[发明专利]一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线

说明书

本发明公开了一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线，属于太赫兹技术领域。本发明提出的新型反射阵单元结构兼顾全相位调制、宽频带、抗极化敏感等特性的设计需要，突破了传统方案对于相位、频带、极化无法兼顾的难题，本方案采用旋转对称结构，无极化敏感性，有更宽的有效带宽；本发明所提新型反射阵单元结构避免了相位调制能力与精细结构的依赖性，引入宽带阵子实现宽带调相，降低了对加工精度的要求，因此适合于毫米波及太赫兹频段的应用，结构简单、易于加工、性能稳定、成品率高；太赫兹反射阵天线易于加工、成本低、体积小、辐射性能优良，可以弥补现有太赫兹天线的不足，如增益受限、加工难度大、副瓣及交叉极化电平高等问题。

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种基于方环嵌套结构的太赫兹平面反射阵天线。

背景技术

平面反射阵天线基于超表面结构，以平面周期阵列代替阵列单元，具有结构简单、低成本、体积小、波束调控灵活的优势。对于毫米波及太赫兹天线而言，加工精度要求高，很多具有复杂精密结构的天线形式无法实现，而平面反射阵天线是一种很好的解决方案，可以满足高增益波束、多波束、特定形状波束等辐射特性要求，且无需复杂的三维结构。针对毫米波及太赫兹频段，为了获得宽带、低副瓣、低交叉极化等性能，要求平面反射阵单元有宽的调相范围，对入射波极化方式与入射角度不敏感，相位调制的宽带一致性好，且应避免利用精细结构调制相位，减少加工精度误差对天线性能的影响。

现有的平面反射阵单元结构形状各异，在微波段有品种繁多的反射阵天线形式，但缺乏对加工精度的考量。这一问题在微波段可以不予考虑，但是到了毫米波太赫兹波段，由于频率高波长短，很多细小结构已经超过了加工精度的极限值。因此，很多微波段的反射阵天线尽管有足够宽的相位调制范围且有较好的宽带一致性，但是多采用复杂的单元结构形式，到了毫米波和太赫兹波段不再适用。由于加工精度受限，很多精细结构难以保证与设计相符，加工误差会造成调制相位远远偏离预设值，因此造成天线的辐射性能恶化，出现如增益降低、副瓣升高、交叉极化电平升高等问题。针对毫米波及太赫兹频段的平面反射阵天线，反射阵单元的设计应充分考虑加工精度的影响，采用尽可能简单的单元结构，且避免相位调制对细微结构的依赖性。

现有的平面反射阵设计采用的单元结构难以兼顾宽相位调制范围与任意入射波极化形式。当入射波极化固定时，单元设计有很好的自由度，单元结构可以只需在一个维度变化，可以较为容易设计结构形式满足全相覆盖的要求。当入射波极化为任意方向时，单元需要采用90度旋转对称结构，单元结构设计的自由度降低，往往调制相位范围不足，因此宽的相位调制范围需要依赖细微结构的变化。在反射阵天线设计中，馈源照射每一单元的位置与角度不同，因此为提高天线性能，需要反射阵单元有极化不敏感特性，同时也应满足全相位覆盖，从而减少调制相位误差对阵列总体性能的恶化。

毫米波及太赫兹频段由于工艺能力受限，很多天线形式难以加工，而毫米波与太赫兹技术的发展又对波束调制有越来越高的要求，如高定向波束、多波束、特定角度的干扰抑制等种种问题都对天线设计提出了很大的挑战。平面反射阵天线具有波束调制灵活、结构简单、易于加工、体积小、成本低等特点，在微波频段已经取代了很多传统天线形式。但对于毫米波及太赫兹频段而言，利用反射阵单元结构来弥补空间相位从而实现波束调制，这需要高精度的微表面加工工艺，对于很多设计方案而言加工误差使得天线性能恶化严重，无法直接从微波段引入毫米波及太赫兹频段。因此尽管毫米波及太赫兹平面反射阵天线的设计原理上与微波段类似，但实际可行的设计方案仍十分有限，天线性能难以提高。