6.2 喇叭天线（下）在线视频

同学们好

本次课继续为大家介绍

喇叭天线相关的内容

主要介绍一种

太赫兹喇叭天线的特殊案例

我是本节课的主讲 卢宏达

太赫兹波是介于微波和光之间的电磁波

因其在成像探测应用

和技术革新方面的需求

近年来

已经受到了科研界和产业界的广泛关注

作为太赫兹探测成像设备的重要前端器件

太赫兹天线也受到了科研工作者的重视

太赫兹天线面临性能提升问题

工艺实现问题

应用难度问题

传统机械加工天线

工艺精度低

不适合大规模阵列应用

而光电导天线

转换效率低

介质损耗大

透镜天线虽然能够采用损耗低的介质

但材料稳定性差

集成度低

平面印刷天线

面临介质损耗大

辐射效率低

集成成本高的问题

当然也出现了新型材料天线

比如石墨烯 太赫兹天线等

但材料稳定性

技术稳定性差

可应用性差

因此

需要研究一种高集成度

性能稳定

易于大规模应用的太赫兹天线

我们在近年来的研究中

选取喇叭天线作为基本天线形式

结合体硅工艺

充分利用其材料和工艺相关的

电磁特征和结构特征

开展了一系列的工作

接下来

为大家

进行这方面内容的扩展讲解

我们都知道

H面扇形喇叭天线

是一种典型的高效率扇形波束天线

它是在矩形波导的H面

进行尺寸扩展得到的

我们利用体硅工艺

首先在一层硅片上刻蚀出

扇形喇叭天线的图形

并保证相应的深度

然后进行金层的溅射

实现表面金属化

再将另一片已经溅射金层的硅片

与它进行金金键合

这些晶圆级工艺完成后

按照预定的尺寸进行划片

并对划片截面再次进行金层溅射

这样就得到了图中我们所展示的

一系列太赫兹H面扇形喇叭天线

这种方法有两个突出的特点

一是适合大规模阵列的制备

二是适合在一个晶圆上制备多种天线

可见 工艺与天线设计理念的结合

为太赫兹喇叭天线的实现

提供了一条崭新的技术路线

刚刚我们提到的天线

采用的是干法刻蚀

我们还可以充分利用单晶硅的晶格特性

基于晶向所决定的固定倾斜角

采用湿法腐蚀的工艺

并结合干法刻蚀

实现相对于硅片表面

垂直辐射的角锥喇叭天线

就像图中所展示的例子

我们可以利用湿法腐蚀

构建角锥喇叭天线的渐开部分

利用干法刻蚀实现馈电波导

但是

由于角锥张角的固定

和硅片厚度的规格限制

限制了太赫兹角锥喇叭天线的长度

进而限制了喇叭口面的大小

这影响了天线的增益

为了进一步提升增益和辐射的定向性

我们充分利用一体腐蚀的特点

并基于平面波纹天线的原理

设计了一种太赫兹频段平面波纹加载的

角锥喇叭天线

这张图中给出了它的各部分尺寸

从给出的实物照片我们可以看出

现有工艺完全能够满足

我们太赫兹角锥喇叭天线的

设计实现的需求

样品的状态良好

进一步

我们对这种天线进行了完整的测试

图中展示了

测试得到的带内反射系数和增益

可见具备很好的阻抗匹配效果

并实现了预期的辐射增益

同时

我们为了实高精度的

太赫兹天线辐射方向图测量

基于国内现有的设备

联合搭建了高灵敏度波束测试系统

对上述天线进行了波束测试

从图中给出的结果可以看出

这种太赫兹平面波纹加载的角锥喇叭天线

实现了很好的定向性

加载波纹对增益提升的效果明显

那么

如何进一步实现

更高定向性和更好波束特性的

太赫兹喇叭天线呢

我们这里再介绍几种

基于体硅工艺的太赫兹多层复合喇叭天线

这几种天线的实现具备以下三个特点

一是工艺可以保证实现精度

二是单元性能

与现有高昂成本的成熟产品可比拟

三是容易扩展为阵列

这也是它的核心优势

我们给出两种典型的示例

相对于硅片平面水平辐射的对角喇叭天线

和垂直辐射的波纹喇叭天线

这两种天线

也是可以基于一套工艺一体制备的

首先

我们认识一下对角喇叭天线

可以看到喇叭口面边沿

与馈电波导边沿呈45°角

它的主要特点是

由于口径的限制

使得E面和H面均符合幅度减削分布特点

均可实现低副瓣特性

但在我们的太赫兹喇叭天线设计中

需要充分考虑多层硅片堆叠的结构特点

尤其要考虑如何实现对角喇叭的斜面

于是

我们提出了图中所示的这样一种思想

由阶梯状侧壁模拟倾斜的侧壁

阶梯结构均为亚波长结构

不仅不会明显影响喇叭内部的场分布

还对侧壁电流的抑制起到作用

这种太赫兹对角喇叭天线的实现方式

像图中所展示的一样

多层堆叠 且均有对位结构

保证多层堆叠的精度

尤其对于馈电结构附近的一层

采用了刻蚀的对位槽

保证微米级的对位精度

同时

为了进一步提升阻抗匹配效果

对传统的矩形波导馈电结构进行了

渐变处理

而且对对位槽的尺寸进行了优化

这种处理并不会增加制备难度

但大幅度提升了阻抗匹配的性能

最终得到的天线尺寸参数

均可以用现有的工艺实现

相比于同等尺寸的传统对角喇叭天线

不仅在E面和H面保持了

优越的低副瓣特性

且由于阶梯结构的扼流作用

使得45°切面的副瓣也大幅度降低

得到了更好的效果

我们同样对这种天线也进行了制备

和实验验证

可以看到

阻抗匹配效果很好

增益能够达到22.5dBi以上

而且高斯波束效率在98%以上

实现了很好的笔形低副瓣波束

方向图特性与现有业内的标杆产品可比拟

而且十分易于阵列的扩展

这是现有产品不具备的能力

此外

我们还设计了太赫兹波纹喇叭天线

这张图给我们展示了

传统波纹喇叭天线的关键尺寸参数

那么我们是如何利用

体硅工艺在太赫兹频段实现的呢

仍然是采用多层堆叠的方式

波纹是垂直于轴线的

实现的效果与传统波纹喇叭天线类似

通过对半张角和波纹深度的优化

得到了一定范围内

最佳的驻波比和增益结果

最终的设计结果也得到了

制备样品的实验验证

方向图结果

与现有的太赫兹波纹喇叭天线可比拟

且这种天线能够

很方便地进行二维面阵列的扩展

同时

测试得到的驻波比

增益以及高斯波束特性

都很理想

此外

充分利用体硅工艺刻蚀的灵活性

我们还可以进行自定义口径的尝试

和多样化波束的探索

比如

我们针对多层复合太赫兹波纹喇叭天线

进行了角锥

对角和八角等口面形式的探索

现在给出的这张图中

给出了几种

不同口面波纹喇叭天线的

特点比较

可见

采用新工艺

不仅能够满足太赫兹频段喇叭天线的

经典形式设计和实现

还可以进行传统工艺

所不能支持的更多天线形式的探索

好了 这就是本节课的内容

喇叭天线的部分就告一段落了

可以看到

虽然这是一种经典的天线形式

但仍有更广阔的空间供大家想象

谢谢大家

再见