CN116191041A - 太赫兹光子晶体慢波喇叭天线 - Google Patents

太赫兹光子晶体慢波喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，包括光子晶体喇叭天线，所述光子晶体喇叭天线的宽面上沿横向方向设置有若干不同路径的慢波结构；结合不同路径的慢波结构具有不同的降低相速能力，使得电磁波在到达所述光子晶体喇叭天线的喇叭口处时的相位接近一致，可以实现增益的提升。慢波结构包括至少两个金属柱，至少两个金属柱沿所述光子晶体喇叭天线的径向方向依次设置。不同慢波结构从中间处不断沿横向向外扩展且同时高度在不断依次减小。本发明将慢波结构、光子晶体与喇叭天线相结合，通过调整光子晶体慢波结构的尺寸，来有效的调节喇叭天线喇叭口处的电磁波相位，使得球面波尽可能变成平面波，实现增益的提升。

Description

太赫兹光子晶体慢波喇叭天线
技术领域
本发明涉及光子晶体、慢波结构及喇叭天线技术领域，具体涉及太赫兹光子晶体慢波喇叭天线。
背景技术
毫米波和太赫兹源具有宽带宽、高功率输出的特性，被广泛应用于卫星通信、高分辨率雷达、电子对抗等领域。天线是一种可以导行波转换为可以在自由空间中传输的电磁波的一种装置，作为接收信号和发射信号的一种装置，天线在任何的无线电设备中都占有着重要的地位。
在微波频段，常见的天线有微带天线、阵列天线、八木天线和喇叭天线等，但是，随着频率的提升，尤其是到了毫米波和太赫兹频段，由于微带天线的基板所导致的电磁波损耗变得越来越严重，与此同时，随着频段的升高，天线的尺寸也在不断的减小，而喇叭天线具有加工简单，性能优异等特点，常常被用作太赫兹频段单独的天线，或者是作为馈源天线来使用。
光子晶体是一种周期性的超材料结构，把单元按照周期性的排列，可以获得一些特殊的性质，光子晶体就具有光子禁带的特性，所谓的光子禁带就是指一定频率的电磁波不能通过光子晶体，其余频段内的电磁波可以通过光子晶体，这是一种频率选择性。而在太赫兹频段，使用光子晶体作为的波导已经证明比单纯的金属壁的波导具有更低的损耗，以及更好的传输特性。
慢波结构最早被用于行波管中，是降低电磁波相速的一种装置，通过降低电磁波的相速，使得电磁波的相速低于电子的速度，可以更好的实现电磁波与电子实现能量交换，实现信号的放大，因此，慢波结构具有通过调节路径来调控电磁波相位的作用。
随着科技的不断发展，天线的小型化是天线发展的趋势，但是，随着喇叭天线的口径面积减小，天线的增益降低是不可避免的事情，因此，如何在天线小型化的同时提升天线的增益是现在非常重要的一个问题。有人提出利用光子晶体代替喇叭天线的金属壁在保证天线小型化的同时，通过减小损耗进一步的提升太赫兹喇叭天线的性能。
在此基础上，进一步的研究如何提高天线的增益是亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，将慢波结构、光子晶体与喇叭天线相结合，通过调整光子晶体慢波结构的尺寸，来有效的调节喇叭天线喇叭口处的电磁波相位，使得球面波尽可能变成平面波，实现增益的提升；同时，使用光子晶体可以有效的减少在太赫兹波段时，金属产生的损耗问题。在光子晶体天线的基础上，进一步提高天线的增益。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供了太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，包括光子晶体喇叭天线，光子晶体喇叭天线的宽面上沿横向方向设置有若干不同路径的慢波结构；
结合不同路径的慢波结构具有不同的降低相速能力，使得电磁波在到达光子晶体喇叭天线的喇叭口处时的相位接近一致，可以实现增益的提升。
进一步地，慢波结构包括至少两个金属柱，至少两个金属柱沿光子晶体喇叭天线的径向方向依次设置。
进一步地，不同慢波结构从中间处不断沿横向向外扩展且同时高度在不断依次减小。
进一步地，不同慢波结构包括一组第一慢波结构、两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构，两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构均以第一慢波结构为对称轴形成轴对称；
第一慢波结构包括四个第一金属柱，第二慢波结构包括四个第二金属柱，第三慢波结构包括四个第三金属柱，第四慢波结构包括四个第四金属柱。
进一步地，第二金属柱的高度为第一金属柱的高度与预设固定高度之差；
第三金属柱的高度为第一金属柱的高度与2倍的预设固定高度之差；
第四金属柱的高度为第一金属柱的高度与3倍的预设固定高度之差。
进一步地，不同慢波结构中相邻金属柱之间的距离相等。
进一步地，光子晶体喇叭天线包括喇叭天线，喇叭天线包括上下两层金属板和两侧金属壁，金属壁采用多组光子晶体。
进一步地，光子晶体为圆柱形的二维光子晶体。
进一步地，光子晶体的高度与标准矩形波导窄边一致。
进一步地，相邻光子晶体之间的距离相等，且等于相邻金属柱之间的距离。
进一步地，慢波结构设于光子晶体喇叭天线的宽面上喇叭口处。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明将慢波结构、光子晶体与喇叭天线相结合，通过调整光子晶体慢波结构的尺寸，来有效的调节喇叭天线喇叭口处的电磁波相位，使得球面波尽可能变成平面波，实现增益的提升；同时，使用光子晶体可以有效的减少在太赫兹波段时，金属产生的损耗问题。在光子晶体天线的基础上，进一步提高天线的增益；在不增加喇叭天线原有的体积上来提升增益，有利于小型化的实现。
2、本发明利用CST仿真软件对本发明的光子晶体慢波喇叭天线进行仿真，得到回波损耗带宽和增益，并于传统的光子晶体天线的结果进行对比，在不改变光子晶体天线原本的尺寸的情况下，在加载了慢波结构之后，本发明的天线具有更为良好的回波损耗带宽，这也说明，天线的阻抗匹配效果更好，具有更宽的带宽；在工作带宽的范围内，加载了慢波结构的天线的增益要优于原本的天线增益，由此，可以说明太赫兹光子晶体慢波喇叭天线可以实现更大的增益。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为喇叭天线结构示意图；
图2为光子晶体喇叭天线结构示意图；
图3为本发明光子晶体慢波喇叭天线的整体结构示意图；
图4为本发明光子晶体慢波喇叭天线的横截面示意图；
图5为本发明光子晶体慢波喇叭天线的慢波结构示意图；
图6为本发明慢波结构相位变化随H高度的变化示意图；
图7为光子晶体天线和光子晶体慢波喇叭天线的电场对比图；
图8为三种天线结构增益随频率变化示意图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-金属板，2-光子晶体，3-慢波结构，31-第一金属柱，32-第二金属柱，33-第三金属柱，34-第四金属柱。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本发明设计了太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，将慢波结构、光子晶体与喇叭天线相结合，通过调整光子晶体慢波结构的尺寸，来有效的调节喇叭天线喇叭口处的电磁波相位，使得球面波尽可能变成平面波，实现增益的提升；同时，使用光子晶体可以有效的减少在太赫兹波段时，金属产生的损耗问题。在光子晶体天线的基础上，进一步提高天线的增益。
本发明的技术方案是：在H面光子晶体喇叭天线的宽面上，加载从中间处沿横向方向不断向外扩展，同时高度在不断减小的金属柱，同时，也要沿着光子晶体喇叭天线的径向方向布设至少两个金属柱，这样横向方向的金属柱用于调节电磁波的相位，径向方向就可以在喇叭口处形成不同路径的慢波结构，不同的慢波结构具有不同的降低相速的能力，这样可以使得电磁波在到达喇叭口处时的相位接近一致，可以实现增益的提升。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
传统的光子晶体喇叭天线只是利用光子晶体在太赫兹频段时的优势，可以有效的降低损耗，采用的是用光子晶体代替金属壁的思路，这种结构虽然可以有效的减少损耗，但是，因为减小损耗而提升的增益是有限的。本发明中的光子晶体慢波喇叭天线，相较于传统的光子晶体天线来说具有较为明显的性能优势和潜在的应用价值，通过慢波结构调控电磁波的相位，思路与采用类似于平板超材料来调控相位是一致的，采取这种方式还可以在不增加喇叭天线原有的体积上来提升增益，有利于小型化的实现。
本发明利用CST仿真软件对本发明的光子晶体慢波喇叭天线进行仿真，得到回波损耗带宽和增益，并于传统的光子晶体天线的结果进行对比，在不改变光子晶体天线原本的尺寸的情况下，在加载了慢波结构之后，本发明的天线具有更为良好的回波损耗带宽，这也说明，天线的阻抗匹配效果更好，具有更宽的带宽；在工作带宽的范围内，加载了慢波结构的天线的增益要优于原本的天线增益，由此，可以说明太赫兹光子晶体慢波喇叭天线可以实现更大的增益。
实施例1
如图3所示，本发明提供了太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，包括光子晶体喇叭天线，光子晶体喇叭天线的宽面上喇叭口处沿横向方向设置有若干不同路径的慢波结构3；
结合不同路径的慢波结构3具有不同的降低相速能力，使得电磁波在到达光子晶体喇叭天线的喇叭口处时的相位接近一致，可以实现增益提升。
作为进一步地实施，慢波结构3包括至少两个金属柱，至少两个金属柱沿光子晶体喇叭天线的径向方向依次设置。不同慢波结构3从中间处不断沿横向向外扩展且同时高度在不断依次减小。
作为进一步地实施，不同慢波结构3可以包括多组，如图4所示，不同慢波结构3包括一组第一慢波结构、两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构，两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构均以第一慢波结构为对称轴形成轴对称；
如图5所示，第一慢波结构包括四个第一金属柱31，第二慢波结构包括四个第二金属柱32，第三慢波结构包括四个第三金属柱33，第四慢波结构包括四个第四金属柱34。
作为进一步地实施，第二金属柱32的高度为第一金属柱31的高度与预设固定高度之差；
第三金属柱33的高度为第一金属柱31的高度与2倍的预设固定高度之差；
第四金属柱34的高度为第一金属柱31的高度与3倍的预设固定高度之差。
作为进一步地实施，不同慢波结构3中相邻金属柱之间的距离相等。
作为进一步地实施，光子晶体喇叭天线包括喇叭天线，喇叭天线包括上下两层金属板1和两侧金属壁，金属壁采用多组光子晶体2，光子晶体2为圆柱形的二维光子晶体。
作为进一步地实施，光子晶体2的高度与标准矩形波导窄边一致。
作为进一步地实施，相邻光子晶体2之间的距离相等，且等于相邻金属柱之间的距离。
具体实施如下：
相较于传统的金属喇叭天线相比，本发明通过用二维圆柱光子晶体代替金属壁来减小损耗，提高增益；再然后通过使用高度不同且对称的慢波结构加载在喇叭口处，在不增大天线的体积的同时，进一步的提升天线的增益。
图1是金属喇叭天线示意图。喇叭天线主要采取无氧金属铜制作而成，考虑到在G波段时，由于加工精度不高造成的金属表面粗糙度增加，表面粗糙度为1um。喇叭天线喇叭口大小时标准矩形波导WR3的尺寸。
图2是光子晶体喇叭天线。光子晶体喇叭天线的材质是无氧金属铜，表面粗糙度为1um。相比于图1，图2的光子晶体天线主要是用三层的圆柱形二维光子晶体代替金属壁，其余尺寸皆采用与金属喇叭天线相同的参数。
图3是本发明光子晶体慢波喇叭天线的整体结构图。图4中的金属板1是覆盖光子晶体天线的金属板，因为天线是H面喇叭天线，因此只有一面用光子晶体代替；光子晶体2的作用是代替金属壁，防止电磁波扩散，减小损耗；慢波结构3，用于调节电磁波相位。
图5中的慢波结构3包括一组第一慢波结构、两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构，两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构均以第一慢波结构为对称轴形成轴对称；以第一慢波结构为中心，依次往左为第二慢波结构、第三慢波结构和第四慢波结构；以第一慢波结构为中心，依次往右为第二慢波结构、第三慢波结构和第四慢波结构；第一慢波结构包括四个第一金属柱31，第二慢波结构包括四个第二金属柱32，第三慢波结构包括四个第三金属柱33，第四慢波结构包括四个第四金属柱34；当然每个慢波结构里最少要包括两个金属柱即可实现，本实施例选择每个慢波结构里包括四个金属柱，其中预设固定高度为0.03mm，那么第一金属柱31的高度为0.14mm，而喇叭天线的宽是0.54mm，第一金属柱31的尺寸要是过高，虽然在有效的提高天线的增益，但是，对极大的影响到天线的回波损耗，严重缩小天线的带宽；第二金属柱32的高度是0.11mm，第二金属柱32的高度是0.08mm，第四金属柱34的高度是0.05mm；这是因为喇叭口处的电磁场是球面波，因此，中间的相位比较大，四周的相位比较小，为了使得球面波转化为平面波，因此，需要四周的相位要高，中心的相位要少，根据图6显示的慢波结构的相位关系，可以确定金属柱越矮，相位就越大，但是需要注意的是不能补偿的过于大，这样就会产生中间相位低，四周相位高的现象，这样更加不利于天线的增益。图6中的横坐标为相位，纵坐标为频率。
同时，慢波结构虽然可以增强增益，但是，需要注意的是不能在喇叭口的全部位置加入，是因为在喇叭处全部加入光子晶体会导致天线的带宽受到影响，本发明选择的尺寸是在尽量保持天线的-10dB回波损耗带宽的基础上进行增加的。
图7是光子晶体天线和光子晶体慢波喇叭天线的电场对比图，图7中(a)为光子晶体天线的电场示意图，(b)为光子晶体慢波喇叭天线的电场示意图；由图7可以看出，首先，光子晶体可以有效的阻止禁带范围内的电磁波的扩散，因此，光子晶体是有效的。同时，原本的喇叭口电场为球面波，但是经过慢波结构之后，可以明显的看到，喇叭口处的电场逐渐趋于一致，因此，可以说明本发明的慢波结构是有效的。
图8是上述的三种天线结构的增益对比图，图8中的横坐标为频率，纵坐标为增益。
可以看出，光子晶体慢波喇叭天线相较于其他两种类型的天线，在频率范围160GHz-280GHz之间，光子晶体慢波喇叭天线具有更高的增益。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，包括光子晶体喇叭天线，所述光子晶体喇叭天线的宽面上沿横向方向设置有若干不同路径的慢波结构(3)；
结合不同路径的慢波结构(3)具有不同的降低相速能力，使得电磁波在到达所述光子晶体喇叭天线的喇叭口处时的相位一致，实现增益提升。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述慢波结构(3)包括至少两个金属柱，至少两个金属柱沿所述光子晶体喇叭天线的径向方向依次设置。
3.根据权利要求2所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，不同慢波结构(3)从中间处沿横向向外扩展且同时高度依次减小。
4.根据权利要求3所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，不同慢波结构(3)包括一组第一慢波结构、两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构，两组第二慢波结构、两组第三慢波结构和两组第四慢波结构均以第一慢波结构为对称轴形成轴对称；
所述第一慢波结构包括四个第一金属柱(31)，所述第二慢波结构包括四个第二金属柱(32)，所述第三慢波结构包括四个第三金属柱(33)，所述第四慢波结构包括四个第四金属柱(34)。
5.根据权利要求4所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述第二金属柱(32)的高度为第一金属柱(31)的高度与预设固定高度之差；
所述第三金属柱(33)的高度为第一金属柱(31)的高度与2倍的预设固定高度之差；
所述第四金属柱(34)的高度为第一金属柱(31)的高度与3倍的预设固定高度之差。
6.根据权利要求2所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，不同慢波结构(3)中相邻金属柱之间的距离相等。
7.根据权利要求1所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述光子晶体喇叭天线包括喇叭天线，所述喇叭天线包括上下两层金属板(1)和两侧金属壁，所述金属壁采用多组光子晶体(2)。
8.根据权利要求7所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述光子晶体(2)为圆柱形的二维光子晶体。
9.根据权利要求7所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述光子晶体(2)的高度与标准矩形波导窄边一致。
10.根据权利要求1所述的太赫兹光子晶体慢波喇叭天线，其特征在于，所述慢波结构(3)设于所述光子晶体喇叭天线的宽面上喇叭口处。
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