劉 娣，牟進(jìn)超，朱海亮，張巍瑋，張振華，李涼海，周雨欣，喬海東，康 忱

太赫茲天饋與波束調(diào)控技術(shù)綜述*

劉 娣1，牟進(jìn)超1，朱海亮2，張巍瑋1，張振華1，李涼海3，周雨欣2，喬海東1，康 忱1

（1 北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076 2 西北工業(yè)大學(xué) 西安 710129 3 中國航天電子技術(shù)研究院 北京 100094）

太赫茲天饋與波束調(diào)控元件用于實(shí)現(xiàn)太赫茲信號的匯聚、功率分配、頻率選擇以及波形調(diào)整等功能，是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于射電天文、遙感與深空探測、雷達(dá)與成像、無線通信等領(lǐng)域。重點(diǎn)闡述了太赫茲反射面天線、太赫茲透鏡、太赫茲分束器、分頻器和勻束器等波束調(diào)控元件的基本原理和國內(nèi)外現(xiàn)狀，并對太赫茲天饋與波束調(diào)控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

太赫茲；反射面天線；透鏡；波束調(diào)控

引 言

太赫茲泛指頻率范圍為100 GHz～10 THz，位于微波和紅外之間的電磁頻譜。太赫茲天饋與波束調(diào)控元件是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)太赫茲信號聚焦、功率分配、頻率選擇等功能。本文聚焦太赫茲天饋與波束調(diào)控技術(shù)，重點(diǎn)分析闡述了太赫茲反射面天線、太赫茲透鏡、太赫茲分束器等波束調(diào)控元件的國內(nèi)外現(xiàn)狀，為太赫茲技術(shù)工程化和創(chuàng)新應(yīng)用提供參考。

1 太赫茲反射面天線

本節(jié)分別從常規(guī)反射面天線和新型反射面天線這兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。其中，常規(guī)反射面包括：地基射電天文反射面、天基遙感反射面以及地面應(yīng)用反射面這三類。新型反射面天線包括：平面反射面、反射陣和新材料反射面這三類。

1.1 常規(guī)反射面

1.1.1 地基射電天文反射面

地基射電天文反射面特點(diǎn)為口徑大（通常在十幾米到幾十米不等），技術(shù)難點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：一是低形變材料選用和設(shè)計(jì)，二是高型面精度面板加工以及高精度拼接。

1987年，由英國科學(xué)與工程研究委員會和荷蘭科學(xué)發(fā)展委員會聯(lián)合研制的詹姆斯·麥克斯韋天文望遠(yuǎn)鏡[1]正式投入運(yùn)行，坐落于美國夏威夷莫納克亞島。該天文望遠(yuǎn)鏡包含220 GHz～280 GHz肖特基二極管混頻接收機(jī)、330 GHz～360 GHz肖特基二極管混頻接收機(jī)、460 GHz～490 GHz銻化銦（InSb）二極管混頻接收機(jī)、660 GHz～720 GHz InSb二極管混頻接收機(jī)，以及15 m口徑卡塞格倫反射面天線，如圖1所示?？ㄈ駛惙瓷涿嫣炀€由主反射面和副反射面組成。主反射面由276塊獨(dú)立的鋁制輕質(zhì)面板組成[2]，型面精度為10 μm（rms）；副反射面可以通過三軸向調(diào)節(jié)補(bǔ)償焦距變化。

圖1 麥克斯韋天文望遠(yuǎn)鏡

2003年，位于智利阿卡拉瑪沙漠的大型毫米波/亞毫米波陣列ALMA（Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array）正式奠基[3]，如圖2所示。ALMA工作于31 GHz～950 GHz頻段，包括兩組反射面天線陣列。第一組陣列由64個(gè)12 m口徑反射面天線組成，間距從150 m～15 km不等，可實(shí)現(xiàn)多種模式重構(gòu)；第二組陣列也被稱為“ALMA緊湊型天線陣”ACA（Alma Compact Array），由4個(gè)12 m口徑天線和12個(gè)7 m口徑天線組成，天線間距為50 m。第二組天線陣列既可以獨(dú)立工作也可以與第一組天線陣列協(xié)同工作。兩組陣列的反射面天線均采用卡賽格倫結(jié)構(gòu)，采用碳纖維強(qiáng)化樹脂CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）材料，其優(yōu)勢在于強(qiáng)度高、耐熱性好、質(zhì)量輕、可實(shí)現(xiàn)微米級型面精度。其中，12 m口徑反射面型面精度為25 μm（rms），7 m口徑反射面型面精度為20 μm（rms）。

圖2 ALMA

1.1.2 天基遙感反射面

太空環(huán)境十分惡劣，溫度變化劇烈，要求天基遙感反射面天線質(zhì)量輕且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，因此，天線材料必須具備密度小、模量高、熱膨脹系數(shù)小[4]等特點(diǎn)。天基遙感反射面主要材料為碳化硅（SiC）和CFRP，密度分別為3.2 g/cm3和1.6 g/cm3，相對介電常數(shù)分別為9.6和8，電阻率分別為10–2～1012Ω·cm和1 Ω·cm。

2004年，美國國家航天局NASA發(fā)射了運(yùn)行在705 km軌道[5]的地球觀測系統(tǒng)EOS（Earth Observation System），搭載了微波臨邊探測器MLS（Microwave Limb Sounder），如圖3所示，包括118 GHz、190 GHz、240 GHz、640 GHz以及2.5 THz等5個(gè)頻段輻射計(jì)。低頻太赫茲輻射計(jì)（118 GHz～640 GHz）采用投影面積為1.6 m×0.8 m的橢圓偏饋卡塞格倫反射面天線[6]，其主反射面采用石墨環(huán)氧樹脂作為主材料并通過真空濺射在表面形成鋁氧化膜，副反射面采用實(shí)心鋁與金剛石作為主材料。高頻太赫茲輻射計(jì)（2.5 THz）采用金剛石表面的鋁制格里高利反射面天線[7]，其主反射面和副反射面口徑分別為228 mm和20 mm，型面精度均為1 μm（rms）。

圖3 美國EOS衛(wèi)星

2009年，日本國家信息通信技術(shù)研究所NICT發(fā)射了運(yùn)行于700 km軌道的620 GHz～650 GHz超導(dǎo)亞毫米波衛(wèi)星SMILES（Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission）[8]，包括反射面天線、校準(zhǔn)熱負(fù)載、星象跟蹤儀、冷卻系統(tǒng)、中頻放大及數(shù)字控制系統(tǒng)，如圖4所示。反射面天線采用口徑為400 mm×200 mm的鋁鐵合金橢圓偏饋卡塞格倫天線，其E面和H面3 dB波束寬度分別為0.893°和0.173°，通過俯仰維機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)30 s周期、100 km范圍大氣掃描。

圖4 日本SMILES衛(wèi)星

2009年，歐空局ESA（European Space Agency）發(fā)射了工作于日地拉格朗日區(qū)的赫歇爾（Herschel）宇宙飛船[9]，如圖5所示，工作波段覆蓋55 μm～671 μm（對應(yīng)頻率范圍為450 GHz～5.4 THz），采用了3.5 m口徑卡塞格倫反射面。反射面采用具有低熱膨脹系數(shù)、高硬度和高熱導(dǎo)率特點(diǎn)的碳化硅（SiC）作為主材料并在表面形成鋁氧化膜。

圖5 歐空局Herschel衛(wèi)星

2016年12月11日，我國第二代地球靜止軌道定量遙感氣象衛(wèi)星——風(fēng)云4號[10]成功發(fā)射，如圖6所示，搭載了183 GHz和425 GHz微波探測試驗(yàn)載荷[11]。載荷采用160 mm口徑卡塞格倫天線，通過準(zhǔn)光饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段信號的頻率和極化分離[12]。前期，上海航天電子技術(shù)研究所等單位開展了5 m口徑可展開偏饋卡塞克倫天線和54 GHz～425 GHz六頻段探測載荷地面試驗(yàn)的研究[13,14]。

圖6 風(fēng)云4號衛(wèi)星

1.1.3 地面應(yīng)用反射面

2010年，美國加州理工大學(xué)噴氣動力實(shí)驗(yàn)室JPL（Jet Propulsion Laboratory）研制出660 GHz～690 GHz太赫茲成像雷達(dá)[15]。該雷達(dá)采用1 m口徑鋁合金共聚焦格里高利反射面天線在25 m距離處實(shí)現(xiàn)1.3 cm分辨率近場聚焦成像，如圖7所示，并通過小型機(jī)械旋轉(zhuǎn)次鏡波束掃描實(shí)現(xiàn)50 cm×50 cm視場范圍。主反射面采用銑削工藝加工，能夠?qū)崿F(xiàn)25 μm型面精度。

1.2 新型反射面天線

1.2.1 平面反射器天線

2017年，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向低成本高效率寬帶太赫茲探測需求，研制了325 GHz～500 GHz平面反射器天線[16]，如圖8所示。天線由E面喇叭天線、準(zhǔn)平面反射器、扼流槽和饋源喇叭等四部分組成，扼流槽用于有效抑制側(cè)壁反射波從而減小對輻射性能的影響。實(shí)物采用技術(shù)成熟度較高的低成本金屬銑削工藝加工而成。測試結(jié)果表明：天線最大增益為32 dBi@500 GHz，帶寬內(nèi)增益不低于26.5 dBi，反射系數(shù)低于?20 dB。

圖7 JPL太赫茲成像雷達(dá)

圖8 325 GHz～500 GHz平面反射器天線

1.2.2 反射陣天線

2013年，清華大學(xué)楊帆教授團(tuán)隊(duì)面向高增益太赫茲天線應(yīng)用需求，提出太赫茲反射陣天線概念[17]。反射陣天線綜合了反射面和相控陣的優(yōu)點(diǎn)，具有輪廓低、饋電簡單、低損耗等特點(diǎn)[18]。圖9（a）為100 GHz 30 mm直徑背面鍍金介質(zhì)反射面天線[19]，采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，材料相對介電常數(shù)為2.76、損耗角正切為0.039。天線在25°入射角條件下的反射方向增益為22 dBi。圖9（b）為具有偏轉(zhuǎn)反射功能的貼片反射陣天線[20]，采用相對介電常數(shù)為2.35的聚二甲基硅氧烷PDMS（Polydimethylsiloxane）作為襯底，在600 GHz和930 GHz處分別能夠?qū)崿F(xiàn)最強(qiáng)鏡面反射和偏轉(zhuǎn)反射。

圖9 太赫茲反射陣天線

2018年，電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院研制了面向成像應(yīng)用的太赫茲雙頻段二維聚焦掃描反射陣天線[21]，如圖10所示。天線通過不同形狀和尺寸的反射面單元調(diào)控不同頻點(diǎn)相位實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)頻變成像波束掃描。

圖10 二維聚焦掃描反射陣天線

2019年，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向高密度無線通信基站應(yīng)用需求開展了357 GHz～421 GHz折疊反射陣天線[22,23]研究，如圖11所示。天線由基于石英光刻工藝的周期結(jié)構(gòu)單層反射陣、基于印制電路板技術(shù)的線柵偏振器和喇叭饋源天線組成，并通過3D打印技術(shù)集成。測試結(jié)果表明：該天線增益為33.66 dBi@400 GHz，口面效率為33.65%，3 dB增益帶寬為16%。

1.2.3 新材料反射面

2013年，瑞士納米實(shí)驗(yàn)室探索了基于石墨烯貼片的太赫茲反射陣天線[24]，如圖12所示。石墨烯的特殊電子能帶結(jié)構(gòu)和單原子厚度使材料可以等效為受頻率、溫度、化學(xué)勢能因素影響的復(fù)雜電導(dǎo)率表面，能夠有效減小反射陣天線單元尺寸從而提升工作帶寬。相比于傳統(tǒng)金屬貼片太赫茲反射陣天線，石墨烯貼片太赫茲反射陣天線增益帶寬能夠從11%提升至15%。

圖11 357 GHz～421 GHz折疊反射陣天線

圖12 基于石墨烯貼片的太赫茲反射陣天線

2017年，合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院探索研究了基于液晶材料的雙偶極子反射陣天線[25]，如圖13所示。由于液晶分子排布方向會隨著偏置電壓變化而有序改變，因此液晶材料能夠通過電壓控制等效介電常數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位變化。仿真結(jié)果表明：該天線在330 GHz～338 GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不小于250°的相移，在336 GHz處最大相移為285°。

圖13 基于液晶的雙偶極子反射陣天線

2 太赫茲透鏡天線

本節(jié)分別從常規(guī)材料透鏡和新型透鏡兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。其中，常規(guī)材料太赫茲透鏡天線包括高阻硅介質(zhì)透鏡和聚四氟乙烯介質(zhì)透鏡兩類；新型太赫茲透鏡天線包括3D打印介質(zhì)透鏡、超材料透鏡和大景深透鏡組三個(gè)方面。

2.1 常規(guī)材料太赫茲透鏡天線

2.1.1 高阻硅介質(zhì)透鏡

2011年，西班牙馬孔普盧騰斯大學(xué)光學(xué)系采用硅基微加工技術(shù)研制出半球形高阻硅透鏡天線[26]，如圖14所示。透鏡材料為高阻硅（相對介電常數(shù)為11.9），采用漏波波導(dǎo)饋電。測試結(jié)果表明：透鏡天線3 dB波束寬度為18°@550 GHz。2013年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制出530 GHz～590 GHz的3×3高阻硅透鏡陣列天線[27]，單元直徑為2.5 mm，帶寬內(nèi)副瓣電平小于–29 dB。

圖14 高阻硅透鏡太赫茲天線

2013年，英國格拉斯哥大學(xué)基于各向異性刻蝕多能級硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2.52 THz衍射透鏡[28]。該透鏡采用菲涅爾透鏡形式，直徑為45 mm，焦距為15 mm，硅材料折射率為3.42。該研究對比了刻蝕層級分別為16級和4級工藝實(shí)現(xiàn)的透鏡，測試結(jié)果表明：16級透鏡的光斑尺寸更小、波束輪廓更清晰并且效率更高，如圖15所示。

圖15 基于各向異性刻蝕多能級硅技術(shù)的2.52 THz衍射透鏡

2019年，美國加州理工大學(xué)JPL實(shí)驗(yàn)室研究了500 GHz太赫茲掃描波束透鏡天線[29]，采用漏波波導(dǎo)作為饋源，并通過壓電控制電機(jī)途徑改變饋源與透鏡相對位置實(shí)現(xiàn)波束掃描。測試結(jié)果表明：該透鏡天線掃描視場角為50°，增益為27 dBi，阻抗帶寬為520 GHz～575 GHz，掃描過程中增益波動保持在1 dB以下，如圖16所示。

圖16 JPL實(shí)驗(yàn)室500 GHz波束掃面透鏡天線

2.1.2 聚四氟乙烯介質(zhì)透鏡

2020年，北京遙測技術(shù)研究所173團(tuán)隊(duì)采用聚四氟乙烯材料研制了220 GHz 100 mm直徑雙曲透鏡如圖17所示，能夠?qū)崿F(xiàn)7 mm成像分辨率。聚四氟乙烯材料的相對介電常數(shù)為2.2，在220 GHz處損耗正切角為0.002，相比于高阻硅等高介電常數(shù)材料，聚四氟乙烯波阻抗與自由空間波阻抗更為接近，阻抗失配更小。

圖17 焦平面成像雙曲透鏡

2.2 新型太赫茲透鏡天線

2.2.1 3D打印介質(zhì)透鏡

2019年，北京遙測技術(shù)研究所173團(tuán)隊(duì)研制了基于3D打印介質(zhì)透鏡封裝的太赫茲探測器[30]，如圖18所示。透鏡采用尼龍材料，直徑為4 mm。測試結(jié)果表明：探測器在210 GHz～230 GHz頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)率為1 100 V～2 190 V/W，最大響應(yīng)率和最小噪聲等效功率分別為2 190 V/W和2.6 pW/√Hz@ 223 GHz。

圖18 基于3D打印介質(zhì)透鏡的太赫茲探測器

2019年，香港城市大學(xué)太赫茲及毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出太赫茲菲涅耳透鏡天線[31]，采用3D打印實(shí)現(xiàn)了奇數(shù)菲涅耳區(qū)離散介質(zhì)柱陣列，如圖19所示，介質(zhì)材料為高溫樹脂（r=2.66，tanδ=0.03）。測試結(jié)果表明：天線在265 GHz～320 GHz頻段內(nèi)軸比小于3 dB，最大增益為27.4 dBi@300 GHz。

圖19 基于3D打印的菲涅耳透鏡天線

2.2.2 超材料透鏡

2017年，天津大學(xué)太赫茲中心開展了基于GaAs超材料單元的太赫茲準(zhǔn)直波束低剖面透鏡研究[32]，如圖20所示，利用砷化鎵超材料單元改變波束相位從而實(shí)現(xiàn)波束準(zhǔn)直化。該透鏡采用1 350 μm厚高阻硅（折射率為3.6）為襯底，采用650 μm厚GaAs（折射率為3.45）實(shí)現(xiàn)超材料單元。仿真結(jié)果表明：在1 THz頻率下，4 mm口徑透鏡在20 mm遠(yuǎn)處的3 dB光斑直徑為2.4 mm。

圖20 基于GaAs超材料單元的太赫茲全介質(zhì)透鏡

2021年，電子科技大學(xué)太赫茲技術(shù)研究中心探索研究了基于二氧化釩材料的焦距可調(diào)透鏡[33]，如圖21所示。二氧化釩具有絕緣體-金屬相變特性，能夠通過外部熱或光學(xué)泵浦激勵(lì)引起二氧化釩相位變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焦距變化。測試結(jié)果表明：該透鏡在500 GHz～ 680 GHz頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)2.5 mm～7.5 mm焦距變化。

圖21 二氧化釩焦距可調(diào)透鏡

2.2.3 大景深透鏡組

2019年，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，開展了具有貝塞爾波束特征的無衍射波束透鏡組研究[34,35]，由2個(gè)3D打印光敏樹脂材料（吸收系數(shù)=1.5cm-1，折射率=1.655）軸棱錐和1個(gè)聚甲基戊烯（TPX，r=3.1）透鏡組成，如圖22所示，直徑均為50.8 mm。透鏡組輸出光束具有一維不變橫向剖面，景深范圍為30 mm～300 mm，半峰值輻射寬度為2.57 mm。相比于單個(gè)聚甲基戊烯透鏡，該透鏡組景深增加了5倍。

圖22 無衍射波束透鏡組

3 太赫茲波束調(diào)控元件

本節(jié)分別介紹了太赫茲分束器、分頻器、準(zhǔn)光濾波器和勻束器四類典型波束調(diào)控元件。其中，太赫茲分束器包括雙工器、多功能超表面光柵和極化分束器；太赫茲勻束器包括基于傳統(tǒng)透鏡的勻束器、基于微透鏡陣列的勻束器以及基于超材料的勻束器。

3.1 太赫茲分束器

3.1.1 雙工器

2011年，美國加州理工大學(xué)JPL實(shí)驗(yàn)室面向人體安檢應(yīng)用需求開展了675 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)研究[36]，如圖23所示。為了實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙工高隔離度，該系統(tǒng)采用與收發(fā)鏈路軸線夾角均為45°的232 μm厚高阻硅片雙工器實(shí)現(xiàn)隔離器和環(huán)形器功能。理想條件下，該雙工器發(fā)射和接收鏈路損耗均為3 dB，即收發(fā)鏈路固有總損耗為6 dB。盡管該方案簡單且成本低，但會導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比降低。為了在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的條件下提升系統(tǒng)信噪比，該團(tuán)隊(duì)于2012年研制了基于光柵的圓極化雙工器[37]。在該方案中，采用具有線極化特性的金屬柵網(wǎng)替代高阻硅片雙工器，從而實(shí)現(xiàn)水平極化信號透射和垂直極化信號反射。此外，基于圓極化信號的目標(biāo)回波會發(fā)生極化反轉(zhuǎn)的原理，采用光柵極化器將發(fā)射信號從水平極化轉(zhuǎn)換為右旋圓極化，將接收信號從左旋圓極化轉(zhuǎn)換為垂直極化。由此解決了傳統(tǒng)高阻硅片雙工器方案存在收發(fā)鏈路總損耗高的問題，使系統(tǒng)信噪比提升了4 dB～5 dB。

圖23 美國JPL實(shí)驗(yàn)室675 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

3.1.2 極化分束器

極化分束器通過調(diào)控正交極化信號的相位實(shí)現(xiàn)極化分離。2018年，澳大利亞阿德萊德大學(xué)電氣與電子學(xué)院提出寬帶圓極化波束分離方案[38]，如圖24所示。利用不同極化諧振單元組成子陣從而形成具有雙折射功能的超材料，實(shí)現(xiàn)對左旋圓極化和右旋圓極化的分離。測試結(jié)果表明：該極化分束器相對帶寬為53%，能夠工作于580 GHz～1 THz頻段，780 GHz處的整體透射效率為61%，1.05 THz時(shí)具有最大透射效率96%。2020年，澳大利亞悉尼科技大學(xué)電氣與數(shù)據(jù)工程學(xué)院提出基于3D打印的低剖面菲涅爾-羅森棱鏡方案[39]，如圖25所示，利用羅森棱鏡實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交極化信號出射角的獨(dú)立調(diào)控從而實(shí)現(xiàn)極化分束，通過集成菲涅爾透鏡使整體厚度減小50%，損耗減小50%。

3.1.3 多功能超表面光柵

2020年，南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所利用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于聚乳酸聚合物PLA（Polylactic Acid）的超表面光柵[40]，實(shí)現(xiàn)了±70°折射分束，如圖26所示。2021年，該課題組在上述工作基礎(chǔ)上提出太赫茲多功能超表面光柵概念[41]，如圖27所示，通過在傳播方向上設(shè)計(jì)非對稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有非對稱傳輸特性的異常折射，并采用3D打印技術(shù)研制140 GHz多功能超表面光柵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在+方向照射條件下，該光柵實(shí)現(xiàn)一分二波束分離，折射角分別為+70°和–70°，效率分別為43.7%和39.5%；在–方向照射條件下，實(shí)現(xiàn)+70°異常折射，效率為80.7%。

圖25 基于3D打印的低剖面菲涅爾-羅森棱鏡

圖26 基于PLA介質(zhì)的三種超光柵

3.2 太赫茲分頻器

2004年，美國NASA發(fā)射衛(wèi)星系統(tǒng)EOS，衛(wèi)星MLS載荷[5]的118 GHz、190 GHz、240 GHz、640 GHz輻射計(jì)采用光柵，如圖28所示，實(shí)現(xiàn)了太赫茲分頻功能（在該載荷描述中被稱為“二向色板”）[42]。

圖28 EOS衛(wèi)星分頻網(wǎng)絡(luò)

2021年，美國猶他大學(xué)電氣計(jì)算機(jī)工程系基于衍射光學(xué)元件原理[43]，利用梯度下降輔助的二元搜索算法，逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)了太赫茲分頻器中各個(gè)離散化像元的高度分布，實(shí)現(xiàn)了寬帶太赫茲信號的頻率分離，如圖29所示。該分頻器采用了聚乳酸聚合物PLA作為介質(zhì)材料，利用3D打印技術(shù)完成樣品制作。測試結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)能夠有效實(shí)現(xiàn)500 GHz、600 GHz和700 GHz三個(gè)頻段的頻率分離。

3.3 太赫茲準(zhǔn)光濾波器

2017年，武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院提出一種基于二氧化釩的可調(diào)諧太赫茲超表面[44]，通過溫度控制，使二氧化釩呈現(xiàn)從絕緣體到金屬導(dǎo)體的相變，實(shí)現(xiàn)溫控透射率變化。測試結(jié)果表明：1.03 THz和1.41 THz兩個(gè)頻段的傳輸率變化高達(dá)80%和40%，如圖30所示。

圖29 基于衍射光學(xué)原理的太赫茲分頻器

圖30 二氧化釩超材料可調(diào)諧太赫茲超表面

2018年，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院研制出基于六邊形介質(zhì)集成波導(dǎo)SIW（Substrate Integrated Waveguide）的太赫茲頻率選擇表面FSS（Frequency Selective Surface）[45]，如圖31所示。該六邊形SIW單元能夠使FSS具有極化穩(wěn)定性高和頻率選通性好的特點(diǎn)，并且可以采用印制電路板技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本加工。測試結(jié)果表明：樣品中心頻率為140 GHz，相對帶寬為7%，中心頻率處插入損耗為0.28 dB，在0°～15°入射角范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的頻率選通特性。

圖31 基于SIW的太赫茲FSS

3.4 太赫茲勻束器

3.4.1 基于傳統(tǒng)透鏡的勻束器

2010年，德國伊爾梅瑙工業(yè)大學(xué)微波光學(xué)系面向主動成像應(yīng)用提出一種具有均勻照射能力的高斯-平頂波束勻束器GTBS（Gaussian to Tophat Beam Shaper）方案[46]，如圖32所示，工作頻率范圍為600 GHz～ 640 GHz，采用直徑為200 mm的聚丙烯材料（Polypropylene，r=2.43）透鏡，在3 m距離處實(shí)現(xiàn)半功率波束寬度135 mm。

圖32 高斯-平頂波束勻束器

2020年，北京遙測技術(shù)研究所173團(tuán)隊(duì)利用喇叭天線和直徑100 mm的聚四氟乙烯平凸透鏡，實(shí)現(xiàn)了高斯-平頂波束轉(zhuǎn)換，如圖33所示。平凸透鏡焦距為150 mm，將喇叭天線端口放置在平凸透鏡焦距處可實(shí)現(xiàn)波束準(zhǔn)直化。仿真結(jié)果表明：該透鏡可以在200 mm處實(shí)現(xiàn)半功率波束寬度為45 mm。

圖33 173團(tuán)隊(duì)高斯-平頂波束轉(zhuǎn)換器

3.4.2 基于微透鏡陣列的勻束器

2019年，羅馬尼亞國家物理研究所研制了一種基于微透鏡陣列[47]的太赫茲勻束器[48]，如圖34所示，工作于2.5 THz和激光（波長為980 nm）頻段。利用柱形微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)一維勻束，在柱形微透鏡陣列焦距處放置與柱軸正交的微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)二維勻束。柱形微透鏡陣列中每個(gè)單元曲面半徑為(750±5%) μm，單元間距為250 μm，采用石英（SiO2）作為介質(zhì)材料。

圖34 微透鏡陣列太赫茲激光勻束器

3.4.3 基于超材料的勻束器

2020年，伊朗謝里夫理工大學(xué)電氣工程系提出一種基于高阻硅漸變超材料的高斯-平頂波束勻束器[49]方案（圖35），背面通過加載均勻間距的圓柱超材料表面抑制鏡面反射。該透鏡工作頻率為100 GHz，勻束器直徑為20 cm，能夠在2 m距離處將8 cm直徑高斯光束光斑擴(kuò)展成64 cm直徑平頂光斑。

圖35 基于高阻硅漸變超材料的高斯-平頂波束勻束器

4 結(jié)束語

太赫茲天饋與波束調(diào)控元件是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的組成部分。本文分別介紹了太赫茲反射面天線、太赫茲透鏡、太赫茲分束器、分頻器、勻束器等波束調(diào)控元件的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，涉及射電天文、大氣遙感、探測和通信等多方面應(yīng)用領(lǐng)域。通過上述綜合分析可以看出：太赫茲天饋與波束調(diào)控元件向著高性能、高集成度、輕質(zhì)化、多功能方向發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)涉及太赫茲自適應(yīng)準(zhǔn)光技術(shù)、太赫茲新材料新工藝天線與波前調(diào)控技術(shù)、太赫茲多波段天饋技術(shù)等。

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Review on terahertz antennas and beam manipulation technology

LIU Di1, MOU Jinchao1, ZHU Hailiang2, ZHANG weiwei1, ZHANG Zhenhua1, LI Lianghai3, ZHOU Yuxin2, QIAO Haidong1, KANG Chen1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China;2. Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129, China;3. China Academy of Aerospace Electronics Technology, Beijing 100094, China）

Terahertz antennas and beam manipulation elements are used for realizing terahertz wave focusing, power division, frequency selection and beam shaping. These elements are essential components in terahertz systems, which have been widely used in radio astronomy, remote sensing and deep-space exploration, radar and imaging, wireless communication and other fields.This paper focuses on the basic principles and status quo both at home and abroad of terahertz reflector antenna and lens, beam splitter, dichroic plate and beam homogenizer. Also, we prospect the development trend of terahertz antennas and beam manipulation technology.

Terahertz; Reflector antenna; Lens antenna; Beam manipulation

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

TN82

A

CN11-1780(2022)06-0001-20

10.12347/j.ycyk.20220215001

劉娣, 牟進(jìn)超, 朱海亮, 等.太赫茲天饋與波束調(diào)控技術(shù)綜述[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 1–20.

10.12347/j.ycyk.20220215001

: LIU Di, MOU Jinchao, ZHU Hailiang, et al. Review on terahertz antennas and beam manipulation technology[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 1–20.

軍科委基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目；北京市科技新星項(xiàng)目（Z201100006820130）

本文是太赫茲焦平面陣列成像系列論文之三

牟進(jìn)超（13436520663@163.com）

2022-02-15

2022-03-18

劉 娣 1994年生，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘掌澨焖硼伵c源技術(shù)。

牟進(jìn)超 1985年生，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)樘掌澘茖W(xué)與技術(shù)。

朱海亮 1987年生，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槌牧?、太赫茲器件、天線設(shè)計(jì)。

張巍瑋 1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)與傳感器。

張振華 1977年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)與衛(wèi)星有效載荷技術(shù)。

李涼海 1965年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

周雨欣 1999年生，碩士，主要研究方向?yàn)樘掌澠骷?/p>

喬海東 1990年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)樘掌澨綔y芯片與微系統(tǒng)技術(shù)。

康 忱 1995年生，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘掌澇上袼惴夹g(shù)。

(本文編輯：傅 杰)