一种宽带高增益太赫兹透镜天线及其组阵设计

吴 丹, 何应然, 王 政, 梁保卫

(中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北 石家庄 050081)

0 引言

太赫兹波是指频率0. 1~10 THz 的电磁辐射,该波段介于微波与远红外辐射之间。 相比微波和红外波段,太赫兹波技术近年来才得到应有的关注和重视[1]。 在无线通信方面,太赫兹特别适合宽带移动通信和空间通信,是下一代通信技术关注的一个重点和热点。 在雷达遥感探测方面,太赫兹能实现比微波和毫米波更高的分辨率,更精确地定位和成像[2]。 太赫兹通信系统的关键技术之一是太赫兹天线技术。 虽然太赫兹技术具有十分明显的优势,但现实情况是缺乏对高增益、高精度太赫兹天线技术的研究[3]。

透镜天线具有无馈电遮挡、容易实现多波束和波束扫描的技术特点,是高增益天线的一个重要发展方向[4-5]。 由于透镜天线是三维实体结构,它在微波频段低频存在体积、质量庞大的缺陷。 但对于毫米波和太赫兹应用来说,透镜体积、质量明显减小,透镜天线成为有吸引力的天线形式[6-8]。

透射式天线相比反射式天线具有口径无遮挡的技术优点[9],适合组阵应用。 透镜阵列天线既具有口径天线馈电简单的优点,又具有阵列天线低剖面、可灵活扩展、可快速部署的优点。 受可用材料和加工工艺的限制,透镜天线技术一直滞后于反射面天线和阵列天线技术的发展。 近年来,透镜材料和加工工艺已经取得长足进步。 另一方面,相控阵技术凭借自身的电子波束扫描、多波束和自适应抗干扰等能力,越来越受到用户的青睐[10]。 将透镜阵列天线与有源相控阵体制相结合,能够避免大规模馈电网络的高损耗,具备空间功率合成能力,能够实现高增益、高EIRP 和高G/T 值,可应用于卫星通信、电子对抗等领域。

本文提出一种可实现高增益太赫兹辐射的透镜阵列天线方案。 首先,介绍高增益太赫兹透镜单元的设计方法、容差分析和实物样机的测试结果。 然后,介绍太赫兹透镜单元组阵设计,在保证天线低剖面的前提下,通过天线阵面面积的扩展,将天线增益进一步提升。

1 太赫兹透镜阵列天线的系统组成

本文所提的太赫兹透镜阵列天线由多个高增益的太赫兹透镜天线单元组成,天线的中心工作频率为220 GHz。 常见的透镜天线类型有介质透镜、金属加速透镜和透射阵天线[10]。 其中,介质透镜相比另外2 种透镜天线具有工作带宽大和天线效率高的优点,因此本文优选了这种透镜形式。 太赫兹介质透镜单元主要包括介质聚焦透镜和喇叭馈源2 部分,通过馈源照射透镜获得高增益定向波束。 多个透镜单元后端用有源相控阵体制完成高效率的天线增益合成。

采用有源合成的优势在于,可以避免透镜单元之间合成网络的馈电损耗对天线EIRP 值和G/T 值的影响。 对接收阵列天线,每个透镜单元对应的馈源连接LNA 和移相器后,通过波束合成网络形成一个接收端口。 对发射阵列天线,发射机的太赫兹信号通过波束合成网络将一路信号分为多路,每一路连接移相器后,与太赫兹功放相连,功放的输出信号通过馈源喇叭照射太赫兹透镜后辐射到自由空间。因此发射透镜阵列天线还具有空间功率合成的能力。 对于太赫兹无线通信来说,由于单个功率源的发射功率难以超过10 mW,因此空间功率合成对于太赫兹发射天线来说具有重要意义。

相比密集阵列天线,透镜阵列的另一个技术优势是,透镜下方的可设计空间宽裕,天线功能易于扩展。 例如,在馈源后端增加双工器,可实现透镜阵列天线的收发共口径。

2 宽带高增益太赫兹透镜天线单元设计

2.1 高效率介质透镜设计

本文选用的透镜单元为聚焦透镜形式,透镜由高介电常数介质材料设计而成,用作接收天线时,可以将空间来波聚焦到焦点位置;用作发射天线时,可以将馈源发出的球面波转化为平面波。 采用几何光学理论可追迹光线的路径。 用等光程条件作为约束,可得到透镜前表面和后表面的外形轮廓曲线。

透镜天线光路如图2 所示。

图2 透镜天线光路Fig.2 Optical path of lens antenna

根据费马定理,追踪从馈源发出并通过透镜的电磁波,得出其通过透镜后到达垂直于透镜轴向的平面上时的路径,设到达透镜前的路径长度为d1,在前匹配层中的路径长度为d2,中心层的路径长度为d3,后匹配层中路径长度为d4,通过透镜后距垂直与透镜轴向同一平面的长度为d5,则到达该平面的相位分布为:

式中,k0为自由空间中电磁波的波数;n1为透镜中心层折射率;n2为透镜匹配层折射率。

以透镜的前后表面面型作为设计自由度,可以实现透镜口面场的相位分布均匀一致。

根据口径天线理论,对面积为S的口径天线,其增益极限Gm为:

天线口面效率η定义为天线实际增益G与天线增益极限Gm的比值,因此,天线增益与增益极限的关系式为:

根据电磁场理论,天线口面场达到等幅同相分布时,天线的口面效率能够达到100%。 对于口径天线,实现等相位分布比较容易,难度较大的是实现等幅度分布。

在双反射面天线领域,通过主副面的赋形设计,可以在保证天线辐射口面场等相位分布的前提下,调控天线口径场的幅度分布。 常见的反射面天线赋形优化后的口面效率能够达到80%以上[11]。

在透镜天线设计中,借鉴赋形双反射面天线的设计思路。 透镜天线具有前表面和后表面2 个设计自由度。 通过透镜前后表面的配合,不仅能够实现口径场的等相位分布,还能够调控天线的口径场幅度分布。 图3 展示了不同类型聚集透镜在各向同性馈源照片下的天线口面场的幅度分布规律[12]。

图3 不同类型聚焦透镜对天线口面场幅度的调控作用Fig.3 Magnitude distribution of aperture field for different focusing lens

由图3 可以看出,下表面为凹面和平面的聚焦透镜,相比下表面为凸面的透镜天线,采用各向同性馈源照射时,透镜边缘处的电平值可以高于透镜中心处的电平值。 因此,采用带有幅度锥削的馈源照射聚焦透镜时,前一类透镜能够得到更好的幅度均匀性,即更高的口面效率。 为兼顾天线的口面效率和加工工艺难度,本文的太赫兹介质透镜选用平凸外形。 对于太赫兹频段的透镜,曲面加工工艺难度大大高于平面加工工艺难度。

在太赫兹频段,透镜材料的插入损耗(热损耗)对透镜材料的损耗正切十分敏感。 因此,太赫兹透镜选用的材料,必须具有损耗正切低的特点。 为说明这一点,给出透镜天线插损的估算公式:

式中,ε为透镜介质的相对介电常数;tanδ为介质的损耗正切;z/λ0为介质的电厚度。

目前调研得到的太赫兹低损耗介质材料有高阻硅、石英和陶瓷类材料。 由于厚度较大的硅片难以获得,并且硅片需要采用光刻工艺加工,加工成本过高;石英材料脆性大,在冲击环境下容易损坏;相比之下,陶瓷可以采用粉末压合粗成型,然后进行研磨加工,最终加工产品的表面精度可以达到0. 02 mm以下,能够满足太赫兹频段使用。 因此本文最终选用了Al2O3陶瓷材料加工太赫兹介质透镜,该材料在220 GHz 的实测相对介电常数是9. 1,损耗正切是0.001。 较高的介电常数,有利于减薄透镜厚度,对天线系统的轻量化意义较大。

2.2 透镜匹配层设计

由于太赫兹透镜介质选用了高介电常数的Al2O3陶瓷,在陶瓷介质与空气的分界面存在较强的能量反射,从而造成天线增益损失。 对于220 GHz 中心频率,图4 仿真了透镜-空气界面对2 种极化电磁波的能量反射系数。 可以看出,在±45°照射角,能量反射系数最高达到了-4. 5 dB,由此造成的能量损失有1.85 dB。

图4 透镜-空气界面反射系数Fig.4 Reflection coefficients for lens-air interface

为解决界面反射问题,可以在透镜上、下表面增加匹配层,实现宽带和宽角匹配,从而减小界面的能量反射,最小化天线的插入损耗。 匹配层的电厚度为1/4 波长,介电常数值为中心层介质介电常数的平方根。 对于220 GHz 中心频率,要求匹配层相对介电常数是3.0,厚度为0.2 mm。

仿真得到的带有匹配层的透镜界面反射系数如图5 所示。 可以看出,在200~240 GHz,±45°照射角,能量反射系数低于-15 dB。 能量反射造成的插入损耗低于0.2 dB。

图5 带有匹配层的透镜界面反射系数Fig.5 Reflection coefficient for lens interfrace with matching layer

太赫兹透镜匹配层采用复合材料压合法进行加工制造,其中复合材料选用石英氰酸酯树脂,厚度为0.2 mm,相对介电常数为3.0,刚好满足太赫兹陶瓷介质透镜使用需求。

2.3 太赫兹馈源设计

光壁赋形喇叭是近年来兴起的新型高效率喇叭馈源。 通过内壁曲线的变化形成多模式叠加,该类馈源束能够在宽频带范围内形成波束宽度相近、旋转对称、低反射损耗和低交叉极化的辐射方向图[13-14]。 相比简单多模喇叭馈源,它的工作带宽更宽、照射效率更高。 因此,本项目的透镜天线馈源采用光壁赋形喇叭形式。 光壁赋形太赫兹馈源如图6所示,该馈源口面内壁张口处直径为9.90 mm,整体尺寸相对较大,易于加工。 太赫兹馈源辐射方向图如图7 所示,照射角内的波束等化特性良好。

图6 光壁赋形太赫兹馈源Fig.6 Profiled smooth wall THz feed

图7 太赫兹馈源辐射方向图Fig.7 Radiation pattern of THz feed

2.4 极化正交器设计

为扩展太赫兹通信系统的信道容量和提高传输速率,透镜阵列天线拟设计为支持双线极化信号的发射和接收。 因此在每个透镜天线的馈源后端均连接极化正交器。

太赫兹极化正交器模型如图8 所示。 正交器入口为圆形,直径2 mm,出口为WR4 波导口。

图8 太赫兹极化正交器模型Fig.8 Model of THz orthomode transducer

2 种极化端口之间的隔离度仿真结果如图9(a)所示,优于57 dB。 驻波曲线仿真结果如图9(b)所示,小于1.3。

图9 极化正交器的仿真隔离度和驻波Fig.9 Simulated isolation and VSWR of OMT

2.5 太赫兹透镜的辐射性能仿真

综合上述设计方法,给出一个太赫兹透镜的设计结果,太赫兹透镜天线仿真模型如图10 所示。

图1 透镜阵列天线示意Fig.1 Schematic of lens array antenna

图10 太赫兹透镜天线仿真模型Fig.10 Model of THz lens antenna

太赫兹透镜外形选择方形,边长为118 mm,焦距为84.3 mm,透镜中心点的厚度达到最大,为17.8 mm。 外形为方形的透镜,可无缝布阵,空间面积利用率高。

由于太赫兹透镜天线电尺寸非常大,达到了86 个波长以上,已经无法采用现有的计算服务器完成全波仿真计算。 针对该问题,采用光学计算方法,将射线追踪和近远场变换结合,通过编程仿真了透镜天线增益和方向图[15]。

采用上述算法计算得到太赫兹透镜天线的辐射方向图如图11 所示,透镜天线单元辐射特性如表1所示,天线在210~230 GHz 带宽范围内的口面效率均超过60%。

图11 透镜天线的计算方向图Fig.11 Calculated radiation pattern of lens antenna

表1 透镜天线单元辐射特性Tab.1 Radiation properties of lens antenna element

3 太赫兹介质透镜天线的容差分析

太赫兹透镜天线工作频率高,对加工精度和装配精度要求高。 因此有必要对太赫兹透镜天线进行加工制造容差分析。

(1)材料介电常数

已知介质薄透镜的焦距计算如下:

式中,nL为陶瓷透镜的折射率;r1和r2为透镜前后表面的曲率半径。 由式(5)可知,介电常数的微小偏差,只会导致透镜焦距的微小变化。 因此在透镜天线实物装配阶段,微调透镜的馈电喇叭位置,即可弥补陶瓷材料介电常数偏差导致的透镜增益损失。

(2)表面精度

根据Ruze 公式,天线表面公差σ会导致天线效率下降[16],具体的估计如下[17]:

本文采用陶瓷研麿工艺加工的太赫兹透镜,其表面精度在0.02 mm 以下。 根据Ruze 公式计算可得,在220 GHz 导致的天线增益损失估算为0.15 dB。

(3)装配误差(馈源偏焦)

在天线装配容差方面,透镜天线的一个优势在于它对装配的公差要求较低。 透镜装配中的的轴线偏差和横向偏差要求,是低于同频段同口径反射面天线的。 通过仿真分析可知,馈源轴向偏焦±0.5 mm,增益损失最大为0.18 dB;馈源垂直于轴向偏焦±0.14 mm,增益损失最大为0.17 dB。

4 太赫兹透镜天线的实物加工与测试

在上述透镜天线电气设计、材料工艺设计和容差分析的基础上,加工了太赫兹透镜实物样机。 太赫兹馈源网络、太赫兹透镜和装配后的实物如图12 所示。

图12 实物Fig.12 Photographs

太赫兹馈源网络的2 个极化端口的实测驻波和隔离度如图13 所示。 实测驻波在1.3 以下,实测隔离度优于30 dB。

图13 太赫兹馈源网络2 个极化端口的实测驻波和隔离度Fig.13 Measured VSWR and isolation for the two ports of THz feeding network

太赫兹透镜的实测方向图如图14 所示,210,215,220 GHz 的测试增益和波束宽度如表2 所示。实测增益比仿真增益低约1.7 dB,这是由太赫兹透镜、太赫兹馈源和太赫兹OMT 的插损导致的;实测波束宽度与仿真值相互吻合;天线方向图形状良好,第一旁瓣优于-26 dB。

表2 透镜天线单元的增益和波束宽度Tab.2 Gain and beamwidth of lens antenna element

图14 太赫兹透镜天线的实测方向图Fig.14 Measured radiation patterns of the THz lens antenna

5 高增益太赫兹透镜天线组阵设计

由于透镜阵列天线属于大周期组阵,采用规则方形布阵时会出现很高的栅瓣。 图15 为上文设计的边长118 mm 透镜天线进行8×8 方形组阵后,在220 GHz 时的单元方向图、阵因子和阵列合成方向图,可知其栅瓣电平高达-8.38 dB。

图15 太赫兹透镜阵列天线的阵因子、单元和阵列方向图Fig.15 Array factor,element and array radiation pattern of THz lens array antenna

为了抑制栅瓣电平,设计了更适用于透镜天线组阵的环形非周期性组阵方式[18]。 由64 个单元组成的环形阵如图16 所示。

图16 太赫兹透镜环形布阵图Fig.16 Ring-shape array of THz lens

以栅瓣电平最低为目标,采用粒子群算法优化各个环形的旋转角度后,得到的阵因子和阵列合成方向图如图17 所示,其栅瓣电平为-13.69 dB,相比方形组阵有明显降低。

图17 太赫兹环形透镜阵列天线的阵因子、单元和阵列方向图Fig.17 Array factor,element and array radiation pattern of ring-shape THz lens array antenna

6 结束语

本文设计了一种宽带高增益的太赫兹介质透镜天线。 通过设计平凸外形的太赫兹透镜、透镜材料选用低损耗的氧化铝陶瓷、介质透镜前后表面采用石英氰酸酯复合材料作为阻抗匹配层,设计得到了高增益和高效率的太赫兹透镜天线。 进一步完成了太赫兹透镜实物加工和装配测试,天线实测结果与仿真结果相互吻合。 最后,研究了电大尺寸太赫兹透镜单元的布阵方式与阵列合成方法。 本文设计的太赫兹透镜阵列具有剖面低和结构紧凑的技术优点,能够用于太赫兹长距离通信等应用场景。