基于3D打印的表面波太赫茲金屬龍勃透鏡天線

更新時間：2023-03-27

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太赫茲/亞太赫茲頻段的復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)加工精度和公差要求很高，一般在幾微米以內(nèi)，因此如何實現(xiàn)太赫茲/亞太赫茲頻段的天線加工是一個關(guān)鍵問題。3D打印技術(shù)以其自由成型的能力為復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)的加工提供了更多的制造靈活性。近年來，針對亞太赫茲無源器件的3D打印技術(shù)已經(jīng)得到了實現(xiàn)，其加工精度可達5?20 μm，但對于太赫茲頻段多波束天線的加工制造尚無報道。

近期，來自北京理工大學(xué)毫米波與太赫茲技術(shù)北京市重點實驗室的劉埇和盧宏達研究小組提出了一種太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線。天線由一個基于周期性金屬柱的表面波Luneburg透鏡和一個由9個WR-2.2波導(dǎo)構(gòu)成的饋電陣列組成。透鏡和饋電結(jié)構(gòu)采用相同的高精度3D打印技術(shù)加工，并利用磁控濺射金涂層進行表面金屬化處理。天線的測量結(jié)果顯示其所有端口的反射系數(shù)都在?12.5 dB以下，并且多個獨立波束可以連續(xù)覆蓋±60°的掃描范圍，與仿真結(jié)果吻合良好。測量的增益均在16 dBi以上，掃描損耗在1.2 dB以下。這項工作為太赫茲頻率下金屬多波束透鏡天線的制造和實現(xiàn)提供了一種新方法。

圖1天線結(jié)構(gòu)：（a）3D打印，（b）鍍金后。

圖1中的天線實物通過面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制造。透鏡結(jié)構(gòu)和饋電波導(dǎo)使用高精度3D打印機（nanoArch S140，摩方精密）打印得到，所用材料為HTL樹脂，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，透鏡天線的總尺寸為14 mm×14 mm×1.6 mm。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的加工精度，誤差控制在±5μm以內(nèi)。利用磁控濺射表面鍍金工藝，在3D打印的透鏡結(jié)構(gòu)上涂覆了一層500 nm厚的金涂層，實現(xiàn)了多波束天線的金屬結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。圖2（a）展示了最終亞太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線以及測試工裝實物圖。圖2（b）-（c）和圖3分別給出了太赫茲全金屬梯度折射率透鏡多波束天線的s參數(shù)和輻射方向圖測試結(jié)果。仿真和測量結(jié)果之間的良好一致性驗證了所提出的亞太赫茲全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；（b）仿真的端口隔離度；（c）測量和仿真的端口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測量和仿真的H面輻射方向圖；

（c）352 GHz與358 GHz處測量的H面輻射方向圖；（d）測量和仿真的E面輻射方向圖。