北京理工大学刘埇和卢宏达团队：基于3D打印的表面波太赫兹金属龙勃透镜天线

时间：2023-03-22 09:48 来源：PuSL摩方高精密作者：admin 阅读：次

      金属梯度指数透镜天线是一种利用金属梯度指数透镜来实现波束形成的天线。它利用了金属梯度指数透镜的非均匀介电常数分布，通过控制透镜的形状和介电常数分布来实现对辐射波的控制和聚焦，由于其紧凑的结构和产生定向波束的灵活性，越来越多地被用作多波束网络。这些天线不需要电介质材料，并避免了相关的电介质损耗。然而，使用传统的全金属结构很难实现梯度折射率。基于人造介质概念或超材料理论的设计变化已经被提出。例如，由平行板波导（PPW）实现的龙勃透镜，具有渐变的间距由钉床或孔阵列组成的GRIN透镜和使用变换光学方法设计的龙勃透镜。
     表面波龙勃透镜（Surface Wave Luneburg Lens）是一种利用表面波引导的龙勃透镜，其结构类似于晶格波导，利用介质的折射率分布来控制表面波的传播，从而实现波束聚焦和成像。表面波龙勃透镜的特殊之处在于其能够引导表面波在球形介质中传播，从而实现波束形成和聚焦。与传统的龙勃透镜相比，表面波龙勃透镜具有更高的效率和更宽的工作带宽，具有高增益、高分辨率和低剖面等特性，适用于微波和毫米波频段的通信和雷达应用。
      近期，来自北京理工大学毫米波与太赫兹实验室的刘埇和卢宏达团队提出了一种使用3D打印技术制造的基于非均匀钉床的355GHz金属表面波龙勃透镜多波束天线。要满足太赫兹 /亚太赫兹复杂透镜结构几微米的严格公差要求，制造是一个关键挑战。三维打印以其自由成型的能力提供了更多的制造灵活性。最近，具有5-20微米标称尺寸公差的高精度3D打印技术已经在亚太赫兹无源器件上得到了证明。在这次课程设计中，实验团队创新性的首次将高精度3D打印技术应用于太赫兹天线的设计制造中，并使用镀金工艺优化天线表面，最后通过实验验证了天线的性能。
      图1中的天线实物是通过面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制造的。通过使用高精度3D打印机（nanoArch S140，摩方精密），用HTL树脂打印了透镜结构和馈电波导，如图1（a）所示。透镜天线的总尺寸为14mm×14mm×1.6mm。图中标注的尺寸测量结果表明了3D打印透镜天线具有较高加工精度，误差控制在±5μm以内。通过磁控溅射表面镀金技术，在3D打印透镜结构上涂覆500nm厚的金层，用以实现多波束天线的金属边界并提高电导率，如图1（b）所示。

图1 天线结构：（a）3D打印后，（b）镀金后。

通过实验验证了透镜天线的多波束辐射特性。首先由于波导的屏蔽效应，端口之间的相互作用并不会对每个通道的阻抗匹配和辐射性能有较大影响。如图3(b)所示，仿真中各端口之间的隔离度在整个频段内几乎都高于30dB。测试了从不同端口激发的辐射模式和反射系数。考虑到天线结构的对称性，只测量了端口1至5在350~360GHz的频段上的反射系数。并在图2(c)中给出。测试的反射系数都是低于-12.5 dB，符合实验要求。
如图3(a)所示，辐射图测试装置由旋转器、工作在WR2.2波段的发射喇叭和待测天线(AUT)组成。H面多束辐射图如图3(b)和(c)所示。测量光束的角度范围为-30°到+30°，足以覆盖主瓣和第一副瓣。图3(b)分别是在355 GHz端口1到5的共极化图和交叉极化图。可以看到多波束图与模拟结果吻合得很好，尤其是主瓣；15°和60°光束的副瓣水平略高于-10 dB；所有光束的交叉极化水平均在-20 dB以下，具有良好的线极化性能。用比较法测量了在355 GHz处的实现增益，得到0°、15°、30°、45°和60°光束的增益分别为17.3、17.1、16.7、16.4和16.1 dBi，多波束扫描损耗小于1.2 dB。图3(c)还测量了352和358 GHz低频和高频的共极化辐射图，具有相似的多波束特征。图3(d)实测的E面辐射图表明得到了扇形波束，E面最大辐射方向接近于0°。设计和测量结果之间的良好一致性证明了所提出的亚太赫兹金属多波束天线的可行性和高精度3D打印技术的能力。

图2 （a）天线夹具及AUT与UG-387法兰连接件照片；（b）仿真中端口之间的隔离度；（c）测量和仿真中端口1、2、3、4和5的反射系数。

图3 （a）AUT和测试装置的照片；（b）355 GHz测量和仿真中H面辐射方向图；

（c）在352和358 GHz测得的h面辐射图；（d）测量和仿真中E面辐射方向图。

原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10036101

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