一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线制造技术

本发明专利技术属于毫米波/太赫兹相控阵天线技术领域，具体为一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，包括光信号产生单元、光时延单元、光混频单元和阵列天线。基于光电融合真时延原理，利用光延时单元对光信号产生单元提供的光载波信号分路延时，形成光延时网络，以对天线单元的时延控制，实现瞬时宽带信号的大角度扫描，提升信息传输速率。利用光电混频单元将光信号产生单元提供的第一光信号光延时后的光载波信号，进行混频转换为太赫兹电信号。基于等效介质原理，将电信号传输至介质棒天线，经介质棒天线将电磁波辐射出去。传输的过程中，通过传输线配合传输线两侧且紧邻传输线的介质基板上设置的周期性穿孔结构，降低传输损耗，提升工作效率。升工作效率。升工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线


[0001]本专利技术属于毫米波/太赫兹相控阵天线
，具体涉及一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，可广泛应用于超宽带太赫兹通信、雷达探测和成像等领域。

技术介绍

[0002]相较于微波、毫米波，太赫兹波具备更宽的传输频带，能够满足更高的数据传输速率和成像精度等应用需求，在超宽带通信、雷达等
有着很大的应用前景。由于太赫兹频段传输损耗大导致系统作用距离受限，可以采用相控阵天线提供足够高增益，实现波束对准与扫描跟踪。
[0003]现有的太赫兹相控阵天线采用电子学移相器实现天线辐射，具有结构简单、易于实现等优点，但是其工作时，受“孔径渡越”效应以及电子学延时器插损、调节范围和分辨率等条件限制，这类相控阵天线在具备高增益、大扫描角的同时，无法实现较宽的瞬时带宽，影响信息传输速率。其次，由于天线的传输线仍然采用微带线、同轴线或介质集成波导进行馈电，这几种传输线的导电损耗随工作频率上升而大幅度增加，到了太赫兹频段时，已使相控阵天线的工作效率降低，影响通信距离。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：提供一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，以提升太赫兹频段通信的距离以及信息传输速率。
[0005]一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，包括光信号产生单元、光时延单元、光混频单元和阵列天线；
[0006]所述光信号产生单元连接光时延单元和光混频单元，用于产生第一光信号和光载波信号，并将第一光信号发送给光混频单元，将光载波信号发送给光时延单元；
[0007]所述光时延单元连接光混频单元，用于对接收的光载波信号进行延时处理，生成光时延信号；
[0008]所述光混频单元连接阵列天线，用于对接收的光时延信号和第一光信号进行混频，生成工作频率下的电信号发送至阵列天线；
[0009]所述阵列天线包括介质基板、以及设置在介质基板上的天线单元，天线单元包括介质棒天线阵列、馈电结构以及用于连接介质棒天线和馈电结构；馈电结构位于介质棒天线阵列辐射方向
±
90
°
方向；传输线两侧的介质基板上设有周期性穿孔结构；周期性穿孔结构的紧邻传输线，并与传输线等长，其形状、走向均与传输线一致；周期性穿孔结构由多个贯穿介质基板的通孔组成，各通孔之间紧密排列，且任意相邻三个通孔的孔心连线构成一个正三角形。
[0010]进一步的，所述通孔为圆形孔和/或椭圆形孔。
[0011]进一步的，所述馈电结构和介质棒天线形状均为等腰三角形，它们的底边均位于介质基板上，顶角远离介质基板。
[0012]进一步的，所述介质基板为掺杂浓度小于10
12
cm
‑3,，电阻率高于10kΩ
·
cm的硅介质基板；这样的硅介质基板能够使电磁能量束缚周期性穿孔结构内，不易泄漏。进一步的，所述传输线为两个直线段和一个弧形线段组成的等效介质的波导，两个直线段之间通过一段凹弧或凸弧线连接，以提升阵列天线结构的紧密度。
[0013]进一步的，所述光信号产生单元包括第一激光器、第二激光器、调制器、第一分路器和第二分路器；第一激光器连接第一分路器的输入端，第二激光器连接调制器的第一输入端；调制器的第二输入接通信信号，输出连接第二分路器的输入端；第一分路器的N个输出端与光混频单元的N个输入端一一对应连接；第二分路器的N个输出端连接光时延单元。
[0014]所述光时延单元包括N条不同延时量的光延时线，每条光延时线的输入端各连接第二分类器的一个输出端，输出端连接光混频单元；
[0015]所述混频单元包括N组电信号产生单元，每组电信号产生单元的输入端各连接一条光时延线的输出端、输出端连接阵列天线的馈电结构。
[0016]更进一步的，所述N≥2。
[0017]本专利技术提供一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，基于光电融合真时延技术，利用光延时线对光载波信号分路延时，形成光延时网络，以实现天线单元的时延控制，提升提升太赫兹频段通信的信息传播速率。之后使用光电混频器将第一光信号进行混频变频为太赫兹电信号，基于等效介质原理，将电信号传输至介质棒天线，经介质棒天线将电磁波辐射出去。传输的过程中，通过传输线配合传输线两侧且紧邻传输线的介质基板上设置的周期性穿孔结构，降低传输损耗。
[0018]其中，基于等效介质的介质波导工作原理具体为：
[0019]当周期性穿孔结构的周期大小远小于工作波长时，周期穿孔结构形成均匀介质而非带隙介质。当周期穿孔结构的多个中，相邻三个通孔的孔心连线呈正三角形时，其相对介电常数能够由麦克斯韦
‑
加内特近似获得，且通孔尺寸远小于波长，因此，可以忽略波的衍射和散射，垂直于圆柱穿孔轴的电场和平行于圆柱穿孔轴的电场的相对介电常数为ε
x
和ε
y
。
[0020][0021]ε
y
＝ε
Si
+(ε0‑
ε
Si
)ζ
[0022]ε
z
＝ε
x
[0023]其中ε0为空气相对介电常数、ε
Si
为硅的相对介电常数、ζ表示硅介质板中空气填充系数，对于相邻三个通孔的孔心连线呈正三角形方式阵列，其填充系数可以由求得，d为通孔直径、a为正三角形周期长度。介质基板上间隔一定宽度的周期性穿孔结构与被两侧周期性穿孔结构所分隔出的介质共同构成介质波导传输线，两侧穿孔结构等效于波导壁，中间分隔出来的介质相当于波导的传输部分。在介质波导核心内部电磁波存在两个主要传输模式：电场平行于X轴方向的模和电场平行于Y轴的模。这两种模的传播常数远高于电磁波在空气中的传输常数，因此电磁波能被有效限制在介质波导中。
[0024]与现有技术相比，本专利技术实现了太赫兹频段瞬时大带宽波束指向控制和电磁波能量高效率辐射，大幅减少了电磁波能量在器件中的损耗。
附图说明
[0025]图1为本专利技术提供的超宽带光电融合相控阵天线系统示意图；
[0026]图2为本专利技术提供的基于等效介质的相控阵天线结构俯视示意图；
[0027]图3为本专利技术提供实施例1周期性穿孔结构俯视示意图；
[0028]图4为本专利技术提供实施例1反射系数随频率变化曲线图；
[0029]图5为本专利技术提供实施例1工作频率在110GHz时不同波束调控模式下增益随角度变化曲线图；
[0030]图6为本专利技术提供实施例1工作频率在125GHz时不同波束调控模式下增益随角度变化曲线图；
[0031]图7为本专利技术提供实施例1工作频率在110GHz时不同波束调控模式下增益随角度变化曲线图；
[0032]附图标记：
[0033]1、三角形介质棒天线阵列，2、传输线，3、馈电结构。
具体实施方式
[0034]下面结合附图，以工作频率为110～140GHz的超宽带光电融合相控阵天线为例对本专利技术的技术方案进行描述。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，包括光信号产生单元、光时延单元、光混频单元和阵列天线，其特征在于：所述光信号产生单元连接光时延单元和光混频单元，用于产生第一光信号和光载波信号，并将第一光信号发送给光混频单元，将光载波信号发送给光时延单元；所述光时延单元连接光混频单元，用于对接收的光载波信号进行延时处理，生成光时延信号；所述光混频单元连接阵列天线，用于对接收的光时延信号和第一光信号进行混频，生成工作频率下的电信号发送至阵列天线；所述阵列天线包括介质基板、以及设置在介质基板上的天线单元，天线单元包括介质棒天线阵列、馈电结构以及用于连接介质棒天线和馈电结构；馈电结构位于介质棒天线阵列辐射方向
±
90
°
方向；传输线两侧的介质基板上设有周期性穿孔结构；周期性穿孔结构的紧邻传输线，并与传输线等长，其形状、走向均与传输线一致；周期性穿孔结构由多个贯穿介质基板的通孔组成，各通孔之间紧密排列，且任意相邻三个通孔的孔心连线构成一个正三角形。2.根据权利要求1所述的一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，其特征在于：所述通孔为圆形孔和/或椭圆形孔。3.根据权利要求1所述的一种太赫兹超宽带光电融合相控阵天线，其特征在于：所述馈电结构和介质棒天线形状均为等腰三角形，它们的底边均位于介...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜昊，张健，胡霆轩，杨帆，陈飞良，李沫，张鲁明，刘洋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：