太赫茲高增益天線研究

李 勇，翟曉霞，張文靜

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.石家莊理工職業學院，河北石家莊050228）

太赫茲高增益天線研究

李 勇1，翟曉霞2，張文靜1

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.石家莊理工職業學院，河北石家莊050228）

針對太赫茲通信系統對高增益天線的需求，在分析太赫茲天線的各種實現形式的基礎上提出采用反射面天線實現太赫茲高增益通信天線。討論了高精度反射面的加工方案，采用超精密切削和超精密磨削2種加工方式制造高精度反射面；研究了太赫茲天線高精度組裝及組裝精度評估方法，設計制造了結構系統均方根誤差（r.m.s）優于5μm的太赫茲高增益天線。測試結果表明，天線性能符合預期，所提出的高精度反射面加工方法和結構精度評估方法合理可行。

高速率通信；太赫茲；超精密加工；碳化硅

0 引言

太赫茲輻射源、太赫茲調制器及濾波器等器件的發展，促進了太赫茲在通信領域的發展應用。太赫茲電磁波是很好的寬帶信息載體，它集成了微波通信與光通信的優點，可以采用小口徑天線實現高傳輸速率、高能量效率，相對激光易于實現捕獲、瞄準和跟蹤［1，2］。近年隨著微電子、微機電、計算機和新材料等技術的飛速發展，小衛星編隊飛行逐步成為各個航天大國的研究重點，太赫茲頻段在高帶寬、高速率星間通信上有著廣闊的應用前景［3－6］。太赫茲天線作為通信鏈路的關鍵轉換器件，其發展尤其是高增益天線的發展直接影響了高傳輸速率、高傳輸容量的太赫茲通信系統的實現。太赫茲天線近年獲得了較大的發展［7－9］，但是應用于太赫茲高增益通信天線未見有公開報道。

1 高增益天線的實現形式

按照太赫茲波的產生方式，太赫茲天線主要分為兩類：一類是基于飛秒激光產生太赫茲波的光電導天線，另外一類是基于傳統電子器件，由微波系統演變來的射頻天線。

目前，光電導天線被廣泛用于產生太赫茲波。常用光電導天線的基本形式有：偶極子天線、蝶形天線、對數螺旋天線、對數周期天線和喇叭天線等［8，9］。但是光電導天線增益較低，無法滿足大容量、高傳輸速率的需求。

基于微波理論的射頻天線是太赫茲天線的另一重要類型。而反射面天線容易通過擴大輻射口徑獲得更高增益，是高增益天線的首選。反射面天線應用到太赫茲通信系統的研究未見公開報道，但是，在天文探測領域地面和星載探測器采用反射面天線可以獲得高的分辨率［10，11］。所以，使用反射面天線實現太赫茲高增益天線是合理可行。

由于太赫茲頻率高，波長短。采用反射面天線實現太赫茲應用主要難點在于如何實現高精度反射面和小裝配誤差。

2 高精度反射面實現

反射面的表面誤差會引起天線輻射性能變壞，一般按照增益跌落衡量，采用Ruze公式表述，即天線效率將隨天線反射面精度的下降而下降，并遵循數學關系式：

式中，ηs為天線增益下降系數，G和G0分別為天線有表面誤差與無表面誤差時的增益，λ為工作波長，δ為表面半光程差的均方根值（r.m.s）。

為了保證天線實現良好的輻射性能，考慮到裝配誤差的影響，δ一般需優于λ/100，λ為最高工作波長。按照現在太赫茲通信規劃的300 GHz的工作頻率核算表面半光程差的均方根值（r.m.s）應控制在10μm以內。隨著工作頻率的提高其要求會更高，其加工精度要求已超出傳統機加工精度的范疇，需要開展反射面精密加工技術的研究。

反射面天線可以分為正饋天線和偏饋天線，對應的反射面形狀分為對稱和非對稱2類。文中分別對2種形狀反射面的加工工藝進行了研究。

對稱反射面采用鋁合金加工制造，加工方法為單晶金剛石刀具超精密切削。此方法采用數控微量切削獲得光滑而加工變質層較少的表面，得到很高的加工精度和表面質量。加工完成的反射面半光程差均方根誤差（r.m.s）控制優于3μm。

非對稱反射面采用碳化硅加工制造，此材料具有各向同性、尺寸穩定、抗輻照特性好、在空間輻照環境條件下反射鏡面形變化小、比剛度大和熱變形系數小的優良特點，近年作為空間反射鏡的基材獲得了較好的應用［12］。

反應燒結碳化硅材料的非對稱反射面采用銑磨加研磨的方法加工。加工中采用高精度數控銑床成型基準面與支撐孔，后銑磨鏡面，最終采用不同粒度金剛石微粉將鏡面加工到所需表面粗糙度值與面型值，最后鏡體表面蒸鍍一層Al膜，提升反射性能。加工完成的反射面半光程差均方根誤差（r.m.s）控制優于2.8μm。

3 組裝精度評估方法

天線具備良好輻射性能的基礎是部件性能優良，饋源、反射面空間關系符合預定設計。工程中，由于饋源、副面、主反射等部件的相對安裝誤差會造成天線匹配變差，性能惡化，尤其是隨著工作頻率的提供這種影響會更大。所以孤立的評估反射面的型面精度無法全面的反映這一影響，建立統一坐標系下的組裝及誤差影響的評估體系，綜合考慮各項誤差的影響是必要的。從實踐看以饋源軸心為基準的組裝評估體系是合適的。

由于天線的組裝是以饋源軸心為基準，所以天線結構的均方根偏差可以用饋源坐標系下反射面的均方根偏差表述，一般由半光程差δ的均方根來衡量。考慮到口徑場分布對偏差的影響，由半光程差δ計算的結構系統均方根偏差由式（2）表示［13］：

式中，

其中，

式中，N為離散點總數。

型面誤差可以認為是均值為零按正態分布的隨機誤差，使用Ruze公式估算增益下降系數：式中，ηs為天線增益下降系數；G和G0分別為天線有表面誤差與無表面誤差時的增益；λ為工作波長；為表面誤差的均方根值（r.m.s）。

4 太赫茲高增益天線實現

設計了1套卡塞格倫雙反射面太赫茲天線和1套單偏置太赫茲天線，天線的有效口徑均為300 mm。卡式天線反射面采用單晶金剛石刀具超精密切削加工的金屬面，單偏置天線采用銑磨加研磨的方法加工反應燒結碳化硅反射面，饋源采用精密機加工的光壁圓錐喇叭。

太赫茲天線組裝過程以饋源中心軸線及其口面為基準，通過高精度三坐標測量機采集反射面的三維坐標值，利用Sa軟件進行空間建模，與理論模型進行比對獲得當下的均方根誤差，如不滿足要求對微調機構進行調整直至達標。為了實現精密調整定位，兩套天線配置了精密調整平臺，定位精度達到0.5μm。組裝完成了太赫茲天線樣機如圖1所示，2部天線的結構系統均方根誤差（r.m.s）均優于5μm。

圖1 太赫茲天線樣機

對組裝完成的天線進行了測試，測試與仿真結果基本一致，圖2為單偏置天線在325 GHz的輻射方向圖。

圖2 325 GHz輻射方向圖

5 結束語

對太赫茲高增益天線的形式選擇，反射面高精度加工工藝、太赫茲天線高精度組裝及組裝誤差評估方法等進行了相關研究。提出采用反射面天線實現太赫茲高增益天線，采用超精密切削和超精密磨削2種加工方式制造高精度反射面；給出了太赫茲天線高精度組裝及組裝精度評估方法，并據此設計制造了2套太赫茲高增益天線。測試結果表明，天線性能符合預期。文中提出的高精度反射面加工方法和結構精度評估方法合理有效，具有良好的可實現性。

［1］姚建銓，遲楠，楊鵬飛，等.太赫茲通信技術的研究與展望［J］.中國激光，2009，36（9）：2213－2233.

［2］顧立，譚智勇，曹俊誠，等.太赫茲通信技術研究進展［J］.物理，2013，42（10）：695－707.

［3］LeitherJ.Distributed Spacecraft Systems Technology Development Program［R］.NASA，Goddard Space Flight Center，April 27，2001.

［4］Gotsmann M，Steckling M，Gill E.Miniflex Satellite Concept for Precursor and Commercial Missions［C］∥ACTA ASTRONAUTICA，2001，52（9－12）：985－989.

［5］Luu K，Schlossberg H.University Nanosatellite Distributed Satellite Capabilities to Support TechSat 21［C］∥13th AIAA/USU Conference on Small satellites，1999：1－9.

［6］Alok Das，Richard Cobb.TechSat 21－Space Missions Using Clooaborating Constellations of Satellites［C］∥12th AIAA/USU Conference on Small Satellites，1998：1－5.

［7］LI Di，HUANG Yi.Comparison of Terahertz Antennas ［C］∥Antennas and Propagaion，2006：45－50.

［8］張清剛，周俊.光電導太赫茲天線及其研究進展［J］.現代電子技術，2012，35（7）：89－94.

［9］Gie Han Tan.The ALMA Front Ends；an Overview［C］∥19th International Symposium on Space Terahertz Technology，Groningen，April 2008：237－243.

［10］Doyle D，Pilbratt G，Tauber J.The Herschel and Planck Space Telescopes［J］.Proceedings of the IEEE，2009，97（8）：1403－1411.

［11］袁巨龍，張飛虎，戴一凡，等.超精密加工領域科學技術發展研究［J］.機械工程學報，2010，46（15）：161－177.

［12］劉韜，周一鳴，江月松，等.國外空間反射鏡材料及應用分析［J］.航天返回與遙感，2013，34（5）：90－99.

［13］葉云裳.星載毫米波天線結構［J］.空間科學學報，2003，23（5）：379－387.

Study of Terahertz High Gain Antenna

LIYong1，ZHAIXiao－xia2，ZHANGWen－jing1
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.Shijiazhuang Institute of Technology，Shijiazhuang Hebei050228，China）

According to the demand on terahertz high gain antennas for inter－satellite link，based on the research on various realization forms of terahertz antennas，the reflector antenna is proposed to realize terahertz high gain antennas for inter－satellite link.The ultra－precision manufacturing techniques for dish are discussed，the ultra－precision cutting and ultra－precision grinding are adopted to manufacture the high－precision reflector.Precision assembling process ofantenna and themethod for evaluation of assembly accuracy are studied.The terahertz high gain antennas are designed and the rootmean square error of the structural system is less than 5μm.The experiment result proves the reasonability and feasibility of themethods for ultra－precision dishmanufacturing techniques aswell as for the assembly accuracy evaluation.

high rate communication；terahertz；ultra－precisionmanufacturing techniques；silicon carbide

TN82

A

1003－3114（2015）04－68－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.17

李 勇，翟曉霞，張文靜.太赫茲高增益天線研究［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：68－70.

2015－04－08

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2013AA8124017A）和“十二五”民用航天預先研究資助項目

李勇（1978—）男，高級工程師，主要研究方向：微波及衛星天線技術。翟曉霞（1978—）女，助教，主要研究方向：大學物理教育和新型功能材料。