张旭东，钟剑锋，徐晓非

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

太赫兹天线结构设计

张旭东，钟剑锋，徐晓非

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

太赫兹天线工作频率高(100 GHz ～10 THz)，加工、装配精度要求严苛，合理有效的天线结构设计是太赫兹天线工程化亟待解决的技术难题之一。文中研制了一套工作在0.33 THz的太赫兹天线，详细阐述了天线结构、各组成结构材料和互联以及天线装配，并根据使用环境，对天线结构进行了仿真和电性能测试。结果表明，整套天线满足刚强度等各项指标要求，也验证了该天线结构设计的合理性和有效性。

太赫兹；天线；结构设计

引 言

太赫兹(Terahertz, THz)波通常是指频率为100 GHz ～ 10 THz(波长为3 mm ～ 30 μm)的电磁波。由于波长远小于通常的微波和毫米波，太赫兹具有低能性、高穿透性、指纹谱性、宽带性、瞬态性和相干性等性质。目前太赫兹技术已应用在雷达、通信、生物医学等领域[1-4]。国外的标志性成果有美国的0.225 THz机载雷达、欧洲的太赫兹远距离检测系统、日本的1.5 km太赫兹无线通信演示系统。我国太赫兹研究起步较晚，尚处于理论研究阶段[5]。

由于太赫兹天线工作频率高，其加工、装配精度要求严苛，合理、有效的天线结构设计是太赫兹天线工程化亟待解决的技术难题之一。

1 太赫兹天线结构设计

本文设计了一套工作在0.33 THz的反射面天线。太赫兹天线分为馈源、主反射面、副反射面3个部分，其分布如图1所示。

图1 太赫兹天线分布图

1.1 天线组成

该天线总重240g, 由主反射面、馈源、副反射面、支柱等组成，见表1和图2。

表1 天线组成

图2 天线组成示意图

1.2 天线详细结构

由于主反射面、副反射面以及馈源加工和装配精度较高(加工精度要求和装配精度要求皆为±0.015 mm；馈源、副反射面角度方向旋转精度为±0.5°)，在天线结构设计过程中需考虑材料、强度、结构互联和可实现等因素。同时，由于支柱在主反射面前方，为了不影响电性能，需考虑支柱的截面大小及数量。

1.2.1 主反射面

主反射面(见图3)采用低膨胀铝硅合金材料，机加工后镀镍、金。主反射面上有与支柱连接的接口(3个M2.5螺纹孔，呈120°分布)，中间为馈源过孔和定位台阶，后端有整个天线固定接口(3个M4螺纹孔，呈120°分布)。

图3 主反射面

1.2.2 馈源

馈源(见图4)由馈源1、馈源2和罩3部分组成。馈源1和馈源2采用低膨胀铁镍合金(其中波导尺寸公差为±0.01 mm)，机加工后镀镍、金，通过过盈配合连接。待整个馈源与主反射面连接后，罩带环氧胶固定在馈源上。

图4 馈源

1.2.3 副反射面

副反射面(见图5)采用低膨胀铝硅合金材料，机加工后镀镍、金。副反射面上有与支柱连接的接口(M2螺纹孔、定位销孔，在3个120°分布面上)。

图5 副反射面

1.2.4 天线装配

整个天线装配过程如下：

1)馈源通过过盈配合并带胶与主反射面安装；

2)馈源处安装罩；

3)副反射面带销钉后与支柱用螺钉固定；

4)支柱与主反射面固定；

5)馈源后端安装定位销。

由于该频段天线精度较高，在装配过程中需定位工装、定位校准以保证精度要求，其实物如图6所示。

图6 实物图

2 结构仿真分析

根据需求，仅考虑静力条件下天线的强度和刚度。天线结构仿真分析采用ANSYS12.0软件，选用的单位为位移：mm；质量：kg；时间：s；模量：kPa。根据该单位制，计算得到的应力单位为kPa。材料参数见表2。

表2 材料参数

在模型简化中，将副反射面天线作为质量元，忽略馈源中的波导腔以及馈源在主反射面的后端部分，即法兰固定端的强度和刚度贡献。划分网格时，使用实体单元划分主反射面，使用梁单元划分支柱和馈源。在主反射面上3处固定点上加固定边界条件。有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型

根据实际装配，在Z方向(竖直向上)1g加速度下，最大变形为0.185×10-3mm，最大应力为81.71 kPa；在Z方向3g加速度下，最大变形为0.556×10-3mm，最大应力为245.12 kPa；在X方向(从馈源指向副反射面)3g加速度下，最大变形为0.146×10-3mm，最大应力为87.91 kPa；在Y方向(右手系确定Y方向)3g加速度下，最大变形为0.490×10-3mm，最大应力为245.12 kPa。各工况下的变形和应力图如图8～图15所示。

图8 Z方向1g加速度下的变形图

图9 Z方向1g加速度下的应力图

图10 Z方向3g加速度下的变形图

图11 Z方向3g加速度下的应力图

图12 X方向3g加速度下的变形图

图13 X方向3g加速度下的应力图

图14 Y方向3g加速度下的变形图

图15 Y方向3g加速度下的应力图

各工况下的最大变形均远小于材料的许用变形，也远小于0.015 mm，最大应力均远小于材料的许用应力。因此，整套天线满足强度和刚度要求。

3 电性能测试结果

对天线进行了电性能测试，测试结果表明该天线满足各项指标要求：定向性高于50 dB，副瓣约20 dB，隔离度高于40 dB，驻波小于2(见图16～图18)。验证了天线具有高定向、低副瓣、高隔离度等特性。

图16 330 GHz主极化远场方向图

图17 天线驻波

图18 天线隔离度

4 结束语

本文研制了一套工作在0.33 THz的太赫兹天线，详细阐述了天线各组成结构, 对天线结构进行了仿真，仿真结果表明整套天线结构满足刚强度要求。最后，对天线进行了电性能测试，测试结果表明该套天线满足用户的各项指标要求，也表明了所研制的太赫兹天线结构的合理性和有效性。

[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] 邓贤进. 0.14 THz超高速无线通信系统实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(6): 1130-1132.

[5] 张环武. 我国太赫兹基础研究[J]. 中国基础科学, 2008 (1): 15-19.

张旭东(1983-)，男，博士，主要从事天线结构设计工作。

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