太赫茲天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張旭東，鐘劍鋒，徐曉非

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

太赫茲天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張旭東，鐘劍鋒，徐曉非

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

太赫茲天線工作頻率高(100 GHz ～10 THz)，加工、裝配精度要求嚴(yán)苛，合理有效的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是太赫茲天線工程化亟待解決的技術(shù)難題之一。文中研制了一套工作在0.33 THz的太赫茲天線，詳細(xì)闡述了天線結(jié)構(gòu)、各組成結(jié)構(gòu)材料和互聯(lián)以及天線裝配，并根據(jù)使用環(huán)境，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和電性能測(cè)試。結(jié)果表明，整套天線滿足剛強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)要求，也驗(yàn)證了該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

太赫茲；天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波通常是指頻率為100 GHz ～ 10 THz(波長(zhǎng)為3 mm ～ 30 μm)的電磁波。由于波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于通常的微波和毫米波，太赫茲具有低能性、高穿透性、指紋譜性、寬帶性、瞬態(tài)性和相干性等性質(zhì)。目前太赫茲技術(shù)已應(yīng)用在雷達(dá)、通信、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-4]。國(guó)外的標(biāo)志性成果有美國(guó)的0.225 THz機(jī)載雷達(dá)、歐洲的太赫茲遠(yuǎn)距離檢測(cè)系統(tǒng)、日本的1.5 km太赫茲無(wú)線通信演示系統(tǒng)。我國(guó)太赫茲研究起步較晚，尚處于理論研究階段[5]。

由于太赫茲天線工作頻率高，其加工、裝配精度要求嚴(yán)苛，合理、有效的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是太赫茲天線工程化亟待解決的技術(shù)難題之一。

1 太赫茲天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一套工作在0.33 THz的反射面天線。太赫茲天線分為饋源、主反射面、副反射面3個(gè)部分，其分布如圖1所示。

圖1 太赫茲天線分布圖

1.1 天線組成

該天線總重240g, 由主反射面、饋源、副反射面、支柱等組成，見表1和圖2。

表1 天線組成

圖2 天線組成示意圖

1.2 天線詳細(xì)結(jié)構(gòu)

由于主反射面、副反射面以及饋源加工和裝配精度較高(加工精度要求和裝配精度要求皆為±0.015 mm；饋源、副反射面角度方向旋轉(zhuǎn)精度為±0.5°)，在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需考慮材料、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)互聯(lián)和可實(shí)現(xiàn)等因素。同時(shí)，由于支柱在主反射面前方，為了不影響電性能，需考慮支柱的截面大小及數(shù)量。

1.2.1 主反射面

主反射面(見圖3)采用低膨脹鋁硅合金材料，機(jī)加工后鍍鎳、金。主反射面上有與支柱連接的接口(3個(gè)M2.5螺紋孔，呈120°分布)，中間為饋源過孔和定位臺(tái)階，后端有整個(gè)天線固定接口(3個(gè)M4螺紋孔，呈120°分布)。

圖3 主反射面

1.2.2 饋源

饋源(見圖4)由饋源1、饋源2和罩3部分組成。饋源1和饋源2采用低膨脹鐵鎳合金(其中波導(dǎo)尺寸公差為±0.01 mm)，機(jī)加工后鍍鎳、金，通過過盈配合連接。待整個(gè)饋源與主反射面連接后，罩帶環(huán)氧膠固定在饋源上。

圖4 饋源

1.2.3 副反射面

副反射面(見圖5)采用低膨脹鋁硅合金材料，機(jī)加工后鍍鎳、金。副反射面上有與支柱連接的接口(M2螺紋孔、定位銷孔，在3個(gè)120°分布面上)。

圖5 副反射面

1.2.4 天線裝配

整個(gè)天線裝配過程如下：

1)饋源通過過盈配合并帶膠與主反射面安裝；

2)饋源處安裝罩；

3)副反射面帶銷釘后與支柱用螺釘固定；

4)支柱與主反射面固定；

5)饋源后端安裝定位銷。

由于該頻段天線精度較高，在裝配過程中需定位工裝、定位校準(zhǔn)以保證精度要求，其實(shí)物如圖6所示。

圖6 實(shí)物圖

2 結(jié)構(gòu)仿真分析

根據(jù)需求，僅考慮靜力條件下天線的強(qiáng)度和剛度。天線結(jié)構(gòu)仿真分析采用ANSYS12.0軟件，選用的單位為位移：mm；質(zhì)量：kg；時(shí)間：s；模量：kPa。根據(jù)該單位制，計(jì)算得到的應(yīng)力單位為kPa。材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

在模型簡(jiǎn)化中，將副反射面天線作為質(zhì)量元，忽略饋源中的波導(dǎo)腔以及饋源在主反射面的后端部分，即法蘭固定端的強(qiáng)度和剛度貢獻(xiàn)。劃分網(wǎng)格時(shí)，使用實(shí)體單元?jiǎng)澐种鞣瓷涿?，使用梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐种е宛佋?。在主反射面?處固定點(diǎn)上加固定邊界條件。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型

根據(jù)實(shí)際裝配，在Z方向(豎直向上)1g加速度下，最大變形為0.185×10-3mm，最大應(yīng)力為81.71 kPa；在Z方向3g加速度下，最大變形為0.556×10-3mm，最大應(yīng)力為245.12 kPa；在X方向(從饋源指向副反射面)3g加速度下，最大變形為0.146×10-3mm，最大應(yīng)力為87.91 kPa；在Y方向(右手系確定Y方向)3g加速度下，最大變形為0.490×10-3mm，最大應(yīng)力為245.12 kPa。各工況下的變形和應(yīng)力圖如圖8～圖15所示。

圖8 Z方向1g加速度下的變形圖

圖9 Z方向1g加速度下的應(yīng)力圖

圖10 Z方向3g加速度下的變形圖

圖11 Z方向3g加速度下的應(yīng)力圖

圖12 X方向3g加速度下的變形圖

圖13 X方向3g加速度下的應(yīng)力圖

圖14 Y方向3g加速度下的變形圖

圖15 Y方向3g加速度下的應(yīng)力圖

各工況下的最大變形均遠(yuǎn)小于材料的許用變形，也遠(yuǎn)小于0.015 mm，最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。因此，整套天線滿足強(qiáng)度和剛度要求。

3 電性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)天線進(jìn)行了電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該天線滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求：定向性高于50 dB，副瓣約20 dB，隔離度高于40 dB，駐波小于2(見圖16～圖18)。驗(yàn)證了天線具有高定向、低副瓣、高隔離度等特性。

圖16 330 GHz主極化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

圖17 天線駐波

圖18 天線隔離度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一套工作在0.33 THz的太赫茲天線，詳細(xì)闡述了天線各組成結(jié)構(gòu), 對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明整套天線結(jié)構(gòu)滿足剛強(qiáng)度要求。最后，對(duì)天線進(jìn)行了電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該套天線滿足用戶的各項(xiàng)指標(biāo)要求，也表明了所研制的太赫茲天線結(jié)構(gòu)的合理性和有效性。

[1] COOPER K B. A high-resolution imaging radar at 580 GHz[J]. IEEE Transactions on Microwave Wireless Components Letters, 2008, 18(1): 64-66.

[2] COOPER K B. THz imaging radar for standoff personnel screening[J]. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2011, 1(1): 169-182.

[3] DYADYUK V. A multigigabit millimeter-wave communication system with improved spectral efficiency[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007, 55(12): 2813-2821.

[4] 鄧賢進(jìn). 0.14 THz超高速無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2011, 23(6): 1130-1132.

[5] 張環(huán)武. 我國(guó)太赫茲基礎(chǔ)研究[J]. 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué), 2008 (1): 15-19.

張旭東(1983-)，男，博士，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of a Terahertz Antenna

ZHANG Xu-dong，ZHONG Jian-feng，XU Xiao-fei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Because of high work frequency (from 100 GHz to 10 THz) and rigid manufacture and assembly requirement of terahertz antenna, reasonable and effective structure design of terahertz antenna is an urgent problem to solve in terahertz antenna engineering. In this paper a terahertz antenna working on 0.33 THz is developed. The structure, material, interconnection and assembly of the antenna are described in detail. The structure simulation and electrical performance test are carried out according to the actual operation environment. The results show that all requirements are satisfied including the stiffness and strength requirement, which verifies the reasonability and effectiveness of the antenna structure design.

terahertz; antenna; structure design

2014-04-30

TN82

A

1008-5300(2014)04-0034-04