Типы терагерцовых антенн: от рупоров до применения графена
1. Металлические антенны
Рупорные антенны представляют собой распространённый тип антенных систем, работающих по принципу преобразования энергии сигнала в замкнутом волноводе в направленную электромагнитную волну в свободном пространстве. Их конструкция включает металлический расширяющийся раструб (рупор) и подключенный к нему радиоволновод.
Часть 2/4 - Металлические и диэлектрические антенны (эта статья)
Часть 3/4 - Современные материалы и технологии
Часть 4/4 - Практическое применение; ссылки на источники
По форме различают несколько основных типов рупорных антенн: пирамидальные, секториальные, конические, а также антенны с параболической образующей поверхности. Каждый тип имеет свои особенности, влияющие на направленность и эффективность излучения.
Современные реализации таких антенн для терагерцового диапазона демонстрируют впечатляющие характеристики. Например, двухдиапазонная рупорная антенна, работающая на частотах 94 ГГц и 340 ГГц, обеспечивает коэффициент усиления 22.8 дБи [5].
Особого внимания заслуживают модификации с гофрированной поверхностью - они эффективно подавляют боковые лепестки, снижая их уровень до -30 дБ [6].
Для улучшения рабочих характеристик рупорных антенн инженеры применяют целый комплекс технических решений. В конструкцию внедряют специальные замедляющие и ускоряющие линзы, которые помогают оптимизировать работу устройства. Важную роль играют согласующие секции, обеспечивающие эффективную передачу сигнала. Кроме того, в антеннах устанавливаются подстроечные элементы, позволяющие точно подбирать рабочие параметры.
При этом производство рупорных антенн для высоких частот связано с серьёзными технологическими сложностями. Прежде всего, требуется высокоточное изготовление микроструктур - малейшие отклонения могут повлиять на качество работы. Кроме того, при проектировании необходимо учитывать возможные потери сигнала на поверхностных токах, что дополнительно усложняет процесс разработки и производства.
Несмотря на эти трудности, рупорные антенны широко применяются в современной технике. Они служат облучателями в составе зеркальных и линзовых антенн, обеспечивая надёжную работу сложных антенных систем. В спутниковой связи такие устройства ценятся за чёткую направленность излучения. В измерительной технике они востребованы благодаря стабильности параметров и высокой точности. Рупорные антенны также входят в состав разнообразных радиотехнических устройств - от систем связи до радиолокационных комплексов.
Благодаря сочетанию высоких технических характеристик и гибкости в настройке рупорные антенны остаются важным элементом и в аппаратуре терагерцового диапазона. Даже с учётом технологических сложностей их производства, востребованность таких антенн продолжает оставаться высокой.
2. Диэлектрические антенны
Линзовые антенны представляют собой особый тип антенных систем, в которых роль фокусирующего элемента выполняет специальная линза. Для их изготовления используются разные материалы, каждый из которых обладает уникальными свойствами.
Кремниевые линзы отличаются высоким коэффициентом преломления, что делает их особенно эффективными для фокусировки излучения. Полиимидные линзы с коэффициентом преломления обеспечивают хороший баланс характеристик. Кварцевые линзы применяются в системах со специфическими условиями эксплуатации.
В разработке линзовых антенн для терагерцовых частот уже достигнуты многообещающие результаты. Например, небольшая полусферическая кремниевая линза радиусом всего 5 миллиметров способна существенно усилить сигнал рупорной антенны, обеспечивая коэффициент усиления до 35 дБи [7]. Это делает такие системы особенно привлекательными для использования в высокопроизводительных радиотехнических комплексах.
При создании линзовых антенн существует серьёзная техническая проблема - потери на поверхностных волн из-за возбуждения мод высшего порядка в толстых подложках [8]. Эти нежелательные колебания могут значительно снизить эффективность системы.
Одним из решений этой проблемы стало применение EBG-структур (electromagnetic band-gap structure) [9]. Эти специальные конструкции эффективно подавляют нежелательные паразитные колебания, позволяя максимально использовать потенциал антенны. Благодаря такому техническому решению удаётся достичь оптимального баланса между усилением сигнала и его качеством.
Несмотря на технологические сложности, линзовые антенны продолжают развиваться и находить новые области применения. Их уникальные характеристики и способность существенно усиливать сигнал делают их востребованными в современных системах связи и радиолокации.
Микрополосковые антенны - это особый тип плоских (низкопрофильных) антенных систем, которые получили широкое распространение благодаря своим компактным габаритам и эффективным характеристикам.
Ключевая особенность этих антенн заключается в их миниатюрных размерах. Например, излучающий патч может иметь габариты всего 23×19 микрометров при работе на частоте 4,95 ТГц [10] . Такой компактный размер делает их идеальными для интеграции в современные электронные устройства.
В перспективных реализациях этих антенн используются подложки из жидкокристаллических полимеров (LCP) [11]. Эти материалы обладают превосходными характеристиками, в частности, крайне низкими диэлектрическими потерями. Это обеспечивает высокую эффективность передачи сигнала и минимальные потери при его распространении.
У микрополосковых антенн есть важное ограничение - узкая полоса пропускания, что ограничивает сферу их применения. Однако эта особенность делает их незаменимыми в тех случаях, когда требуется высокая точность настройки и минимальные потери сигнала.
Эти антенны находят применение в различных областях:
- в специализированных измерительных системах;
- в системах связи с высокой точностью настройки;;
- в радиолокационных устройствах;
- в оборудовании для научных исследований.
Несмотря на ограничения по полосе пропускания, микрополосковые антенны остаются важным компонентом современных терагерцовых систем. Их компактность и эффективность делают их незаменимыми компонентами в современном оборудовании.