太赫茲高增益天線研究

李 勇，翟曉霞，張文靜

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.石家莊理工職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050228）

太赫茲高增益天線研究

李 勇1，翟曉霞2，張文靜1

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.石家莊理工職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050228）

針對太赫茲通信系統(tǒng)對高增益天線的需求，在分析太赫茲天線的各種實現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上提出采用反射面天線實現(xiàn)太赫茲高增益通信天線。討論了高精度反射面的加工方案，采用超精密切削和超精密磨削2種加工方式制造高精度反射面；研究了太赫茲天線高精度組裝及組裝精度評估方法，設(shè)計制造了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均方根誤差（r.m.s）優(yōu)于5μm的太赫茲高增益天線。測試結(jié)果表明，天線性能符合預(yù)期，所提出的高精度反射面加工方法和結(jié)構(gòu)精度評估方法合理可行。

高速率通信；太赫茲；超精密加工；碳化硅

0 引言

太赫茲輻射源、太赫茲調(diào)制器及濾波器等器件的發(fā)展，促進了太赫茲在通信領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。太赫茲電磁波是很好的寬帶信息載體，它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點，可以采用小口徑天線實現(xiàn)高傳輸速率、高能量效率，相對激光易于實現(xiàn)捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤［1，2］。近年隨著微電子、微機電、計算機和新材料等技術(shù)的飛速發(fā)展，小衛(wèi)星編隊飛行逐步成為各個航天大國的研究重點，太赫茲頻段在高帶寬、高速率星間通信上有著廣闊的應(yīng)用前景［3－6］。太赫茲天線作為通信鏈路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換器件，其發(fā)展尤其是高增益天線的發(fā)展直接影響了高傳輸速率、高傳輸容量的太赫茲通信系統(tǒng)的實現(xiàn)。太赫茲天線近年獲得了較大的發(fā)展［7－9］，但是應(yīng)用于太赫茲高增益通信天線未見有公開報道。

1 高增益天線的實現(xiàn)形式

按照太赫茲波的產(chǎn)生方式，太赫茲天線主要分為兩類：一類是基于飛秒激光產(chǎn)生太赫茲波的光電導(dǎo)天線，另外一類是基于傳統(tǒng)電子器件，由微波系統(tǒng)演變來的射頻天線。

目前，光電導(dǎo)天線被廣泛用于產(chǎn)生太赫茲波。常用光電導(dǎo)天線的基本形式有：偶極子天線、蝶形天線、對數(shù)螺旋天線、對數(shù)周期天線和喇叭天線等［8，9］。但是光電導(dǎo)天線增益較低，無法滿足大容量、高傳輸速率的需求。

基于微波理論的射頻天線是太赫茲天線的另一重要類型。而反射面天線容易通過擴大輻射口徑獲得更高增益，是高增益天線的首選。反射面天線應(yīng)用到太赫茲通信系統(tǒng)的研究未見公開報道，但是，在天文探測領(lǐng)域地面和星載探測器采用反射面天線可以獲得高的分辨率［10，11］。所以，使用反射面天線實現(xiàn)太赫茲高增益天線是合理可行。

由于太赫茲頻率高，波長短。采用反射面天線實現(xiàn)太赫茲應(yīng)用主要難點在于如何實現(xiàn)高精度反射面和小裝配誤差。

2 高精度反射面實現(xiàn)

反射面的表面誤差會引起天線輻射性能變壞，一般按照增益跌落衡量，采用Ruze公式表述，即天線效率將隨天線反射面精度的下降而下降，并遵循數(shù)學(xué)關(guān)系式：

式中，ηs為天線增益下降系數(shù)，G和G0分別為天線有表面誤差與無表面誤差時的增益，λ為工作波長，δ為表面半光程差的均方根值（r.m.s）。

為了保證天線實現(xiàn)良好的輻射性能，考慮到裝配誤差的影響，δ一般需優(yōu)于λ/100，λ為最高工作波長。按照現(xiàn)在太赫茲通信規(guī)劃的300 GHz的工作頻率核算表面半光程差的均方根值（r.m.s）應(yīng)控制在10μm以內(nèi)。隨著工作頻率的提高其要求會更高，其加工精度要求已超出傳統(tǒng)機加工精度的范疇，需要開展反射面精密加工技術(shù)的研究。

反射面天線可以分為正饋天線和偏饋天線，對應(yīng)的反射面形狀分為對稱和非對稱2類。文中分別對2種形狀反射面的加工工藝進行了研究。

對稱反射面采用鋁合金加工制造，加工方法為單晶金剛石刀具超精密切削。此方法采用數(shù)控微量切削獲得光滑而加工變質(zhì)層較少的表面，得到很高的加工精度和表面質(zhì)量。加工完成的反射面半光程差均方根誤差（r.m.s）控制優(yōu)于3μm。

非對稱反射面采用碳化硅加工制造，此材料具有各向同性、尺寸穩(wěn)定、抗輻照特性好、在空間輻照環(huán)境條件下反射鏡面形變化小、比剛度大和熱變形系數(shù)小的優(yōu)良特點，近年作為空間反射鏡的基材獲得了較好的應(yīng)用［12］。

反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的非對稱反射面采用銑磨加研磨的方法加工。加工中采用高精度數(shù)控銑床成型基準(zhǔn)面與支撐孔，后銑磨鏡面，最終采用不同粒度金剛石微粉將鏡面加工到所需表面粗糙度值與面型值，最后鏡體表面蒸鍍一層Al膜，提升反射性能。加工完成的反射面半光程差均方根誤差（r.m.s）控制優(yōu)于2.8μm。

3 組裝精度評估方法

天線具備良好輻射性能的基礎(chǔ)是部件性能優(yōu)良，饋源、反射面空間關(guān)系符合預(yù)定設(shè)計。工程中，由于饋源、副面、主反射等部件的相對安裝誤差會造成天線匹配變差，性能惡化，尤其是隨著工作頻率的提供這種影響會更大。所以孤立的評估反射面的型面精度無法全面的反映這一影響，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系下的組裝及誤差影響的評估體系，綜合考慮各項誤差的影響是必要的。從實踐看以饋源軸心為基準(zhǔn)的組裝評估體系是合適的。

由于天線的組裝是以饋源軸心為基準(zhǔn)，所以天線結(jié)構(gòu)的均方根偏差可以用饋源坐標(biāo)系下反射面的均方根偏差表述，一般由半光程差δ的均方根來衡量?？紤]到口徑場分布對偏差的影響，由半光程差δ計算的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均方根偏差由式（2）表示［13］：

式中，

其中，

式中，N為離散點總數(shù)。

型面誤差可以認為是均值為零按正態(tài)分布的隨機誤差，使用Ruze公式估算增益下降系數(shù)：式中，ηs為天線增益下降系數(shù)；G和G0分別為天線有表面誤差與無表面誤差時的增益；λ為工作波長；為表面誤差的均方根值（r.m.s）。

4 太赫茲高增益天線實現(xiàn)

設(shè)計了1套卡塞格倫雙反射面太赫茲天線和1套單偏置太赫茲天線，天線的有效口徑均為300 mm。卡式天線反射面采用單晶金剛石刀具超精密切削加工的金屬面，單偏置天線采用銑磨加研磨的方法加工反應(yīng)燒結(jié)碳化硅反射面，饋源采用精密機加工的光壁圓錐喇叭。

太赫茲天線組裝過程以饋源中心軸線及其口面為基準(zhǔn)，通過高精度三坐標(biāo)測量機采集反射面的三維坐標(biāo)值，利用Sa軟件進行空間建模，與理論模型進行比對獲得當(dāng)下的均方根誤差，如不滿足要求對微調(diào)機構(gòu)進行調(diào)整直至達標(biāo)。為了實現(xiàn)精密調(diào)整定位，兩套天線配置了精密調(diào)整平臺，定位精度達到0.5μm。組裝完成了太赫茲天線樣機如圖1所示，2部天線的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均方根誤差（r.m.s）均優(yōu)于5μm。

圖1 太赫茲天線樣機

對組裝完成的天線進行了測試，測試與仿真結(jié)果基本一致，圖2為單偏置天線在325 GHz的輻射方向圖。

圖2 325 GHz輻射方向圖

5 結(jié)束語

對太赫茲高增益天線的形式選擇，反射面高精度加工工藝、太赫茲天線高精度組裝及組裝誤差評估方法等進行了相關(guān)研究。提出采用反射面天線實現(xiàn)太赫茲高增益天線，采用超精密切削和超精密磨削2種加工方式制造高精度反射面；給出了太赫茲天線高精度組裝及組裝精度評估方法，并據(jù)此設(shè)計制造了2套太赫茲高增益天線。測試結(jié)果表明，天線性能符合預(yù)期。文中提出的高精度反射面加工方法和結(jié)構(gòu)精度評估方法合理有效，具有良好的可實現(xiàn)性。

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Study of Terahertz High Gain Antenna

LIYong1，ZHAIXiao－xia2，ZHANGWen－jing1
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.Shijiazhuang Institute of Technology，Shijiazhuang Hebei050228，China）

According to the demand on terahertz high gain antennas for inter－satellite link，based on the research on various realization forms of terahertz antennas，the reflector antenna is proposed to realize terahertz high gain antennas for inter－satellite link.The ultra－precision manufacturing techniques for dish are discussed，the ultra－precision cutting and ultra－precision grinding are adopted to manufacture the high－precision reflector.Precision assembling process ofantenna and themethod for evaluation of assembly accuracy are studied.The terahertz high gain antennas are designed and the rootmean square error of the structural system is less than 5μm.The experiment result proves the reasonability and feasibility of themethods for ultra－precision dishmanufacturing techniques aswell as for the assembly accuracy evaluation.

high rate communication；terahertz；ultra－precisionmanufacturing techniques；silicon carbide

TN82

A

1003－3114（2015）04－68－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.17

李 勇，翟曉霞，張文靜.太赫茲高增益天線研究［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（4）：68－70.

2015－04－08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA8124017A）和“十二五”民用航天預(yù)先研究資助項目

李勇（1978—）男，高級工程師，主要研究方向：微波及衛(wèi)星天線技術(shù)。翟曉霞（1978—）女，助教，主要研究方向：大學(xué)物理教育和新型功能材料。