基于3D打印的表面波太赫茲金屬龍勃透鏡天線(xiàn)

更新時(shí)間：2023-03-27

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太赫茲/亞太赫茲頻段的復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)加工精度和公差要求很高，一般在幾微米以?xún)?nèi)，因此如何實(shí)現(xiàn)太赫茲/亞太赫茲頻段的天線(xiàn)加工是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。3D打印技術(shù)以其自由成型的能力為復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)的加工提供了更多的制造靈活性。近年來(lái)，針對(duì)亞太赫茲無(wú)源器件的3D打印技術(shù)已經(jīng)得到了實(shí)現(xiàn)，其加工精度可達(dá)5?20 μm，但對(duì)于太赫茲頻段多波束天線(xiàn)的加工制造尚無(wú)報(bào)道。

近期，來(lái)自北京理工大學(xué)毫米波與太赫茲技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉埇和盧宏達(dá)研究小組提出了一種太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線(xiàn)。天線(xiàn)由一個(gè)基于周期性金屬柱的表面波Luneburg透鏡和一個(gè)由9個(gè)WR-2.2波導(dǎo)構(gòu)成的饋電陣列組成。透鏡和饋電結(jié)構(gòu)采用相同的高精度3D打印技術(shù)加工，并利用磁控濺射金涂層進(jìn)行表面金屬化處理。天線(xiàn)的測(cè)量結(jié)果顯示其所有端口的反射系數(shù)都在?12.5 dB以下，并且多個(gè)獨(dú)立波束可以連續(xù)覆蓋±60°的掃描范圍，與仿真結(jié)果吻合良好。測(cè)量的增益均在16 dBi以上，掃描損耗在1.2 dB以下。這項(xiàng)工作為太赫茲頻率下金屬多波束透鏡天線(xiàn)的制造和實(shí)現(xiàn)提供了一種新方法。

圖1天線(xiàn)結(jié)構(gòu)：（a）3D打印，（b）鍍金后。

圖1中的天線(xiàn)實(shí)物通過(guò)面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制造。透鏡結(jié)構(gòu)和饋電波導(dǎo)使用高精度3D打印機(jī)（nanoArch S140，摩方精密）打印得到，所用材料為HTL樹(shù)脂，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，透鏡天線(xiàn)的總尺寸為14 mm×14 mm×1.6 mm。圖中標(biāo)注的尺寸測(cè)量結(jié)果表明了3D打印透鏡天線(xiàn)具有較高的加工精度，誤差控制在±5μm以?xún)?nèi)。利用磁控濺射表面鍍金工藝，在3D打印的透鏡結(jié)構(gòu)上涂覆了一層500 nm厚的金涂層，實(shí)現(xiàn)了多波束天線(xiàn)的金屬結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。圖2（a）展示了最終亞太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線(xiàn)以及測(cè)試工裝實(shí)物圖。圖2（b）-（c）和圖3分別給出了太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線(xiàn)的s參數(shù)和輻射方向圖測(cè)試結(jié)果。仿真和測(cè)量結(jié)果之間的良好一致性驗(yàn)證了所提出的亞太赫茲全金屬多波束天線(xiàn)的可行性和高精度3D打印技術(shù)的能力。

圖2 （a）天線(xiàn)夾具及AUT與UG-387法蘭連接件；（b）仿真的端口隔離度；（c）測(cè)量和仿真的端口1、2、3、4和5的反射系數(shù)。

圖3 （a）AUT和測(cè)試裝置的照片；（b）355 GHz測(cè)量和仿真的H面輻射方向圖；

（c）352 GHz與358 GHz處測(cè)量的H面輻射方向圖；（d）測(cè)量和仿真的E面輻射方向圖。