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基于3D打印的表面波太赫兹金属龙勃透镜天线

更新时间:2023-03-27      点击次数:455



太赫兹/亚太赫兹频段的复杂透镜结构加工精度和公差要求很高,一般在几微米以内,因此如何实现太赫兹/亚太赫兹频段的天线加工是一个关键问题。3D打印技术以其自由成型的能力为复杂透镜结构的加工提供了更多的制造灵活性。近年来,针对亚太赫兹无源器件的3D打印技术已经得到了实现,其加工精度可达5−20 μm,但对于太赫兹频段多波束天线的加工制造尚无报道。
近期,来自北京理工大学毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室的刘埇和卢宏达研究小组提出了一种太赫兹全金属梯度折射率透镜多波束天线。天线由一个基于周期性金属柱的表面波Luneburg透镜和一个由9个WR-2.2波导构成的馈电阵列组成。透镜和馈电结构采用相同的高精度3D打印技术加工,并利用磁控溅射金涂层进行表面金属化处理。天线的测量结果显示其所有端口的反射系数都在−12.5 dB以下,并且多个独立波束可以连续覆盖±60°的扫描范围,与仿真结果吻合良好。测量的增益均在16 dBi以上,扫描损耗在1.2 dB以下。这项工作为太赫兹频率下金属多波束透镜天线的制造和实现提供了一种新方法。


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图1天线结构:(a)3D打印,(b)镀金后。


图1中的天线实物通过面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术制造。透镜结构和馈电波导使用高精度3D打印机(nanoArch S140,摩方精密)打印得到,所用材料为HTL树脂,结构如图1(a)所示,透镜天线的总尺寸为14 mm×14 mm×1.6 mm。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的加工精度,误差控制在±5μm以内。利用磁控溅射表面镀金工艺,在3D打印的透镜结构上涂覆了一层500 nm厚的金涂层,实现了多波束天线的金属结构,如图1(b)所示。图2(a)展示了最终亚太赫兹全金属梯度折射率透镜多波束天线以及测试工装实物图。图2(b)-(c)和图3分别给出了太赫兹全金属梯度折射率透镜多波束天线的s参数和辐射方向图测试结果。仿真和测量结果之间的良好一致性验证了所提出的亚太赫兹全金属多波束天线的可行性和高精度3D打印技术的能力。


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图2 (a)天线夹具及AUT与UG-387法兰连接件;(b)仿真的端口隔离度;(c)测量和仿真的端口1、2、3、4和5的反射系数。

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图3 (a)AUT和测试装置的照片;(b)355 GHz测量和仿真的H面辐射方向图;
(c)352 GHz与358 GHz处测量的H面辐射方向图;(d)测量和仿真的E面辐射方向图。