太赫兹高增益天线研究

李 勇，翟晓霞，张文静

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；2.石家庄理工职业学院，河北石家庄050228）

太赫兹高增益天线研究

李 勇1，翟晓霞2，张文静1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；
2.石家庄理工职业学院，河北石家庄050228）

针对太赫兹通信系统对高增益天线的需求，在分析太赫兹天线的各种实现形式的基础上提出采用反射面天线实现太赫兹高增益通信天线。讨论了高精度反射面的加工方案，采用超精密切削和超精密磨削2种加工方式制造高精度反射面；研究了太赫兹天线高精度组装及组装精度评估方法，设计制造了结构系统均方根误差（r.m.s）优于5μm的太赫兹高增益天线。测试结果表明，天线性能符合预期，所提出的高精度反射面加工方法和结构精度评估方法合理可行。

高速率通信；太赫兹；超精密加工；碳化硅

0 引言

太赫兹辐射源、太赫兹调制器及滤波器等器件的发展，促进了太赫兹在通信领域的发展应用。太赫兹电磁波是很好的宽带信息载体，它集成了微波通信与光通信的优点，可以采用小口径天线实现高传输速率、高能量效率，相对激光易于实现捕获、瞄准和跟踪［1，2］。近年随着微电子、微机电、计算机和新材料等技术的飞速发展，小卫星编队飞行逐步成为各个航天大国的研究重点，太赫兹频段在高带宽、高速率星间通信上有着广阔的应用前景［3－6］。太赫兹天线作为通信链路的关键转换器件，其发展尤其是高增益天线的发展直接影响了高传输速率、高传输容量的太赫兹通信系统的实现。太赫兹天线近年获得了较大的发展［7－9］，但是应用于太赫兹高增益通信天线未见有公开报道。

1 高增益天线的实现形式

按照太赫兹波的产生方式，太赫兹天线主要分为两类：一类是基于飞秒激光产生太赫兹波的光电导天线，另外一类是基于传统电子器件，由微波系统演变来的射频天线。

目前，光电导天线被广泛用于产生太赫兹波。常用光电导天线的基本形式有：偶极子天线、蝶形天线、对数螺旋天线、对数周期天线和喇叭天线等［8，9］。但是光电导天线增益较低，无法满足大容量、高传输速率的需求。

基于微波理论的射频天线是太赫兹天线的另一重要类型。而反射面天线容易通过扩大辐射口径获得更高增益，是高增益天线的首选。反射面天线应用到太赫兹通信系统的研究未见公开报道，但是，在天文探测领域地面和星载探测器采用反射面天线可以获得高的分辨率［10，11］。所以，使用反射面天线实现太赫兹高增益天线是合理可行。

由于太赫兹频率高，波长短。采用反射面天线实现太赫兹应用主要难点在于如何实现高精度反射面和小装配误差。

2 高精度反射面实现

反射面的表面误差会引起天线辐射性能变坏，一般按照增益跌落衡量，采用Ruze公式表述，即天线效率将随天线反射面精度的下降而下降，并遵循数学关系式：

式中，ηs为天线增益下降系数，G和G0分别为天线有表面误差与无表面误差时的增益，λ为工作波长，δ为表面半光程差的均方根值（r.m.s）。

为了保证天线实现良好的辐射性能，考虑到装配误差的影响，δ一般需优于λ/100，λ为最高工作波长。按照现在太赫兹通信规划的300 GHz的工作频率核算表面半光程差的均方根值（r.m.s）应控制在10μm以内。随着工作频率的提高其要求会更高，其加工精度要求已超出传统机加工精度的范畴，需要开展反射面精密加工技术的研究。

反射面天线可以分为正馈天线和偏馈天线，对应的反射面形状分为对称和非对称2类。文中分别对2种形状反射面的加工工艺进行了研究。

对称反射面采用铝合金加工制造，加工方法为单晶金刚石刀具超精密切削。此方法采用数控微量切削获得光滑而加工变质层较少的表面，得到很高的加工精度和表面质量。加工完成的反射面半光程差均方根误差（r.m.s）控制优于3μm。

非对称反射面采用碳化硅加工制造，此材料具有各向同性、尺寸稳定、抗辐照特性好、在空间辐照环境条件下反射镜面形变化小、比刚度大和热变形系数小的优良特点，近年作为空间反射镜的基材获得了较好的应用［12］。

反应烧结碳化硅材料的非对称反射面采用铣磨加研磨的方法加工。加工中采用高精度数控铣床成型基准面与支撑孔，后铣磨镜面，最终采用不同粒度金刚石微粉将镜面加工到所需表面粗糙度值与面型值，最后镜体表面蒸镀一层Al膜，提升反射性能。加工完成的反射面半光程差均方根误差（r.m.s）控制优于2.8μm。

3 组装精度评估方法

天线具备良好辐射性能的基础是部件性能优良，馈源、反射面空间关系符合预定设计。工程中，由于馈源、副面、主反射等部件的相对安装误差会造成天线匹配变差，性能恶化，尤其是随着工作频率的提供这种影响会更大。所以孤立的评估反射面的型面精度无法全面的反映这一影响，建立统一坐标系下的组装及误差影响的评估体系，综合考虑各项误差的影响是必要的。从实践看以馈源轴心为基准的组装评估体系是合适的。

由于天线的组装是以馈源轴心为基准，所以天线结构的均方根偏差可以用馈源坐标系下反射面的均方根偏差表述，一般由半光程差δ的均方根来衡量。考虑到口径场分布对偏差的影响，由半光程差δ计算的结构系统均方根偏差由式（2）表示［13］：

式中，

其中，

式中，N为离散点总数。

型面误差可以认为是均值为零按正态分布的随机误差，使用Ruze公式估算增益下降系数：式中，ηs为天线增益下降系数；G和G0分别为天线有表面误差与无表面误差时的增益；λ为工作波长；为表面误差的均方根值（r.m.s）。

4 太赫兹高增益天线实现

设计了1套卡塞格伦双反射面太赫兹天线和1套单偏置太赫兹天线，天线的有效口径均为300 mm。卡式天线反射面采用单晶金刚石刀具超精密切削加工的金属面，单偏置天线采用铣磨加研磨的方法加工反应烧结碳化硅反射面，馈源采用精密机加工的光壁圆锥喇叭。

太赫兹天线组装过程以馈源中心轴线及其口面为基准，通过高精度三坐标测量机采集反射面的三维坐标值，利用Sa软件进行空间建模，与理论模型进行比对获得当下的均方根误差，如不满足要求对微调机构进行调整直至达标。为了实现精密调整定位，两套天线配置了精密调整平台，定位精度达到0.5μm。组装完成了太赫兹天线样机如图1所示，2部天线的结构系统均方根误差（r.m.s）均优于5μm。

图1 太赫兹天线样机

对组装完成的天线进行了测试，测试与仿真结果基本一致，图2为单偏置天线在325 GHz的辐射方向图。

图2 325 GHz辐射方向图

5 结束语

对太赫兹高增益天线的形式选择，反射面高精度加工工艺、太赫兹天线高精度组装及组装误差评估方法等进行了相关研究。提出采用反射面天线实现太赫兹高增益天线，采用超精密切削和超精密磨削2种加工方式制造高精度反射面；给出了太赫兹天线高精度组装及组装精度评估方法，并据此设计制造了2套太赫兹高增益天线。测试结果表明，天线性能符合预期。文中提出的高精度反射面加工方法和结构精度评估方法合理有效，具有良好的可实现性。

［1］姚建铨，迟楠，杨鹏飞，等.太赫兹通信技术的研究与展望［J］.中国激光，2009，36（9）：2213－2233.

［2］顾立，谭智勇，曹俊诚，等.太赫兹通信技术研究进展［J］.物理，2013，42（10）：695－707.

［3］LeitherJ.Distributed Spacecraft Systems Technology Development Program［R］.NASA，Goddard Space Flight Center，April 27，2001.

［4］Gotsmann M，Steckling M，Gill E.Miniflex Satellite Concept for Precursor and Commercial Missions［C］∥ACTA ASTRONAUTICA，2001，52（9－12）：985－989.

［5］Luu K，Schlossberg H.University Nanosatellite Distributed Satellite Capabilities to Support TechSat 21［C］∥13th AIAA/USU Conference on Small satellites，1999：1－9.

［6］Alok Das，Richard Cobb.TechSat 21－Space Missions Using Clooaborating Constellations of Satellites［C］∥12th AIAA/USU Conference on Small Satellites，1998：1－5.

［7］LI Di，HUANG Yi.Comparison of Terahertz Antennas ［C］∥Antennas and Propagaion，2006：45－50.

［8］张清刚，周俊.光电导太赫兹天线及其研究进展［J］.现代电子技术，2012，35（7）：89－94.

［9］Gie Han Tan.The ALMA Front Ends；an Overview［C］∥19th International Symposium on Space Terahertz Technology，Groningen，April 2008：237－243.

［10］Doyle D，Pilbratt G，Tauber J.The Herschel and Planck Space Telescopes［J］.Proceedings of the IEEE，2009，97（8）：1403－1411.

［11］袁巨龙，张飞虎，戴一凡，等.超精密加工领域科学技术发展研究［J］.机械工程学报，2010，46（15）：161－177.

［12］刘韬，周一鸣，江月松，等.国外空间反射镜材料及应用分析［J］.航天返回与遥感，2013，34（5）：90－99.

［13］叶云裳.星载毫米波天线结构［J］.空间科学学报，2003，23（5）：379－387.

Study of Terahertz High Gain Antenna

LIYong1，ZHAIXiao－xia2，ZHANGWen－jing1
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.Shijiazhuang Institute of Technology，Shijiazhuang Hebei050228，China）

According to the demand on terahertz high gain antennas for inter－satellite link，based on the research on various realization forms of terahertz antennas，the reflector antenna is proposed to realize terahertz high gain antennas for inter－satellite link.The ultra－precision manufacturing techniques for dish are discussed，the ultra－precision cutting and ultra－precision grinding are adopted to manufacture the high－precision reflector.Precision assembling process ofantenna and themethod for evaluation of assembly accuracy are studied.The terahertz high gain antennas are designed and the rootmean square error of the structural system is less than 5μm.The experiment result proves the reasonability and feasibility of themethods for ultra－precision dishmanufacturing techniques aswell as for the assembly accuracy evaluation.

high rate communication；terahertz；ultra－precisionmanufacturing techniques；silicon carbide

TN82

A

1003－3114（2015）04－68－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.17

李 勇，翟晓霞，张文静.太赫兹高增益天线研究［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：68－70.

2015－04－08

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA8124017A）和“十二五”民用航天预先研究资助项目

李勇（1978—）男，高级工程师，主要研究方向：微波及卫星天线技术。翟晓霞（1978—）女，助教，主要研究方向：大学物理教育和新型功能材料。