北京理工大學(xué)劉埇和盧宏達(dá)團隊：基于3D打印的表面波太赫茲金屬龍勃透鏡天線

來源： PuSL摩方高精密

金屬梯度指數(shù)透鏡天線是一種利用金屬梯度指數(shù)透鏡來實現(xiàn)波束形成的天線。它利用了金屬梯度指數(shù)透鏡的非均勻介電常數(shù)分布，通過控制透鏡的形狀和介電常數(shù)分布來實現(xiàn)對輻射波的控制和聚焦，由于其緊湊的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生定向波束的靈活性，越來越多地被用作多波束網(wǎng)絡(luò)。這些天線不需要電介質(zhì)材料，并避免了相關(guān)的電介質(zhì)損耗。然而，使用傳統(tǒng)的全金屬結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)梯度折射率。基于人造介質(zhì)概念或超材料理論的設(shè)計變化已經(jīng)被提出。例如，由平行板波導(dǎo)（PPW）實現(xiàn)的龍勃透鏡，具有漸變的間距由釘床或孔陣列組成的GRIN透鏡和使用變換光學(xué)方法設(shè)計的龍勃透鏡。

表面波龍勃透鏡（Surface Wave Luneburg Lens）是一種利用表面波引導(dǎo)的龍勃透鏡，其結(jié)構(gòu)類似于晶格波導(dǎo)，利用介質(zhì)的折射率分布來控制表面波的傳播，從而實現(xiàn)波束聚焦和成像。表面波龍勃透鏡的特殊之處在于其能夠引導(dǎo)表面波在球形介質(zhì)中傳播，從而實現(xiàn)波束形成和聚焦。與傳統(tǒng)的龍勃透鏡相比，表面波龍勃透鏡具有更高的效率和更寬的工作帶寬，具有高增益、高分辨率和低剖面等特性，適用于微波和毫米波頻段的通信和雷達(dá)應(yīng)用。

近期，來自北京理工大學(xué)毫米波與太赫茲實驗室的劉埇和盧宏達(dá)團隊提出了一種使用3D打印技術(shù)制造的基于非均勻釘床的355GHz金屬表面波龍勃透鏡多波束天線。要滿足太赫茲 /亞太赫茲復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)幾微米的嚴(yán)格公差要求，制造是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。三維打印以其自由成型的能力提供了更多的制造靈活性。最近，具有5-20微米標(biāo)稱尺寸公差的高精度3D打印技術(shù)已經(jīng)在亞太赫茲無源器件上得到了證明。在這次課程設(shè)計中，實驗團隊創(chuàng)新性的首次將高精度3D打印技術(shù)應(yīng)用于太赫茲天線的設(shè)計制造中，并使用鍍金工藝優(yōu)化天線表面，最后通過實驗驗證了天線的性能。

圖1中的天線實物是通過面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制造的。通過使用高精度3D打印機（nanoArch S140，摩方精密），用HTL樹脂打印了透鏡結(jié)構(gòu)和饋電波導(dǎo)，如圖1（a）所示。透鏡天線的總尺寸為14mm×14mm×1.6mm。圖中標(biāo)注的尺寸測量結(jié)果表明了3D打印透鏡天線具有較高加工精度，誤差控制在±5μm以內(nèi)。通過磁控濺射表面鍍金技術(shù)，在3D打印透鏡結(jié)構(gòu)上涂覆500nm厚的金層，用以實現(xiàn)多波束天線的金屬邊界并提高電導(dǎo)率，如圖1（b）所示。

圖1   天線結(jié)構(gòu)：（a）3D打印后，（b）鍍金后。

通過實驗驗證了透鏡天線的多波束輻射特性。首先由于波導(dǎo)的屏蔽效應(yīng)，端口之間的相互作用并不會對每個通道的阻抗匹配和輻射性能有較大影響。如圖3(b)所示，仿真中各端口之間的隔離度在整個頻段內(nèi)幾乎都高于30dB。測試了從不同端口激發(fā)的輻射模式和反射系數(shù)�？紤]到天線結(jié)構(gòu)的對稱性，只測量了端口1至5在350~360GHz的頻段上的反射系數(shù)。并在圖2(c)中給出。測試的反射系數(shù)都是低于-12.5 dB，符合實驗要求。

如圖3(a)所示，輻射圖測試裝置由旋轉(zhuǎn)器、工作在WR2.2波段的發(fā)射喇叭和待測天線(AUT)組成。H面多束輻射圖如圖3(b)和(c)所示。測量光束的角度范圍為-30°到+30°，足以覆蓋主瓣和第一副瓣。圖3(b)分別是在355 GHz端口1到5的共極化圖和交叉極化圖�？梢钥吹蕉嗖ㄊ鴪D與模擬結(jié)果吻合得很好，尤其是主瓣；15°和60°光束的副瓣水平略高于-10 dB；所有光束的交叉極化水平均在-20 dB以下，具有良好的線極化性能。用比較法測量了在355 GHz處的實現(xiàn)增益，得到0°、15°、30°、45°和60°光束的增益分別為17.3、17.1、16.7、16.4和16.1 dBi，多波束掃描損耗小于1.2 dB。圖3(c)還測量了352和358 GHz低頻和高頻的共極化輻射圖，具有相似的多波束特征。圖3(d)實測的E面輻射圖表明得到了扇形波束，E面最大輻射方向接近于0°。設(shè)計和測量結(jié)果之間的良好一致性證明了所提出的亞太赫茲金屬多波束天線的可行性和高精度3D打印技術(shù)的能力。

圖2 （a）天線夾具及AUT與UG-387法蘭連接件照片；（b）仿真中端口之間的隔離度；（c）測量和仿真中端口1、2、3、4和5的反射系數(shù)。

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

（c）在352和358 GHz測得的h面輻射圖；（d）測量和仿真中E面輻射方向圖。

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