阅读说明：本技术 一种太赫兹超宽带光壁喇叭馈源及其制备方法 (Terahertz ultra-wideband optical wall horn feed source and preparation method thereof ) 是由 刘广 黄莹珠 朱迪 徐国庆 石彬 马静 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种太赫兹超宽带光壁喇叭馈源,所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源为一体馈源,并且其内壁是光滑的；所述光壁喇叭馈源采用电铸工艺制作方法制作；制作过程包括：步骤1)为所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数设定初始值；步骤2)采用模式匹配方法计算光壁喇叭馈源的驻波值；步骤3)采用梯度下降方法对光壁喇叭馈源的尺寸进行优化；步骤4)采用机加工艺加工铝制阳模内芯；步骤5)在阳模内芯的表面电铸3-6mm的金属铜；步骤6)将铝制阳模内芯熔解脱模,得到太赫兹超宽带光壁喇叭馈源；本发明具有易于加工、加工成本低的优点,有利于其在太赫兹领域的推广和应用。并且其中心工作带宽可达93.9％,是目前带宽最宽的光壁喇叭馈源。(The invention provides a terahertz ultra-wideband optical wall horn feed source, which is an integral feed source, and the inner wall of the terahertz ultra-wideband optical wall horn feed source is smooth; the light wall horn feed source is manufactured by adopting an electroforming process; the manufacturing process comprises the following steps: step 1) setting initial values for the size parameters of the input section, the opening section, the phase-shifting section and the radiation section; step 2) calculating a standing wave value of the light wall horn feed source by adopting a mode matching method; step 3) optimizing the size of the light wall horn feed source by adopting a gradient descent method; step 4), machining an aluminum male die inner core by adopting a machining process; step 5) electroforming 3-6mm of metal copper on the surface of the male die inner core; step 6) melting and demoulding an inner core of the aluminum male die to obtain a terahertz ultra-wideband optical wall horn feed source; the terahertz wave detector has the advantages of easiness in processing and low processing cost, and is favorable for popularization and application in the terahertz wave field. And the central working bandwidth can reach 93.9 percent, and the feed source is the optical wall horn feed source with the widest bandwidth at present.)

一种太赫兹超宽带光壁喇叭馈源及其制备方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种太赫兹超宽带光壁喇叭馈源及其制备方法。

背景技术

太赫兹喇叭馈源通常作为太赫兹反射面天线系统的照射装置，一般应用于微波遥感，太赫兹制导和6G无线通信领域。

由于波纹喇叭馈源的工作频带宽，辐射方向图圆对称性好，交叉极化低，可以广泛应用于太赫兹遥感，太赫兹安检，太赫兹制导等领域。专利CN108963462A公开了一种太赫兹波纹馈源喇叭制造方法，其制造原理为将馈源喇叭难以加工的三维环形内腔齿槽微结构转化为易于电铸的二维平面叠片结构，叠片厚度为内腔齿宽或者槽宽。该专利虽然改善了传统技术制作高频波纹馈源喇叭内波纹微细结构加工难的问题，但是由于其内壁的二位平面叠片结构依然在太赫兹频段具有较高的加工难度，和较高的加工成本，限制了其在太赫兹系统的应用。

参见参考文献[1](“一种高功率多模喇叭天线”，2013年7月发表在《电子科技》第26卷第7期，起始页码为91)公开了一种多模喇叭天线，通过改变喇叭的张角从而激发圆锥喇叭高次模，并通过优化，得到其在15.9～21.8GHz频带范围内驻波比＜1.2。通过其频带范围计算((21.8-15.9)/((15.9+21.8)/2)＝31.3％)，该高功率多模喇叭天线的中心带宽为31.3％。但是，该多模喇叭天线的宽带范围过小，造成了应用场景受限制。

用于汇聚卫星信号的喇叭馈源的工作频带需覆盖75GHz、150GHz和183GHz。现有的喇叭馈源因为工作频带过窄，并不能同时覆盖三个频率，需要同时使用多个喇叭馈源，这造成了较高的投入成本。

现有的喇叭馈源具有较高的加工难度和加工成本，限制了喇叭馈源的应用；覆盖频带范围过小，限制了喇叭馈源的应用场景；因无法同时覆盖汇聚卫星信号的所需频率，需同时使用多个喇叭馈源，造成了投入成本过高。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有喇叭馈源加工难度高、加工成本高和覆盖频带过窄的缺点。本发明提出了一种太赫兹超宽带光壁喇叭馈源。采用梯度下降方法对多模馈源的尺寸进行优化计算，得到一个中心工作带宽可达93.9％的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源，并且工作频率覆盖70～207GH。所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源，便于加工，加工成本低，有利于扩展其在太赫兹领域的应用；覆盖频带宽，具有较多的应用场景；并且本发明提供的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源可同时覆盖汇聚卫星信号所需的工作频带，即75GHz、150GHz和183GHz，减小了喇叭馈源的投入成本。

本发明提出的一种太赫兹喇叭馈源从左至右依次包括由输入段，张开段，移相段和辐射段，其特征在于，所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源为一体馈源，并且其内壁是光滑的；采用电铸工艺制作方法制作所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源，其制作过程具体包括：

步骤1)为所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数设定初始值；

所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数包括：输入段圆柱的直径(d₁)，张开段的长度(l₁)，张开段末端的直径(d₂)，移相段的长度(l₂)，辐射段的长度(l₃)，辐射段末端的直径(d₃)；

步骤2)基于所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的初始值，采用模式匹配方法计算所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的驻波值；其中，

所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的驻波函数VSWR＝f(d₁,l₁,d₂,l₂,d₃,l₃)；

目标函数为f(d₁,l₁,d₂,l₂,d₃,l₃)＜1.1；

步骤3)通过梯度下降法为太赫兹超宽带光壁喇叭馈源进行尺寸优化，得到所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的最优值；具体过程包括：

在每个所述初始值周围随机搜索一个新的值，使所述目标函数的导数小于0；

进行多次迭代，使目标函数的导数接近0，并得到输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的最优值；

步骤4)基于步骤3)中所得所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的最优值，采用机加工艺加工铝制阳模内芯；

步骤5)在所述阳模内芯的表面电铸3-6mm的金属铜；

步骤6)将步骤3)中所得铸件放入氢氧化钠溶液中，使得铝制阳模内芯熔解脱模，得到太赫兹超宽带光壁喇叭馈源腔体；

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)采用模式匹配方法计算初始值情况下所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的驻波值；具体计算过程包括：

电磁场通过所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源每一段截面的区域的内麦克斯韦方程本征模进行加权和表达；

通过场展开式在不连续平面匹配，得到广义散射矩阵；

通过求解所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源每一段的广义散射矩阵，得到其驻波性能；经过计算，得到在70～207GHz范围内的驻波小于1.2；

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)中，阳模内芯与馈源腔体结构相反。

本发明的优点在于：

(1)所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的中心工作带宽可达93.9％，是目前带宽最宽的光壁喇叭馈源，可应用场景较多；

(2)所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源工作频带为70～207GHz，可同时覆盖汇聚卫星信号所需的工作频带，即75GHz、150GHz和183GHz，减少了喇叭馈源的投入成本。

(3)太赫兹超宽带光壁喇叭馈源易于加工，加工成本低，有利于其在太赫兹领域的推广和应用。

附图说明

图1是电铸工艺的流程图；

图2是本发明的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的结构示意图；

图3是本发明的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源在70-207GHz的电压驻波比。

具体实施方式

本实施例的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源由输入段、张开段、移相段和辐射段组成，其中，输入段传输主模是TE₁₁模，张开段的功能是激励高次模比如TE₁₂模、TE₁₃模、TM₁₁模和TM₁₂模。移向段的功能是调整各模之间的相位。由于TM₁₁模只对喇叭的E面方向图有贡献，对H面的方向图无任何影响，并通过正确的设计相移段，所以在本实施例中，采用喇叭口面TE₁₁和TM₁₁两个模的相对相位达到最佳值，从而使喇叭的E面和H面等化。辐射段的功能是调整TE₁₁模、TE₁₂模、TE₁₃模、TM₁₁模和TM₁₂模的模比值，使其与自由空间的阻抗匹配，从而实现能量有效的辐射至自由空间。所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源为一体馈源，并且其内壁是光滑的；采用电铸工艺制作方法制作所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源，其制作过程具体包括：

步骤1)为所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数设定初始值；如图2所示，步骤1)中输入段圆柱的直径为d₁；张开段的长度为l₁；其末端的直径为d₂；移相段的长度为l₂；辐射段的长度为l₃；其末端的直径为d₃；喇叭馈源的中心工作频率的波长为λ。

之后为每个所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的尺寸参数设定初始值；其中，

d₁＝0.4λ、d₂＝1.4λ、d₃＝2.5λ、l₁＝5λ、l₂＝3.2λ、l₃＝6λ；

步骤2)基于所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的初始值，采用模式匹配方法计算所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的驻波值；其中，

所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源的驻波函数VSWR＝f(d₁,l₁,d₂,l₂,d₃,l₃)；

目标函数为f(d₁,l₁,d₂,l₂,d₃,l₃)＜1.1；

具体计算过程包括：

电磁场通过所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源每一段截面的区域的内麦克斯韦方程本征模进行加权和表达；

通过场展开式在不连续平面匹配，得到广义散射矩阵；

通过求解所述太赫兹超宽带光壁喇叭馈源每一段的广义散射矩阵，得到其驻波性能；经过计算，得到在70～207GHz范围内的驻波小于1.2；

步骤3)通过梯度下降法为太赫兹超宽带光壁喇叭馈源进行尺寸优化，得到所述输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的最优值；具体过程包括：

在每个所述初始值周围随机搜索一个新的值，使所述目标函数的导数小于0；

进行多次迭代，使目标函数的导数接近0，并得到每个尺寸参数的最优值；

可得d₁＝0.6λ、d₂＝1.53λ、d₃＝2.92λ、l₁＝5.97λ、l₂＝3.8λ、l₃＝6.53λ；

然后对具有所述尺寸参数最优值的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源进行计算仿真，如图3所示，在整个频带内电压驻波比小于1.2时，可得其频率为70GHz～207GHz，中心工作频率为(70+207)/2＝138.5GHz，工作带宽为207-70＝130GHz，中心工作带宽为130/138.5＝93.9％。

由于该馈源腔体尺寸较小，传统机械加工工艺无法加工，采用电铸工艺加工该光壁馈源的腔体。电铸工艺的如图1所示，流程如下：

步骤4)基于步骤3)中所得输入段、张开段、移相段和辐射段的尺寸参数的最优值，采用机加工艺加工与馈源腔体结构相反的阳模内芯。

步骤5)在所述阳模内芯的表面电铸3-6mm的金属铜。

步骤6)将步骤3)中所得铸件放入氢氧化钠溶液中，使得铝芯熔解脱模，得到太赫兹超宽带喇叭馈源腔体。

从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的太赫兹超宽带光壁喇叭馈源具有易于加工、加工成本低的优点，有利于其在太赫兹领域的推广和应用；其中心工作带宽可达93.9％，是目前带宽最宽的光壁喇叭馈源，可应用场景较多；其工作频带为70～207GHz，可同时覆盖汇聚卫星信号所需的工作频带，即75GHz、150GHz和183GHz，减少了喇叭馈源的投入成本。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。