一种太赫兹宽带光电融合超表面收发天线

技术领域

本发明属于太赫兹天线技术领域，具体涉及一种适用于太赫兹通信系统的宽带光电融合超表面收发天线。

背景技术

随着无线通信对带宽需求的增加，通信载波频率逐渐向太赫兹频段扩展，太赫兹频段作为未来通信重要的应用频段，具备丰富的频谱资源，但仍存在电磁波空间传输损耗过大的特点。基于上述优劣，本发明拟采用超表面天线技术，基于超表面的波束调控天线可以使太赫兹频段天线具备更高的定向增益，实现高指向性辐射。

此外，在太赫兹频段，基于电调谐体制的超表面收发天线由于电调谐器件本身带宽有限，进而导致天线整体工作带宽较窄，不满足太赫兹频段大带宽的工作需求。而且传统的电调谐体制还存在能耗过大、工作效率较低等问题。为解决上述问题，亟需提供一种宽带高效的设计方式来实现太赫兹频段的宽带收发天线应用。本发明所提出的基于机械扫描体制的馈源移动设计可以满足太赫兹频段的宽带收发天线设计需求。

同时，在信号发生体制方面，本发明采用不同于传统的电子学信号发生方式，采用光子学理论，该信号以拍频方式产生，可以实现瞬时宽带信号的生成，通过对宽带光信号进行放大、混频等操作，可以获得稳定宽带电信号，并将其加载至太赫兹宽带超表面收发天线端。采用本发明所述的太赫兹宽带光电融合超表面收发天线是一种重要的技术手段，在新一代的太赫兹卫星通信、移动通信、雷达探测与成像等领域具有广泛应用价值。

发明内容

为了解决传统电调谐体制超表面天线存在的工作带宽较窄、效率不高等问题，本发明采用了机械移动馈源的方式来实现超表面天线的波束扫描。超表面天线的主波束增益方向由移动的馈源来决定，该方式可以有效地减少波束扫描内的增益滚落，提高收发天线的宽带工作能力。同时由于不存在其他电调谐器件的功耗，可以提高本发明实施例的工作效率。本发明的目的在于提供一种太赫兹宽带光电融合超表面收发天线，针对背景技术存在的缺陷，旨在解决当前太赫兹通信系统所存在的收发天线工作带宽有限的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种太赫兹宽带光电融合超表面收发天线，该天线包括两个激光器、光锁相环、耦合器、光放大器、光混频器、超表面阵列天线；两个激光器、光锁相环、耦合器、光放大器、光混频器，两路激光器产生两个频率不同的光学信号，两路激光器输出的光学信号注入光锁相环，再依次通过耦合器、光放大器、光混频器，光混频器输出电信号给超表面阵列天线，为超表面阵列天线提供宽带信号激励；

所述超表面阵列天线由阵列设置的多个超表面单元组成，每个超表面单元自上而下分别是：上层贴片、Rogers4350B介质板1、金属中间层、Rogers4450F介质板、Rogers4350B介质板2、底层贴片；

所述上层贴片和底层贴片为金属，底层贴片为等边三角形结构，上层贴片为带开口的等边三角形结构，底层贴片和上层贴片的等边三角形结构边长都为0.71mm；上层等边三角形的底边一侧设置开口，底边开口后一侧边长为0.13mm，另一侧边长为0.41mm，开口深度为0.17mm；该等边三角形的底边相对开口的另一侧的底角内设置金属通孔相，该金属通孔用于连接上层贴片和底层贴片，金属通孔直径为0.2mm；

Rogers4350B介质板1、金属中间层、Rogers4450F介质板、Rogers4350B介质板2，均为边长为p的正方形结构，边长p为1.04mm；对应厚度分别为：0.762mm，0.018mm，0.1mm，0.762mm；其中Rogers4350B介质板的相对介电常数为3.66，对应损耗正切角为0.0037；Rogers4450F介质板的相对介电常数为3.7，对应损耗正切角为0.004；

所述底层贴片的金属通孔所在底角的对面与Rogers4350B介质板的一边平行；所述上层贴片的位置为：在底层贴片的对应位置基础上以金属通孔为旋转中心进行了旋转，但上层贴片不接触超表面单元的边界。

进一步的，超表面阵列天线还额外包括一个喇叭馈源，该喇叭馈源为圆极化喇叭馈源或者线极化喇叭馈源。

本发明的有益效果为：

1、本发明针对基于太赫兹频段的超表面天线工作带宽较窄、效率较低等问题，提出了太赫兹宽带光电融合超表面收发天线。首次利用激光器提供的瞬时宽带信号实现了宽带电信号的生成，进而为后续的超表面天线提供稳定的宽带电信号输出。

2、本发明通过馈源位置的空间移动实现主波束的角度扫描，可随时结合实际需求进行位置调整，具备很高的灵活性，同时保证了宽带工作性能。

3、本发明提供的一种宽带多极化透射单元，结合了多层堆叠结构的超表面设计，实现了多层之间电容电感的串联，提升了单元的工作带宽，更好地利用了太赫兹频段丰富的频谱资源。整体设计简单，结构紧凑，降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太赫兹宽带光电融合超表面收发天线原理框图；

图2是本发明实施例提供的基于馈源位置调整的超表面圆锥扫描原理示意图；

图3是本发明实施例提供的3-bit编码超表面单元结构及幅相特性曲线；

图4是本发明实施例提供的40×40元超表面天线仿真及测试结果；

图5是本发明实施例提供的40×40元超表面天线在100GHz、120GHz、140GHz频率下的E面波束扫描测试结果图。

具体实施方式

图1为基于太赫兹宽带光电融合超表面收发天线原理框图，主要由两个激光器、光锁相环、耦合器、光放大器、光混频器、超表面阵列天线组成。两路激光器产生两个频率不同的光学信号，两路激光器输出的光学信号注入光锁相环，在光纤中进行耦合，实现恒定的信号频率差。随后输出光信号、光放大器、光混频器，最终实现瞬时宽带光信号到宽带电信号的转化，为后续的太赫兹宽带超表面收发天线提供稳定的宽带信号激励。图1为本发明所提供的太赫兹宽带光电融合超表面收发天线原理框图。本实施例采用光子学拍频方式产生太赫兹载波，使用两个独立激光源，利用光锁相技术对两束独立激光进行相干处理。每一路光信号经光功率放大后进入光电混频器，实现光电信号的转换，之后通过超表面天线阵列实现向自由空间的定向辐射。

如图2所示，提供了本发明基于馈源位置调整的超表面圆锥扫描原理示意图，传统透射阵列天线的单元的空间补偿相位计算由下式可得：

k

为获得更大的主波束偏转角度

上述两式相减得：

即给定初始馈源位置、初始主波束指向、修正主波束指向后，馈源的位置R

如图3所示，为本发明实施例提供的3-bit编码超表面单元结构及幅相特性曲线，超表面阵面周期排列40×40元超表面单元，以法向增益最大为约束条件进行阵面设计，使用增益为20dBi的角锥喇叭进行激励，馈源的相位中心到阵面几何中心距离与阵面最大孔径的比值F/D为1。通过将超表面单元上层贴片旋转至不同角度，可以获得对应的3bit单元。3bit编码超表面单元的传输幅度均大于-3dB，3bit编码超表面单元的传输相位在100GHz-140GHz范围内覆盖360°。基于本发明所示超表面单元设计的透射阵列天线均可采用传统PCB工艺进行加工。

本实施例所提供的整体测试结构如图4所示，包括透射阵列、以及位于透射阵列上方的喇叭馈源，所述透射阵列由m*n个上述透射单元阵列排列得到，本实施例中m＝n＝40。喇叭馈源采用矩形喇叭，设置于透射阵列上方，并可以进行移动，以透射阵列的中心为原点，喇叭馈源坐标初始位置为(0，0，30.9mm)，口径面尺寸为21.86mm*21.86mm。已经对40×40元的超表面天线进行了仿真及测试，如图4所示，图中对40×40元超表面天线阵列进行了Matlab仿真结果、全波软件仿真结果和加工测试结果的对比，三者的增益趋势基本吻合。天线阵面增益达到33dBi,3-dB带宽覆盖110GHz～140GHz，以此推算，采用80×80元阵面可以满足增益大于35dBi。

图5是本发明实施例提供的40×40元超表面天线在100GHz、120GHz、140GHz频率下的E面波束扫描测试结果图，通过对馈源位置的调整，改变入射波方向，可以得到比较明显波束扫描效果，100GHz下，对应波束扫描范围0°-60°，120GHz下，对应波束扫描范围0°-50°，140GHz下，对应波束扫描范围0°-40°。

以上所述仅为本发明的较优实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。