Низкопрофильная диэлектрическая антенна терагерцового диапазона

Полезная модель относится к радиотехнике, а точнее - к антенной технике, и может быть использована как в виде самостоятельной антенны, так и для беспроводных линий связи терагерцового диапазона длин волн малой дальности.
В настоящее время интенсивно развиваются устройства на основе терагерцовых (ТГц) волн (>0,1 ТГц) для различных применений в высокоскоростной и высокоемкой беспроволочной связи. В частности, частоты в диапазоне 252-325 ГГц были выделены новым IEEE 802.15.3 d стандартом [IEEE Standard for High Data Rate Wireless Multi-Media Networks Amendment 2: 100 Gbps Wireless Switched Point-to-Point Physical Layer, "IEEE-SA Standards Board Std.] для будущих беспроводных сетей связи. ТГц волны используются и для связи на короткие расстояния [Y. Nakasha, S. Shiba, Y. Kawano, and Т. Takahashi, "Compact Terahertz Receiver for Short-range Wireless Communications of Tens of Gbps" Fujitsu scientific & technical journal 53(2):9-14, Feb. 2017; Ho-Jin Song, Takuro Tajima, Makoto Yaita, Osamu Kagami. Recent progress on terahertz communications at 300 GHz for practical short-range applications // Conference: 2014 XXXIth URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), DOI: 10.1109/URSIGASS.2014.6929495].
В системах беспроводной связи антенны являются ключевым элементом для увеличения дальности передачи информации.
Известны устройства антенн в терагерцовом диапазоне длин волн на основе рупора, которые обеспечивают возможность работы в широкой полосе частот, легкого соединения с волноводом, и умеренный коэффициент усиления [S. Hisatake, М. Fujita, Н.Н. Nguyen Pham, K Tsuruda, S. Kuwano, J. Terada, "Millimeter-Wave and Terahertz-Wave Applications Enabled by Photonics," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 52, Issue 1, Dec. 2015; T. Nagatsuma, S. Horiguchi, Y. Minamikata, Y. Yoshimizu, S. Hisatake, S. Kuwano, N. Yoshimoto, J. Terada, and H. Takahashi, "Terahertz wireless communications based on photonics technologies," Optics Express, vol. 21, No. 20, pp. 23736-23747, 2013; T. Tajima, H. Song, and M. Yaita, "300-GHz microstrip-to-waveguide transition on a polyimide substrate integrated with an LTCC substrate integrated waveguide," IEICE Transactions on Electronics, vol. E98.C, No. 12, pp. 1120-1127, 2015; T. Tajima, H. Song, K. Ajito, M. Yaita, and N. Kukutsu "300 GHz Step profile d Corrugated Horn Antennas Integrated in LTCC," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, No. 11, pp. 5437-5444, Aug. 2014].
Недостатками антенн на основе рупора являются их большие габариты, низкий коэффициент усиления и низкая электромагнитная совместимость из-за наличия в конструкции металлических деталей.
Рупорные антенны применяются в качестве облучателей линзовых антенн в линиях передачи терагерцового диапазона длин волн [Tadao Nagatsuma, Shintaro Hisatake, Masayuki Fujita, Hai Huy Nguyen Pham, Kazuisao Tsuruda, Shigeru Kuwano, and Jun Terada. Millimeter-Wave and Terahertz-Wave Applications Enabled by Photonics // IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 52, No. 1, January 2016; Tadao Nagatsuma, Shogo Horiguchi, Yusuke Minamikata, Yasuyuki Yoshimizu, Shintaro Hisatake, Shigeru Kuwano, Naoto Yoshimoto, Jun Terada and Hiroyuki Takahashi. Terahertz wireless communications based on photonics technologies // OPTICS EXPRESS 23738, 7 October 2013, Vol. 21, No. 20, DOI:10.1364/OE.21.023736].
В качестве прототипа выбрана мезоразмерная диэлектрическая антенна по патенту РФ №174536, состоящая из тонкостенного металлического волновода с открытым торцом к которому присоединена своим плоским основанием диэлектрическая мезочастица с характерным размером, выбираемым порядка nλ, где n=1, 2, …, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, имеющая форму кубоида и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,7.
Работа мезоразмерной диэлектрической антенны основана на эффекте формирования тераджет [V.  М. Beruete, I.V. Minin, and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids, // Applied Physics Letters, vol. 105, No. 8, Aug. 2014; H.H. Nguyen Pham, S. Hisatake, I.V. Minin, O.V. Minin, T. Nagatsuma. Three-dimensional direct observation of Gouy phase shift in a terajet produced by a dielectric cuboid // Applied Physics Letters, 108(19) 2016], являющегося аналогом эффекта фотонной струи в оптике.
Достоинством мезоразмерной диэлектрической антенны является больший коэффициент усиления, чем у эквивалентной по размеру рупорной антенны.
Недостатком устройства антенны является ее большие продольные габариты и сложность соединения с открытым концом волновода.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанного недостатка, а именно уменьшение продольных размеров антенны и обеспечение легкого сочленения с открытым концом волновода.
Указанная задача достигается тем, что низкопрофильная диэлектрическая антенна терагерцового диапазона, состоит из тонкостенного металлического волновода с открытым торцом, к которому присоединена своим плоским основанием диэлектрическая мезочастица с характерным размером, выбираемым порядка nλ, где n=1, 2, …, λ - длина волны излучения в свободном пространстве, имеющая форму кубоида и выполненная из материала с коэффициентом преломления, выбираемым в диапазоне от 1,2 до 1,7, согласно полезной модели непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, установлен металлический экран, на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от L/2 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, при этом экран своим вторым концом закреплен на внешней поверхности волновода.
Заявляемая низкопрофильная диэлектрическая антенна терагерцового диапазона обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема низкопрофильной диэлектрической антенны терагерцового диапазона.
На фиг. 2 показаны результаты моделирования зависимости положения формирования тераджет от положения металлического экрана на боковой поверхности диэлектрической частицы без изменения контраста показателя преломления.
Обозначения: 1 - волновод, 2 - металлический экран, 3 - металлический экран, 3 - мезоразмерный диэлектрический кубоид, 4 - область повышенной интенсивности электромагнитного излучения (тераджет).
Экспериментальные исследования проводились в диапазоне 0,3 ТГц, размеры диэлектрической частицы в форме куба равнялись длине волны излучения λ, коэффициент преломления материала частицы равен 1,45-1,46, толщина металлического экрана порядка 0,1-0,3λ. Мезоразмерная диэлектрическая частица изготавливалась методом фрезерования на станке с числовым программным управлением. В качестве материала экрана использовалась медная фольга.
В результате моделирования падения плоской волны на мезоразмерный диэлектрический кубоид, окруженный металлическим экраном, показано, что положение металлического экрана оказывает влияние на пространственное расположение тераджет. Установлено, что при расположении экрана непосредственно на боковой поверхности частицы, перпендикулярно падающему излучению, на расстоянии от освещенного торца частицы, находящегося в диапазоне от L/2 до L, где L - длина частицы вдоль направления падения на нее излучения, при смещении экрана в сторону освещенной поверхности кубоида примерно наполовину толщины кубоида, формируемая область повышенной интенсивности электромагнитного излучения смещается за экраном, при этом увеличивается протяженность области фокусировки.
При уменьшении толщины диэлектрического кубоида в два раза, положение экрана окажется примерно на его теневой границе, и область повышенной интенсивности электромагнитного поля формируется непосредственно за теневой границей кубоидной частицы.
При этом экран своим вторым концом может быть закреплен на внешней поверхности волновода, что обеспечивает легкость соединения низкопрофильной диэлектрической антенны открытым концом волновода.
Работа низкопрофильной диэлектрической антенны терагерцового диапазона устройства происходит следующим образом. Падающее на мезоразмерный диэлектрический кубоид 3 электромагнитное излучение в результате интерференции волн на частице и металлическом экране 2, расположенном непосредственно на боковой поверхности диэлектрической частицы 3, формирует область повышенной интенсивности электромагнитного излучения 4 внутри волновода 1. При изменении положения металлического экрана 2 вдоль боковой поверхности диэлектрической частицы 3 изменяются условия интерференции волн, и пространственное положение области повышенной интенсивности электромагнитного излучения 4 изменяется. Внешний конец экрана 2 закреплен на внешней поверхности волновода 1.
В результате экспериментальных исследований низкопрофильной диэлектрической антенны было установлено, что полная ширина диаграммы направленности, измеренная на полувысоте в Е-плоскости и Н-плоскости равна соответственно 23° и 24°. Усиление антенны составило 15,5 дБи на частоте 0,3 ТГц.
Достигаемый в такой конструкции низкопрофильной диэлектрической антенны терагерцового диапазона технический результат заключается в уменьшении продольных габаритов антенны до двух раз и обеспечении герметичности открытого конца волновода.