寬帶圓極化天線與太赫茲關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、隨著太赫茲源和探測技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，太赫茲頻段(0.1THz-10THz)近年來逐漸成為新的研究熱點。該頻段電磁波在材料檢測、生物醫(yī)療、安全檢查、成像等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。然而目前很多太赫茲頻段器件所用材料的介質(zhì)參數(shù)，尤其是損耗特性，仍然未知;同時該頻段無源器件的設(shè)計、加工、測試以及損耗分析均與微波毫米波頻段有很大差異。因此，研究太赫茲頻段的材料特性和無源器件的加工、設(shè)計有著非常重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　微波頻段相比太赫茲頻

2、段雖然頻率較低但發(fā)展更為成熟，其應(yīng)用范圍覆蓋通信、雷達(dá)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。天線作為微波頻段各領(lǐng)域的常用器件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可輻射線極化波、圓極化波或橢圓極化波。相比線極化波，圓極化波可有效減少多徑反射和其他干擾，簡化收發(fā)天線間的對準(zhǔn)，并具有更強(qiáng)的雨霧穿透能力;貼片天線則具有低剖面、重量輕、加工簡單、且便于安裝和集成等優(yōu)點。基于這些優(yōu)點，圓極化貼片天線廣泛應(yīng)用于無線通訊、衛(wèi)星通訊、導(dǎo)航和雷達(dá)等領(lǐng)域，但是其固有的窄帶特性限制了其應(yīng)用范圍。

3、因此，研究高性能的寬帶圓極化天線及陣列具有重要的理論及實用價值。
　　本文圍繞著太赫茲頻段材料特性、無源元件與寬帶圓極化微波天線兩個方向開展研究，主要工作如下:
　　第一章主要研究太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)及其在介質(zhì)參數(shù)測量方面的應(yīng)用。文中介紹了THz-TDS系統(tǒng)的工作原理，實現(xiàn)了具體的測試光路，測試和分析了環(huán)境中水分子的影響和多次測量的可重復(fù)性。基于透射測試方案，得出了介質(zhì)參數(shù)的提取公式，并據(jù)其提取了Rogers

4、 RT/Duroid5880、FR4_epoxy、高低阻硅及砷化鎵等不同材料在太赫茲頻段的介質(zhì)參數(shù)，并首次以損耗角正切的形式給出了各材料在太赫茲頻段的損耗。實驗結(jié)果表明高阻硅及砷化鎵因其極低的損耗適合在太赫茲頻段器件加工中作為襯底或基底使用;Rogers RT/Duroid5880板材則只適合應(yīng)用于太赫茲低頻段的簡單結(jié)構(gòu)加工;而低阻硅和FR4_epoxy板材則由于較高的損耗限制了其在太赫茲頻段器件加工上的應(yīng)用。本章部分研究成果已在國家中

5、文核心期刊微波學(xué)報和全國微波毫米波會議上發(fā)表。
　　第二章基于硅基微機(jī)械加工(MEMS)工藝，研究了太赫茲波導(dǎo)類器件的設(shè)計、加工、測試和損耗分析方法。文中對比了多種常用波導(dǎo)加工層次結(jié)構(gòu)，并給出了詳細(xì)的加工步驟。以MEMS直通波導(dǎo)為例，分析了太赫茲波導(dǎo)類器件的損耗來源并建立了完整的損耗分析模型。設(shè)計和實現(xiàn)了零點連續(xù)可調(diào)的橢圓腔體帶通濾波器和具有高選擇性的矩形腔體帶通濾波器，實驗結(jié)果與基于損耗模型擬合出的仿真結(jié)果一致。此外，還設(shè)計了太

6、赫茲頻率掃描天線，其方向圖掃面范圍超過±45。本章部分研究成果已在國際核心期刊IEEE Trans.on Terahertz Science and Technology上發(fā)表。
　　第三章基于精密機(jī)械加工工藝，研究了太赫茲波導(dǎo)類器件的加工、設(shè)計及測試。文中利用該工藝設(shè)計加工了直通波導(dǎo)和帶通濾波器，并通過實驗驗證了該工藝在太赫茲頻段進(jìn)行精密加工的可行性。基于該工藝，本章設(shè)計了金屬平面偏饋反射面天線，分析了天線尺寸與口徑效率和增益之

7、間的關(guān)系。并且，以此平面偏饋反射面天線為基礎(chǔ)，提出了兩種提高天線增益的結(jié)構(gòu)。第一種采用端接喇叭的方法，可使天線增益從20.8dBi提升至31.1dBi@300GHz;另一種采用金屬塊側(cè)壁開槽的方法，可使天線增益從21.3dBi提升至28.5dBi@310GHz。兩種結(jié)構(gòu)在增益提升上均取得很好的效果，且加工簡單，滿足在太赫茲頻段的應(yīng)用需求。本章部分研究成果已在國際會議IEEE IWS2015上發(fā)表，并投稿至國際核心期刊IEEE Anten

8、nas Wireless Propag.Lett。
　　第四章研究了具有寬帶軸比特性的圓極化貼片天線。針對影響圓極化天線軸比因素中的極化誤差，本章設(shè)計了可以改善交叉極化，提高軸比特性的圓極化貼片天線。該天線采用寬帶移相巴倫作為饋電網(wǎng)絡(luò)，能量通過饋電網(wǎng)絡(luò)經(jīng)金屬通孔和雙L型探針饋入貼片天線。通過在兩個L型探針之間加載矩形金屬貼片，可以有效降低該貼片天線的交叉極化，達(dá)到改善軸比的作用。測試結(jié)果表明，該天線軸比帶寬達(dá)到61.7％，實現(xiàn)了其

9、他文獻(xiàn)四饋電點才能達(dá)到的軸比帶寬。該天線性能優(yōu)異且設(shè)計優(yōu)化方法簡單。本章研究成果已在國際核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag.Lett上發(fā)表，并已申請國家發(fā)明專利和實用新型專利。
　　第五章研究了車載衛(wèi)星通信陣列天線。提出了一種雙層棱臺型天線陣列，該陣列天線可在1.98GHz-2.20GHz頻段內(nèi)滿足對上半空間超過9dBi的增益覆蓋。選用縫隙耦合天線作為圓極化子單元，兩耦合縫隙呈90°偏置放置，并引入