基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，尤其是一种基于高阶模馈电的太赫兹集成天线。


背景技术：

2.通信、雷达电子系统朝着更大数据传输速率、更高探测精度发展，为了满足性能发展需求，雷达通信频率必须朝着更高频段发展，已由微波发展到了毫米波太赫兹频段。随着应用频率提高，电磁波传导损耗增加，相应的器件加工难度和成本也急剧增加。在雷达通信具体应用系统中，为了实现更高精度探测或更远距离通信，常采用高增益天线。目前，应用于毫米波的高增益天线主要使用谐振腔馈电、空腔支撑、功分器e面耦合多层结构等技术，这些技术的缺点在于馈电网络复杂、传输路径长，这样会带来额外损耗，降低天线效率；而且多层或立体馈电激励结构使得高阶模激励不在同一平面，增加了天线复杂度，不利于应用在手机等对体积要求高的毫米波太赫兹频段应用领域。


技术实现要素：

3.针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于高阶模馈电的太赫兹集成天线，包括：
4.介质基板；所述介质基板的上表面设有金属层，所述介质基板的下表面设有金属地；
5.接地共面波导；所述接地共面波导从所述上表面的激励端口平行延伸至所述上表面内部；
6.第一激励缝隙和第二激励缝隙；所述第一激励缝隙与所述第二激励缝隙均与所述接地共面波导末端连接，所述第一激励缝隙与所述第二激励缝隙分别沿垂直于所述接地共面波导的方向延伸，所述第一激励缝隙的延伸方向与所述第二激励缝隙的延伸方向相反；
7.第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙；所述第一辐射缝隙与所述第二辐射缝隙关于所述接地共面波导的延伸方向轴对称，所述第三辐射缝隙与所述第四辐射缝隙关于所述接地共面波导的延伸方向轴对称；所述第一辐射缝隙与所述第三辐射缝隙关于所述第一激励缝隙的延伸方向轴对称，所述第二辐射缝隙与所述第四辐射缝隙关于所述第二激励缝隙的延伸方向轴对称；
8.第一金属墙、第二金属墙、第三金属墙和第四金属墙；所述第一金属墙半包围所述第一辐射缝隙，所述第二金属墙半包围所述第二辐射缝隙，所述第三金属墙半包围所述第三辐射缝隙，所述第四金属墙半包围所述第四辐射缝隙；
9.多个金属柱；各所述金属柱沿着所述接地共面波导、第一激励缝隙、第二激励缝隙、第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙、第四辐射缝隙、第一金属墙、第二金属墙、第三金属墙和第四金属墙所在区域的轮廓周期离散分布。
10.进一步地，所述接地共面波导、第一激励缝隙、第二激励缝隙、第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙均位于所述上表面。
11.进一步地，所述第一激励缝隙和第二激励缝隙的形状相同；所述第一激励缝隙中，与所述接地共面波导连接的部分的宽度小于所述第一激励缝隙中的其他部分；所述第二激励缝隙中，与所述接地共面波导连接的部分的宽度小于所述第二激励缝隙中的其他部分。
12.进一步地，所述第一辐射缝隙、第二辐射缝隙、第三辐射缝隙和第四辐射缝隙的形状均为相同的l字形；所述第一辐射缝隙的开口方向背离所述第一激励缝隙，所述第二辐射缝隙的开口方向背离所述第二激励缝隙，所述第三辐射缝隙的开口方向背离所述第三激励缝隙，所述第四辐射缝隙的开口方向背离所述第四激励缝隙。
13.进一步地，各所述金属柱的分布关于所述接地共面波导的延伸方向轴对称。
14.进一步地，所述第一金属墙、第二金属墙、第三金属墙和第四金属墙是由所述介质基板上的矩形孔注入铜浆形成。
15.进一步地，所述金属柱是由所述介质基板上的圆形孔注入铜浆形成。
16.进一步地，所述介质基板的型号为rogers rt/duroid 5880。
17.进一步地，所述基于高阶模馈电的太赫兹集成天线还包括：
18.地板；所述介质基板安装在所述地板上，所述介质基板的下表面朝向所述地板；
19.介质平板；
20.支撑柱；所述支撑柱的一端与所述地板连接，所述支撑柱的另一端与所述介质平板连接，使得所述地板、所述介质基板与所述介质平板相互平行。
21.进一步地，所述支撑柱为高度可调结构。
22.本发明的有益效果是：实施例中的基于高阶模馈电的太赫兹集成天线，通过使用接地共面波导分成两个缝隙分别激励两个平行的te
201
高阶模腔体，能够获得较高的增益。而且，实施例中的基于高阶模馈电的太赫兹集成天线是平面结构，可以使用pcb工艺制作，从而无需多层或立体馈电激励结构，复杂度低、容易加工且集成度高，有利于器件的紧凑化，适用于手机等对体积以及工作频率要求高的应用领域，可以适用于太赫兹通信。
附图说明
23.图1、图2、图3基本结构和图4改进的结构为实施例中基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的结构示意图；
24.图5为实施例中基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的工作原理图；
25.图6为介质平板与天线地板之间的距离与天线增益的关系示意图；
26.图7为介质平板的厚度与天线增益的关系示意图；
27.图8为介质平板的直径与天线增益的关系示意图；
28.图9是对实施例中基于高阶模馈电的太赫兹集成天线基本结构仿真所得的回波损耗及增益图；
29.图10是对实施例中基于高阶模馈电的太赫兹集成天线基本结构仿真所得的辐射方向图；
30.图11是对实施例中基于高阶模馈电的太赫兹集成天线改进的结构仿真所得的回波损耗及增益图。
具体实施方式
31.本实施例中，基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的结构如图1所示。本实施例中，基于高阶模馈电的太赫兹集成天线包括介质基板2、接地共面波导4、金属墙5、激励缝隙6、辐射缝隙7和金属柱8。具体地，参照图2，基于高阶模馈电的太赫兹集成天线包括介质基板2、接地共面波导4、第一激励缝隙601、第二激励缝隙602、第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703、第四辐射缝隙704、第一金属墙501、第二金属墙502、第三金属墙503、第四金属墙504和多个金属柱8。介质基板2是使用rogers rt/duroid 5880材料制造的。
32.参照图1，介质基板2的上表面1设有金属层，介质基板2的下表面3设有金属地。具体地，可以使用覆铜的方式在介质基板2的上表面1制作金属层，在介质基板2的下表面3制作金属地。
33.参照图2，接地共面波导4、第一激励缝隙601、第二激励缝隙602、第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704均位于上表面1。具体地，可以使用印刷电路技术在介质基板2的上表面1制作接地共面波导4，可以使用铜腐蚀的方式去除介质基板2的上表面1中的部分覆铜，从而使得缺失覆铜而裸露出介质基板2材料的部分形成第一激励缝隙601、第二激励缝隙602、第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704。
34.参照图2，接地共面波导4从上表面1的一边平行延伸至上表面1内部，接地共面波导位于上表面1的一边的那一端作为激励端口。第一激励缝隙601和第二激励缝隙602分别与接地共面波导4末端连接，第一激励缝隙601和第二激励缝隙602分别沿垂直于接地共面波导4的方向延伸，而且，第一激励缝隙601的延伸方向与第二激励缝隙602的延伸方向相反。具体地，第一激励缝隙601从接地共面波导4的末端出发，垂直于接地共面波导4向上表面1的外围方向延伸，而第二激励缝隙602从接地共面波导4的末端出发，沿着与第一激励缝隙601延伸方向的反方向，向上表面1的外围方向延伸。
35.参照图2，第一激励缝隙601和第二激励缝隙602的形状相同。以第一激励缝隙601为例，第一激励缝隙601的形状可以看成是由一个大尺寸矩形和一个小尺寸矩形组成，其中小尺寸矩形是第一激励缝隙601中与接地共面波导4连接的部分，大尺寸矩形是第一激励缝隙601中其余的部分，因此第一激励缝隙601是一个与接地共面波导4连接的部分的宽度小于其他部分的结构。同样地，第二激励缝隙602的形状也可以看成是由一个大尺寸矩形和一个小尺寸矩形组成，其中小尺寸矩形是第二激励缝隙602中与接地共面波导4连接的部分，大尺寸矩形是第二激励缝隙602中其余的部分。本实施例中，第一激励缝隙601和第二激励缝隙602中的大尺寸矩形的尺寸可以是0.715mm
×
0.162mm，小尺寸矩形的尺寸可以是0.33mm
×
0.135mm。
36.参照图2，以接地共面波导4的延伸方向为对称轴，第一辐射缝隙701与第二辐射缝隙702是轴对称关系，第三辐射缝隙703与第四辐射缝隙704是轴对称关系。以第一激励缝隙601的延伸方向为对称轴，第一辐射缝隙701与第三辐射缝隙703是轴对称关系；以第二激励缝隙602的延伸方向为对称轴，第二辐射缝隙702与第四辐射缝隙704是轴对称关系。
37.参照图2，第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704的形状均为相同的l字形。以第一辐射缝隙701为例，第一辐射缝隙701的形状可以看成
是由一个大尺寸矩形和一个小尺寸矩形组成，其中大尺寸矩形和小尺寸矩形分别作为l字形的一臂，从而长成一个直角开口，并且第一辐射缝隙701的开口方向背离第一激励缝隙601，第二辐射缝隙702的开口方向背离第二激励缝隙602，第三辐射缝隙703的开口方向背离第三激励缝隙，第四辐射缝隙704的开口方向背离第四激励缝隙。本实施例中，第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704中的大尺寸矩形的尺寸可以是0.67mm
×
0.23mm，小尺寸矩形的尺寸可以是0.33mm
×
0.135mm。
38.参照图2，第一金属墙501半包围第一辐射缝隙701，第二金属墙502半包围第二辐射缝隙702，第三金属墙503半包围第三辐射缝隙703，第四金属墙504半包围第四辐射缝隙704。参照图2和图3，接地共面波导4、第一激励缝隙601、第二激励缝隙602、第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703、第四辐射缝隙704、第一金属墙501、第二金属墙502、第三金属墙503和第四金属墙504的所在区域是一个对称的图形，各金属柱8沿着这个区域的轮廓离散分布。而且，以接地共面波导4的延伸方向为对称轴，各金属柱8的分布是轴对称关系。
39.本实施例中，第一金属墙501、第二金属墙502、第三金属墙503、第四金属墙504和各个金属柱8是由介质基板2上的金属化通孔注入铜浆形成的，其中第一金属墙501、第二金属墙502、第三金属墙503和第四金属墙504对应通孔的形状是矩形，金属柱8对应通孔的形状是圆形。
40.图1、图2和图3所示的基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的原理在于：第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704以及半包围它们的第一金属墙501、第二金属墙502、第三金属墙503和第四金属墙504组成一个2
×
2缝隙阵，形成两个平行的te
201
谐振腔；由接地共面波导4(gcpw)作为基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的天线接口，在接地共面波导4终端分成两个缝隙，即第一激励缝隙601和第二激励缝隙602，分别激励两个平行的te
201
高阶模腔体，能够获得较高的增益。而且，图1、图2和图3所示的天线是平面结构，可以使用pcb工艺制作，从而无需多层或立体馈电激励结构，复杂度低、容易加工且集成度高，有利于器件的紧凑化，适用于手机等对体积以及工作频率要求高的应用领域，可以适用于太赫兹通信。而且，使用l字形的第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704，可以修改两个面的辐射方向图，且可以减少第一辐射缝隙701与第二辐射缝隙702缝隙间的等效间距。
41.本实施例中，可以将图1、图2和图3所示的结构，也就是介质基板2连同介质基板2上的接地共面波导44、金属墙5、激励缝隙6、辐射缝隙7和金属柱8等结构称为基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的本体部分。参照图4，可以将介质基板2连同介质基板2上的接地共面波导44、金属墙5、激励缝隙6、辐射缝隙7和金属柱8等结构安装在地板901上，介质基板2的下表面3朝向地板901。在地板901上安装多根支撑柱903，支撑柱903的一端与地板901连接，支撑柱903的另一端与介质平板902连接，使得地板901、介质基板2与介质平板902相互平行。
42.图4所示的基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的原理如图5所示。图5是天线的本体部分发出或接收的电磁波在平板介质与地板901之间的电磁波传播示意图。当天线辐射(或者接收)电磁波，电磁波通过介质平板902时只会发生透射和反射现象，不会发生能量的汇集或扩散现象。从图5可知，电磁波在平板介质与地板901之间来回反射与透射，只要选择
适当的反射平板高度，使透射出去的电磁波实现同相叠加，从而形成f
‑
p(fabry
‑
perot)谐振器结构，可以获得更高的天线增益。图5所示的f
‑
p谐振器结构的谐振长度如下：
[0043][0044]
参照图6，通过改变介质平板902与天线地板901之间的距离h，增益会发生巨大变化，当h增大到一定程度时，增益基本不变。
[0045]
参照图7，并不是介质平板902透镜越厚或越薄增益提高越明显。只有选择介质平板902具有合适的厚度，才能最大程度度的提高增益。
[0046]
参照图8，改变圆形介质平板902的半径r，r增加到一定程度时天线增益最大，继续增加介质平板902尺寸，增益反而下降。
[0047]
本实施例中，可以使用高度可调结构作为支撑柱903。具体地，可以使用液压可伸缩的支撑结构作为支撑柱903，通过使用驱动装置904驱动液压泵，可以控制支撑柱903的长度，从而调整介质平板902与天线地板901之间的距离，使得图5所示的f
‑
p谐振器结构的谐振频率可调，能够适应不同的使用场合。具体地，驱动装置可以是驱动电机。
[0048]
本实施例中，设定第一激励缝隙601和第二激励缝隙602中的大尺寸矩形的尺寸为0.715mm
×
0.162mm，小尺寸矩形的尺寸为0.33mm
×
0.135mm，第一辐射缝隙701、第二辐射缝隙702、第三辐射缝隙703和第四辐射缝隙704中的大尺寸矩形的尺寸为0.67mm
×
0.23mm，小尺寸矩形的尺寸为0.33mm
×
0.135mm，接地共面波导4的金属宽度为0.117mm，接地共面波导4的金属间缝隙宽度为0.9mm，金属墙的宽度为0.12mm，金属柱8的直径为0.15mm，相邻两个金属柱8的间距为0.3mm，介质基板2的长宽为3.83mm*2.95mm。设定好上述尺寸后，对图1、图2或图3所示的基于高阶模馈电的太赫兹集成天线进行仿真，仿真结果如图9、图10和图11所示。
[0049]
图9是仿真所得的回波损耗及增益图，图10是210ghz进行仿真所得的辐射方向图，图11是仿真所得的回波损耗及增益图。参见图9、图10和图11，可知基于高阶模馈电的太赫兹集成天线的最高增益约为13.8dbi，具有24.4％的3db带宽(0.18thz
‑
0.23thz)，且s11小于
‑
10db。基于高阶模馈电的太赫兹集成天线在法线方向e面与h面具有良好的辐射特性，此外天线具有高增益、低前后比与低旁瓣等优良特性。
[0050]
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
[0051]
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意
图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
[0052]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术
‑
包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0053]
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0054]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
[0055]
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0056]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，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，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。