比密集陣列天線,透鏡陣列的另一個技術優勢是,透鏡下方的可設計空間寬裕,天線功能易于擴展。 例如,在饋源后端增加雙工器,可實現透鏡陣列天線的收發共口徑。

2 寬帶高增益太赫茲透鏡天線單元設計

2.1 高效率介質透鏡設計

本文選用的透鏡單元為聚焦透鏡形式,透鏡由高介電常數介質材料設計而成,用作接收天線時,可以將空間來波聚焦到焦點位置;用作發射天線時,可以將饋源發出的球面波轉化為平面波。 采用幾何光學理論可追跡光線的路徑。 用等光程條件作為約束,可得到透鏡前表面和后表面的外形輪廓曲線。

透鏡天線光路如圖2 所示。

圖2 透鏡天線光路Fig.2 Optical path of lens antenna

根據費馬定理,追蹤從饋源發出并通過透鏡的電磁波,得出其通過透鏡后到達垂直于透鏡軸向的平面上時的路徑,設到達透鏡前的路徑長度為d1,在前匹配層中的路徑長度為d2,中心層的路徑長度為d3,后匹配層中路徑長度為d4,通過透鏡后距垂直與透鏡軸向同一平面的長度為d5,則到達該平面的相位分布為:

式中,k0為自由空間中電磁波的波數;n1為透鏡中心層折射率;n2為透鏡匹配層折射率。

以透鏡的前后表面面型作為設計自由度,可以實現透鏡口面場的相位分布均勻一致。

根據口徑天線理論,對面積為S的口徑天線,其增益極限Gm為:

天線口面效率η定義為天線實際增益G與天線增益極限Gm的比值,因此,天線增益與增益極限的關系式為:

根據電磁場理論,天線口面場達到等幅同相分布時,天線的口面效率能夠達到100%。 對于口徑天線,實現等相位分布比較容易,難度較大的是實現等幅度分布。

在雙反射面天線領域,通過主副面的賦形設計,可以在保證天線輻射口面場等相位分布的前提下,調控天線口徑場的幅度分布。 常見的反射面天線賦形優化后的口面效率能夠達到80%以上[11]。

在透鏡天線設計中,借鑒賦形雙反射面天線的設計思路。 透鏡天線具有前表面和后表面2 個設計自由度。 通過透鏡前后表面的配合,不僅能夠實現口徑場的等相位分布,還能夠調控天線的口徑場幅度分布。 圖3 展示了不同類型聚集透鏡在各向同性饋源照片下的天線口面場的幅度分布規律[12]。

圖3 不同類型聚焦透鏡對天線口面場幅度的調控作用Fig.3 Magnitude distribution of aperture field for different focusing lens

由圖3 可以看出,下表面為凹面和平面的聚焦透鏡,相比下表面為凸面的透鏡天線,采用各向同性饋源照射時,透鏡邊緣處的電平值可以高于透鏡中心處的電平值。 因此,采用帶有幅度錐削的饋源照射聚焦透鏡時,前一類透鏡能夠得到更好的幅度均勻性,即更高的口面效率。 為兼顧天線的口面效率和加工工藝難度,本文的太赫茲介質透鏡選用平凸外形。 對于太赫茲頻段的透鏡,曲面加工工藝難度大大高于平面加工工藝難度。

在太赫茲頻段,透鏡材料的插入損耗(熱損耗)對透鏡材料的損耗正切十分敏感。 因此,太赫茲透鏡選用的材料,必須具有損耗正切低的特點。 為說明這一點,給出透鏡天線插損的估算公式:

式中,ε為透鏡介質的相對介電常數;tanδ為介質的損耗正切;z/λ0為介質的電厚度。

目前調研得到的太赫茲低損耗介質材料有高阻硅、石英和陶瓷類材料。 由于厚度較大的硅片難以獲得,并且硅片需要采用光刻工藝加工,加工成本過高;石英材料脆性大,在沖擊環境下容易損壞;相比之下,陶瓷可以采用粉末壓合粗成型,然后進行研磨加工,最終加工產品的表面精度可以達到0. 02 mm以下,能夠滿足太赫茲頻段使用。 因此本文最終選用了Al2O3陶瓷材料加工太赫茲介質透鏡,該材料在220 GHz 的實測相對介電常數是9. 1,損耗正切是0.001。 較高的介電常數,有利于減薄透鏡厚度,對天線系統的輕量化意義較大。

2.2 透鏡匹配層設計

由于太赫茲透鏡介質選用了高介電常數的Al2O3陶瓷,在陶瓷介質與空氣的分界面存在較強的能量反射,從而造成天線增益損失。 對于220 GHz 中心頻率,圖4 仿真了透鏡-空氣界面對2 種極化電磁波的能量反射系數。 可以看出,在±45°照射角,能量反射系數最高達到了-4. 5 dB,由此造成的能量損失有1.85 dB。

圖4 透鏡-空氣界面反射系數Fig.4 Reflection coefficients for lens-air interface

為解決界面反射問題,可以在透鏡上、下表面增加匹配層,實現寬帶和寬角匹配,從而減小界面的能量反射,最小化天線的插入損耗。 匹配層的電厚度為1/4 波長,介電常數值為中心層介質介電常數的平方根。 對于220 GHz 中心頻率,要求匹配層相對介電常數是3.0,厚度為0.2 mm。

仿真得到的帶有匹配層的透鏡界面反射系數如圖5 所示。 可以看出,在200~240 GHz,±45°照射角,能量反射系數低于-15 dB。 能量反射造成的插入損耗低于0.2 dB。

圖5 帶有匹配層的透鏡界面反射系數Fig.5 Reflection coefficient for lens interfrace with matching layer

太赫茲透鏡匹配層采用復合材料壓合法進行加工制造,其中復合材料選用石英氰酸酯樹脂,厚度為0.2 mm,相對介電常數為3.0,剛好滿足太赫茲陶瓷介質透鏡使用需求。

2.3 太赫茲饋源設計

光壁賦形喇叭是近年來興起的新型高效率喇叭饋源。 通過內壁曲線的變化形成多模式疊加,該類饋源束能夠在寬頻帶范圍內形成波束寬度相近、旋轉對稱、低反射損耗和低交叉極化的輻射方向圖[13-14]。 相比簡單多模喇叭饋源,它的工作帶寬更寬、照射效率更高。 因此,本項目的透鏡天線饋源采用光壁賦形喇叭形式。 光壁賦形太赫茲饋源如圖6所示,該饋源口面內壁張口處直徑為9.90 mm,整體尺寸相對較大,易于加工。 太赫茲饋源輻射方向圖如圖7 所示,照射角內的波束等化特性良好。

圖6 光壁賦形太赫茲饋源Fig.6 Profiled smooth wall THz feed

圖7 太赫茲饋源輻射方向圖Fig.7 Radiation pattern of THz feed

2.4 極化正交器設計

為擴展太赫茲通信系統的信道容量和提高傳輸速率,透鏡陣列天線擬設計為支持雙線極化信號的發射和接收。 因此在每個透鏡天線的饋源后端均連接極化正交器。

太赫茲極化正交器模型如圖8 所示。 正交器入口為圓形,直徑2 mm,出口為WR4 波導口。

圖8 太赫茲極化正交器模型Fig.8 Model of THz orthomode transducer

2 種極化端口之間的隔離度仿真結果如圖9(a)所示,優于57 dB。 駐波曲線仿真結果如圖9(b)所示,小于1.3。

圖9 極化正交器的仿真隔離度和駐波Fig.9 Simulated isolation and VSWR of OMT

2.5 太赫茲透鏡的輻射性能仿真

綜合上述設計方法,給出一個太赫茲透鏡的設計結果,太赫茲透鏡天線仿真模型如圖10 所示。

圖1 透鏡陣列天線示意Fig.1 Schematic of lens array antenna

圖10 太赫茲透鏡天線仿真模型Fig.10 Model of THz lens antenna

太赫茲透鏡外形選擇方形,邊長為118 mm,焦距為84.3 mm,透鏡中心點的厚度達到最大,為17.8 mm。 外形為方形的透鏡,可無縫布陣,空間面積利用率高。

由于太赫茲透鏡天線電尺寸非常大,達到了86 個波長以上,已經無法采用現有的計算服務器完成全波仿真計算。 針對該問題,采用光學計算方法,將射線追蹤和近遠場變換結合,通過編程仿真了透鏡天線增益和方向圖[15]。

采用上述算法計算得到太赫茲透鏡天線的輻射方向圖如圖11 所示,透鏡天線單元輻射特性如表1所示,天線在210~230 GHz 帶寬范圍內的口面效率均超過60%。

圖11 透鏡天線的計算方向圖Fig.11 Calculated radiation pattern of lens antenna

表1 透鏡天線單元輻射特性Tab.1 Radiation properties of lens antenna element

3 太赫茲介質透鏡天線的容差分析

太赫茲透鏡天線工作頻率高,對加工精度和裝配精度要求高。 因此有必要對太赫茲透鏡天線進行加工制造容差分析。

(1)材料介電常數

已知介質薄透鏡的焦距計算如下:

式中,nL為陶瓷透鏡的折射率;r1和r2為透鏡前后表面的曲率半徑。 由式(5)可知,介電常數的微小偏差,只會導致透鏡焦距的微小變化。 因此在透鏡天線實物裝配階段,微調透鏡的饋電喇叭位置,即可彌補陶瓷材料介電常數偏差導致的透鏡增益損失。

(2)表面精度

根據Ruze 公式,天線表面公差σ會導致天線效率下降[16],具體的估計如下[17]:

本文采用陶瓷研麿工藝加工的太赫茲透鏡,其表面精度在0.02 mm 以下。 根據Ruze 公式計算可得,在220 GHz 導致的天線增益損失估算為0.15 dB。

(3)裝配誤差(饋源偏焦)

在天線裝配容差方面,透鏡天線的一個優勢在于它對裝配的公差要求較低。 透鏡裝配中的的軸線偏差和橫向偏差要求,是低于同頻段同口徑反射面天線的。 通過仿真分析可知,饋源軸向偏焦±0.5 mm,增益損失最大為0.18 dB;饋源垂直于軸向偏焦±0.14 mm,增益損失最大為0.17 dB。

4 太赫茲透鏡天線的實物加工與測試

在上述透鏡天線電氣設計、材料工藝設計和容差分析的基礎上,加工了太赫茲透鏡實物樣機。 太赫茲饋源網絡、太赫茲透鏡和裝配后的實物如圖12 所示。

圖12 實物Fig.12 Photographs

太赫茲饋源網絡的2 個極化端口的實測駐波和隔離度如圖13 所示。 實測駐波在1.3 以下,實測隔離度優于30 dB。

圖13 太赫茲饋源網絡2 個極化端口的實測駐波和隔離度Fig.13 Measured VSWR and isolation for the two ports of THz feeding network

太赫茲透鏡的實測方向圖如圖14 所示,210,215,220 GHz 的測試增益和波束寬度如表2 所示。實測增益比仿真增益低約1.7 dB,這是由太赫茲透鏡、太赫茲饋源和太赫茲OMT 的插損導致的;實測波束寬度與仿真值相互吻合;天線方向圖形狀良好,第一旁瓣優于-26 dB。

表2 透鏡天線單元的增益和波束寬度Tab.2 Gain and beamwidth of lens antenna element

圖14 太赫茲透鏡天線的實測方向圖Fig.14 Measured radiation patterns of the THz lens antenna

5 高增益太赫茲透鏡天線組陣設計

由于透鏡陣列天線屬于大周期組陣,采用規則方形布陣時會出現很高的柵瓣。 圖15 為上文設計的邊長118 mm 透鏡天線進行8×8 方形組陣后,在220 GHz 時的單元方向圖、陣因子和陣列合成方向圖,可知其柵瓣電平高達-8.38 dB。

圖15 太赫茲透鏡陣列天線的陣因子、單元和陣列方向圖Fig.15 Array factor,element and array radiation pattern of THz lens array antenna

為了抑制柵瓣電平,設計了更適用于透鏡天線組陣的環形非周期性組陣方式[18]。 由64 個單元組成的環形陣如圖16 所示。

圖16 太赫茲透鏡環形布陣圖Fig.16 Ring-shape array of THz lens

以柵瓣電平最低為目標,采用粒子群算法優化各個環形的旋轉角度后,得到的陣因子和陣列合成方向圖如圖17 所示,其柵瓣電平為-13.69 dB,相比方形組陣有明顯降低。

圖17 太赫茲環形透鏡陣列天線的陣因子、單元和陣列方向圖Fig.17 Array factor,element and array radiation pattern of ring-shape THz lens array antenna

6 結束語

本文設計了一種寬帶高增益的太赫茲介質透鏡天線。 通過設計平凸外形的太赫茲透鏡、透鏡材料選用低損耗的氧化鋁陶瓷、介質透鏡前后表面采用石英氰酸酯復合材料作為阻抗匹配層,設計得到了高增益和高效率的太赫茲透鏡天線。 進一步完成了太赫茲透鏡實物加工和裝配測試,天線實測結果與仿真結果相互吻合。 最后,研究了電大尺寸太赫茲透鏡單元的布陣方式與陣列合成方法。 本文設計的太赫茲透鏡陣列具有剖面低和結構緊湊的技術優點,能夠用于太赫茲長距離通信等應用場景。