太赫茲天線（一）

鐘旻

摘要：文章敘述了天線的作用和輻射電磁波的原理、天線的分類和性能（指標）要求，介紹了一些微波、毫米波和光波中的傳統天線在太赫茲天線中的應用。

關鍵詞：太赫茲；口面天線；平面天線；陣列天線；多波束天線

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.001

中圖分類號：TN 822? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-000-09

1? ?基本知識[1][2]

1.1 天線的基本作用

天線是向空間輻射或收集攜帶信息的空間電磁波的裝置。據此基本功能，天線可分為發射天線和接收天線兩大類，但一部天線可用于發射也可用于接收，或加入雙工器之類的裝置后可收發共用。雖然發射天線和接收天線在性能要求和工作方式等方面并非完全相同，但理論上可以利用電磁場的互易原理，將接收天線當作發射天線來分析。在下面提到的一些基本性能指標上，它們是具有共性的。

1.2 天線的基本原理

1.2.1 電磁波產生的基本原理

當帶電體上的電荷的量和性質（正、負）隨時間而發生變化時，它所產生的電、磁場也是隨時間而變化的，即，電場中每一點的電場強度（包括大小和方向）、磁場中每一點的磁場強度，在不同時間是不同的。最基本的交變電磁場的波形是隨時間做正弦（余弦）變化，稱為簡諧波。

根據麥克斯韋電磁場理論，變化的電場在它的周圍產生變化的磁場；同樣地，變化的磁場也在它的周圍產生變化的電場。

產生交變電磁場之源稱為場源，如電流環和電偶極子等。以電流環為例，它是隨時間變化的電流流過環形導線形成的。在電流環的周圍，引起磁場的環流，它也是隨時間而變的；當電流值大時，磁場強，所感應產生的電場也強；當電流值小時，則反之。接下來，所產生的電場又感應出新的磁場……如此交替循環（圖1）。這樣，在空間某一點觀察，將會看到電磁場隨時間做強、弱和正、負交替的變化，于是在空間的電磁場強度高低起伏，如水面上的波浪從中心一圈一圈向外擴張一樣，電磁場在電流環周圍連續不斷地擴展并傳播到整個空間。這就是電磁波。

由點場源產生的電磁波在空間是以球面波的形式傳播的，即在相同時刻，電磁波所到達的各點，均位于以源點為中心的圓球面上。因所傳播距離相同，這些電磁波是同相位的。理論上，當距離為無限遠時，球面接近為平面，球面波成為平面波，垂直于傳播方向的平面為等相面，或稱同相面（圖2）。

研究證明，電磁波的電場與磁場在空間上是正交的，它們在自由空間以光速傳播。圖3給出了用電力線和磁力線表示的電磁波的傳播圖形。圖3（a）為某一瞬間的波形分布，給出了此瞬間電磁場的波峰、波谷和零點，隨著時間的變化，這些波峰、波谷和零點所在的位置也是跟著變化，沿著傳播方向推移的；圖3（b）則用電力線和磁力線的指向和密度表示與圖3（a）相應的電磁場分布，力線越密表示電場或磁場的強度越強，最密處相應為波峰或波谷，由力線指向決定。

1.2.2 天線的工作原理

交變電偶極子（兩個等量異號交變點電荷組成的系統）可視為最簡單的天線?？捎闷鋪碚f明輻射電磁波的過程。如圖4所示，當交變電偶極子由零隨時間增大時，它所產生的電磁場逐漸增強并向周圍空間以光速傳播，電磁能量向空間擴散。電矩增大到最大值，然后逐漸減小，靠近電偶極子的電磁能向電偶極子收縮，但有一部分能量已經傳播得很遠，由于速度有限，來不及收縮回到電偶極子而電矩又再增大，又有新的電磁能量向外傳播，把原來尚未回到偶極子的那部分能量再向外推。如此形成了電磁波在空間的傳播。

實際應用中，交變電偶極子需要外加交變電壓源或電流源來獲得，該電壓或電流源輸出通過金屬或介質饋線傳輸，沿傳輸線傳播的電磁波稱為導行波。因此，更完整地說，在無線電通信中，天線是在空間中傳播的無線電波（空間電磁波）與在金屬導體中傳輸的導行波之間的接口，與發射機或接收機連接使用。在發射時，無線電發射機通過饋線向天線端口傳送導行波，天線將此導行波轉換為空間電磁波（無線電波）進行輻射。如圖5所示，為便于理解，圖中天線張角畫得小于180°。對于接收，其過程與之相逆。即天線將收集到的空間電磁波轉換為導行波，通過饋線輸入接收機進行放大、變頻等處理。

2? ?天線的分類和性能（指標）要求[1][2][3]

天線是無線通信設備中不可或缺的重要組成部分。由于提供服務的場景是多樣的（小區、微小區、微微小區……；室內或室外；城市或農村；空中或地面……）；通信基站和用戶終端也具有多種類型……這樣，就需要選擇合適的天線，包括結構類型和技術性能，來為通信提供必要的保證，如通信距離、通信質量、信息的完整性等。

2.1 天線的分類

宏觀地說，天線可按工作原理及用途進行分類。在此基礎上，可進一步從不同的角度進行分類，例如，按幾何學（形狀、尺寸等）可分為線天線和面天線兩大類。

（1）線天線：短偶極子天線（天線長度小于1/10工作波長）、偶極子天線（天線長度一般為半波長）、單極子天線（偶極子天線之半）、環形天線、螺旋線天線。

（2）面天線：喇叭天線、開槽天線、反射面天線（包括平板天線、角反射器天線、拋物面天線和卡塞格倫天線等）、透鏡天線、微帶貼片天線、陣列天線。

天線按方向性可分為定向天線、半定向天線、全向天線、多波束天線。

另外，按制作天線的材料，天線可分為金屬反射面天線、介質天線、超材料（負反射率）天線。

2.2 衡量天線性能的主要指標

為了恰當地評價天線的電性能，實際中常采用方向圖、主瓣寬度、副瓣電平、方向性系數、天線效率、增益、極化、輸入阻抗、頻帶寬度、有效面積等一些指標或參數。下面將介紹其中的幾個主要特性（性能）參數。

2.2.1 方向圖、波束寬度與旁瓣電平

一般天線輻射的電磁波在不同的方向上的強度等參量是不同的，需用方向圖來表示天線輻射參量（包括輻射功率密度、場強幅度和相位、極化等）隨方向變化的空間分布圖形。通常是指從遠區場點（注：觀察點到天線的距離定義為遠區場點，式中，為天線最大尺寸；為波長）的輻射特性，在此區域，天線輻射的球面電磁波可近似為平面波，平面波概念的引入可以簡化天線輻射場的分析和計算。實際上人們最關心的是天線輻射能量的空間分布，因此，主要研究輻射強度隨空間（三維立體空間范圍內）方向變化的方向圖。工程上一般采用兩個相互正交主平面（E面和H面）上的剖面圖來表示，E面是平行于電場矢量的平面；H面是垂直于E面的平面。以電偶極子為例，圖6給出了其理想情況下的三維方向圖、H面和E面方向圖。

實際上，方向圖由多個波瓣組成，其中，含輻射最強的方向的波瓣稱為主波束（圖7），從場強峰值點下降至0.707倍即功率下降一半所對應的角度稱為波束寬度（有時稱為半功率點波束寬度）。具有方向性的天線稱為定向天線。其波束越窄，方向性越強，即將發射功率集中到很小的范圍進行輻射，使輻射電磁波的強度更高。

圖8是用極坐標的方向圖，為波束寬度，更詳細地表示為或，也可采用直角坐標表示。

在主瓣波束周圍，還分布有多個輻射強度較低的旁瓣，為減少對其他系統或設備的干擾，旁瓣應被抑制到盡可能低的水平，通常規定有明確的數值（如圖8中為-20 dB）。圖7和圖8畫出的是單波束的情況，其有關定義也可推廣到多波束的場合。圖9便是四波束的天線方向圖，它是利用直角坐標表示的。4個主波束分布在-30°～+30°之間，多個旁瓣落在主瓣內，發射時形成了對接收方向的附加干擾，這是系統電磁兼容性設計中需要適當解決的。

2.2.2 天線增益

如圖10所示。對于相同的發射功率，天線增益是用定向天線輻射時，在接收點接收到的最大功率，與全向天線（各向同性天線，其三維方向圖為一圓球）輻射時，在相同接收點接收到的功率之比。就是說天線增益是以各向同性天線為參考，通常用分貝數（dBi）表示。在通信鏈路中，路徑傳播損耗和大氣、降雨衰減等是制約通信作用距離和通信質量的不利因素，其中應對措施之一，是通過收、發天線的增益來補償，即通過鏈路計算提出對天線增益的要求，以達到所需的接收功率（注：根據鏈路方程，當收發天線相距為時，接收到的功率為，式中，為發射功率；為發射天線增益；為接收天線增益；為工作波長；為大氣和降雨等衰減），因此天線增益是一個很重要的技術指標參數。

在線天線中，短偶極子的天線增益為1.5（1.76 dBi），半波偶極子則為1.64（2.15 dBi）。

對于面天線，其增益按正式計算：

式中，A為天線實際口面面積；η為天線效率；λ為工作波長。要說明，由于制作天線的材料、機械加工精度等因素的影響，致使其輻射性能下降，導致η<1。當η=1時，G則為天線的方向性系數，用D表示。其定義是最大輻射強度（功率）與平均輻射強度（功率）之比。

在工程應用中，一般天線，也可用下面的經驗公式進行估算：

式中，和分別為E面和H面半功率點波瓣寬度。

2.2.3 工作頻率和帶寬

未來的太赫茲通信，將采用0.1～10 THz中按國際或國家標準規定給出的某一或某幾個頻段作為射頻，從未來6G應用看，尤為關心的是亞太赫茲（0.1～0.5 THz）這一部分頻段。天線應滿足其要求，特別是為適應大容量、高速率信息傳輸的需要，天線應能保證足夠的頻帶寬度。

除上述主要性能指標，還有天線效率、極化方式、輸入/輸出駐波比、功率容量等，其定義可從有關的天線著作或規范中獲悉。

2.3 傳統天線的應用

在微波、毫米波和光通信中，已有許多成熟的、典型的天線，其技術可移植到太赫茲通信中去。

實際上，微波高端和毫米波的波長接近光波，所采用的面天線，是借助于幾何光學進行開發的。幾何光學在光學學科中以光線為基礎，其中，光線遵循直線傳播定律，即光在均勻媒介中沿直線方向傳播；當光在傳播途中遇到兩種不同媒質的光滑分界面時，遵循反射定律和折射定律，一部分反射另一部分折射，反射光線和折射光線的傳播方向分別由反射定律和折射定律決定；第三個基本定律是光的獨立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時互不干擾，仍按各自的途徑繼續傳播；而當兩束光會聚于同一點時，在該點上的光能量是簡單相加的。下面舉例說明一些微波、毫米波和光波中的傳統天線在太赫茲天線中的應用。

2.3.1 喇叭天線[1][2][4]

常見的金屬喇叭天線如圖11所示?？蓮穆晫W喇叭方面理解它們的工作原理，其結構的橫截面可為圓形或矩形，從波導到開口面橫截面尺寸逐漸變大，口面越大，方向性越強。

2.3.2 金屬反射面天線[1][2][4][7]

2.3.2.1 拋物面天線

拋物面天線是指使用旋轉拋物面作為反射面的天線，其基本原理與聚光探照燈（反射面為鏡面）是一樣的。如圖12所示，與探照燈不同的是，反射面由金屬板制成。初級輻射器放在拋物面的焦點上，由其輻射的射線到達拋物面后經反射形成與焦軸平行的射線，即產生沿焦軸同向的定向輻射。

有報導，利用圖13所示的偏饋電拋物面天線，即反射面采用切割拋物面的一部分，仍為圓形截面，使置于焦點上饋源喇叭投影落在這一部分拋物面之外，不會遮擋這部分拋物面的反射，這樣可提高天線的反射效率。該樣品的天線口徑為200 mm，工作頻率為0.36 THz，半功率波束寬度為0.3°，增益達56 dB。

2.3.2.2 卡塞格倫天線

卡塞格倫天線是典型的光學天線，當應用于太赫茲波時，其構成如圖14所示，卡塞格倫天線由主、副反射面和饋電喇叭構成，通過二次反射來輻射或接收電磁波。工作于亞太赫茲頻段時，主、副面是用金屬制作的。以發射為例，電磁能量從饋電喇叭輻射到達副反射面時產生反射，反射波傳播至主反射面再產生反射，進而向空間輻射，如圖14中箭頭所示。

例如，由美克銳科技公司生產的0.34 THz卡塞格倫天線，饋源為WR-28/UG-387/UM，當天線口徑分別為140 mm、340 mm時。在0.32～0.42 THz頻段內，增益分別達到51 dB和59.5 dB，是一種適用于要求天線高增益的場合。

2.3.3 透鏡天線[1][2][4][5][6]

透鏡天線有介質透鏡天線介和金屬透鏡天線兩種，每一透鏡天線則主要由饋源和透鏡兩部分組成。饋源放置在透鏡的焦點上。圖15給出了介質透鏡天線介和金屬透鏡天線的典型結構形狀。圖15（a）是三種介質透鏡的結構形狀，分別為單面（凸-平）透鏡、雙面（凸-凸）透鏡、凸-凹透鏡。此外還有球形、半球形或可減小厚度和質量的分區透鏡（因太赫茲波長很短，此問題并不突出）等。圖15（b）是三種金屬透鏡的結構形狀，分別為凹-平形、雙凹形（雙曲面）和凹-凸形，都是用多片金屬構成的。

介質透鏡一般利用對電磁波為透明的介質材料制成，其相對介電常數（）在1～12之間，而折射率（）與相對介電常數的關系是。太赫茲透鏡天線的工作原理與光學透鏡十分相似，照射器（即點輻射源）所輻射的球面波經透鏡折射后轉化為平面波。具體地說，一個光學透鏡會將一束寬光束通過折射形成一束窄光束。折射發生在光以不同速度傳播的兩種材料的界面上，改變了光束的傳播方向。如果光束是由許多光線形成的，則每條光線都可能彎曲；光束邊緣的光線彎曲得更多，因此它們最終平行于幾乎不彎曲的中心光線。形成一組平行光線組成的光束。每條光線必須在同一時間從透鏡焦點處的光源傳播到目的地。設介質透鏡材料為玻璃，由于光在玻璃中傳播得更慢，透鏡中間更厚，光線到達透鏡的路程短于到達邊緣的路程，因光線通過透鏡中間速度較緩慢；而邊緣較薄，以使通過較長路徑的光線能夠趕上。再以半球形的介質透鏡為例，圖16中，中間的光線是垂直入射的，無折射和反射地通過透鏡；而上面的一條光線經兩次折射后與中間光線平行射出；同理類推，最靠下的光線離開透鏡后也是與中間的光線平行的。

實際研究成果的一例是，利用石英（）制作的半球透鏡，半徑為480 μm，加上特別設計的微帶饋電裝置，在0.4～1.2 THz頻帶范圍內，平均增益為11.5 dB。

金屬透鏡的原理是，基于電磁波在波導管和自由空間中以不同的速度傳播，于是使用不同長度的波導管來形成透鏡，它被稱為“光柵”透鏡。然而，制作一組平行板更容易形成寬的平行波導（圖17），并簡單地塑造這些波導的輸入和輸出邊緣，以改變路徑長度并形成透鏡表面。它與介質透鏡的不同之處在于，電磁波在波導中的相位比在自由空間中傳播得更快。因此，在這種情況下，金屬透鏡天線的曲率與等效的光學或介電透鏡相反，是凹的而不是凸的。圖17中電場矢量與Y軸平行，透鏡是在E面上形成的。

一個實例是，中心頻率為0.4125 THz、帶寬為0.37～0.46 THz的金屬透鏡，總的尺寸為28 mm×

30 mm×20 mm，構成透鏡的金屬片長度約4.9 mm，在中心頻率處的增益為27.6 dBi，E面和H面半功率波束寬度分別為3.7°和8.4°。

2.3.4 平面天線[1][2][4][8][9][10][11]

2.3.4.1 微帶天線

（1）基本構成：如圖18所示，在高度為h（<<λ）的一個薄介質基片（如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層）上，一面鍍上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片（如矩形，圓形，橢圓形，六角形等），利用微帶線或同軸線探針對貼片饋電，這就構成了微帶天線。

（2）基本原理：以矩形貼片為例，貼片長度L為半個微帶波長，饋電后電場主要沿貼片與接地板之間的介質中傳輸，由于L=λ/2，左右兩端電場指向是相反的。在兩端邊緣處，在貼片與接地板之間，電場不嚴格垂直，存在“邊緣效應”，那里的電場分解為兩個分量，即與接地板垂直和與接地板平行兩個分量，垂直分量反相，切向（水平）分量同相，因此在垂直于貼片面的方向（Z軸）上，微帶左右兩邊邊緣是電場切向（水平）分量輻射同相相加，而垂直分量相互抵消。圖18給出理想情況下該天線的方向圖。

19 理想情況下矩形貼片微帶線天線方向圖

這種微帶天線的突出優點是低剖面，易與收發信機平面電路集成，制作成本也較低；缺點是帶寬較窄，增益較低（數分貝或負值）。

要指出，在微波范圍內，波長遠大于介質厚度；而在THz范圍內，當h大于λ時，將使部分輻射功率被捕獲在襯底中。因此，在太赫茲范圍內，h/λ必須要小得多。例如，天線基片厚度必須小于0.04λ，這時微帶線對頻率極為敏感，在工藝上也很難實現。

故此種微帶天線適用于太赫茲頻率的低端（0.1～1 THz）。例如，利用低溫共燒陶瓷（LTCC）作基片（），其尺寸是0.6 mm×0.6 mm，微帶天線的尺寸是：，中心頻率為。

2.3.4.2 平面偶極子天線和螺旋天線

偶極子和螺旋天線都屬于線型天線，偶極子的原理已在前面簡介。一種用于300 GHz的微帶貼片的平面偶極子天線如圖20所示。貼片的金屬為金，偶極子半長度為115 μm，饋線長度為35μm，二者線寬

10 μm。襯底下層材料采用相對介電常數為12.5的磷化銦（InP），厚度為50 μm，上一層是相對介電常數為2.5的苯并環丁烯（BCB），厚度為6 μm。當加入一反射器后（圖20（b）），該偶極子天線可獲得5.1 dB的增益。

利用阿基米德螺旋線的平面天線如圖21所示。阿基米德螺線亦稱等速螺線，當一點P沿動射線OP以等速率運動的同時，該射線又以等角速度繞點O旋轉，點P的軌跡稱為阿基米德螺線?；驹恚喊⒒椎侣菪炀€由兩條阿基米德螺旋導線組成，此二線按互補方式旋轉展開，如圖21（a）所示。圖21（b）是對數阿基米德螺旋線，用作天線時具有更好的性能。在二螺旋線起點處接入一反相電流源后，電流將沿各自的螺線流動，研究發現，在某些具有同相位置處，將產生電磁輻射，向空間輻射的電磁波是圓極化的。要注意的是，其輻射是垂直于螺旋平面雙向的，因此需將其中一面接地或接一吸收材料板，或半球介質透鏡以產生高定向輻射（圖22）。

研究表明，這種螺旋天線是非頻變的，即具有寬帶性能。已有報導使用對數阿基米德螺旋天線實現了0.15～3 THz的寬帶輻射。圖21所示的天線是雙臂螺旋結構，實際上，也可采用單臂的結構（圖23）。

2.3.4.3 平面引向天線

引向天線（又稱Yagi-Uda天線），應用于無線低頻時是一種線天線，一般它由一電偶極子天線（又稱有源振子）、一反射器（又稱反向器或反射振子）和若干引向器（又稱引向振子）組成（圖24）。反射器和引向器是無源的。有源振子到引向器的方向稱為前向；有源振子到反射器的方向為后向。在有源振子所產生電磁場的作用下，反射器和引向器產生感應電流，其大小與相位由無源振子的尺寸以及振子間的距離決定。通過設計和實驗調整，如圖24的示例中，有源振子與反射器的距離為四分之一波長，而有源振子與第一引向器之間、第一引向器與第二引向器之間距離為0.13，使得反射器和引向器在前向合成的電磁輻射達到最強，而向后輻射很弱。研究表明，引向器數目越多，天線的方向性超強，增益越高。

在太赫茲應用中，由于振子尺寸極小，難以采用傳統的線天線結構，而適于在平面上實現。圖25便是利用平面電路分別制作的工作于300 GHz（0.3 THz）（圖25（a））和115 THz（圖25（b））的微帶型引向天線。這里就圖25（a）之例進一步說明如下：其三維尺寸為322 ×280 ×58 ，由一有源振子、一反射振子的三個引向振子組成。其中反射器振子長度為280，有源振子一半長度為115，與圖20給出的襯底結構相同，下層材料采用相對介電常數為12.5的磷化銦（InP），厚度為50，上一層是相對介電常數為2.5的苯并環丁烯（BCB），厚度為6。后者是因其使太赫茲波傳播性能更為穩定而加入的。振子貼片金膜厚度為2。

結果顯示，在294～410 GHz的頻率范圍內，該天線增益為5.14 dBi。

線天線中，類似于引向天線的還有對數周期天線（圖26（a））。通常由一系列半波偶極子“元件”組成，每個元件含有一對金屬棒，沿著天線軸的支撐臂放置。這些元件以頻率的對數函數的間隔隔開。在圖26（a）中，對數周期天線是由N個平行排列的對稱振子按照結構周期率構成的，有如下關系式

式中，、、分別是兩相鄰振子的間距、虛頂點至最長振子之間的距離、天線的幾何頂點到第n個振子的垂直距離；振子的序號為n。

對數周期偶極子天線的整體結構取決于周期率和結構張角2α。當周期率和2α確定后，對數周期天線的幾何結構也就確定了。由于。所以

圖26（b）是應用于太赫茲波的對數周期天線，襯底材料是相對介電常數為2.2的Roger RT/Duroid5880，而將石墨烯作為導體材料。與傳統的天線不同，在天線的輸入端增加了一對偶極子，以改善其增益與寬帶性能，電路板的尺寸為500 ×450 ×

10 。理論計算表明，在0.09～30.14 THz范圍內，其峰值增益達16.02 dBi。

2.3.5 陣列天線[9][12][13][14]

上面所介紹的平面天線，在作為單個輻射元件的情況下，一般只具有低增益和寬波束特性，為了滿足太赫茲通信系統中高增益、窄波束的使用要求，通常需要采用具有大量輻射單元組成陣列天線。而上述平面單元天線的優點之一是，便于在平面單元的基礎上構成陣列，其中的一些案例介紹如下。

2.3.5.1 微帶陣列天線

可以通過串饋或并饋將微帶陣元連接構成微帶陣列天線，圖27（a）、（b）分別為較簡單的并饋和串饋的微帶陣列天線。

在圖27（a）中，天線陣列由4個雙頻段陣元組成。工作于中心頻率為0.714 THz和0.741 THz、帶寬分別為4.71 GHz和3.13 GHz的太赫茲，先通過一分為二的功率分配器，分兩路分別饋送到下一級的兩個功分器，然后通過四路微帶傳輸線將信號饋送給四個陣元。微帶電路板的尺寸為2920 ×1055 ×10 ，微帶基片襯底材料為聚酰亞胺（）。此微帶陣列天線的增益分別為11.23～12.12 dB（0.714 THz）、9.65～11.64 dB（0.741 THz）。

圖27（b）是在2 mm×1 mm×0.1 mm、基片材料為液晶（）的微帶板上，由4個橢圓形微帶貼片陣元串饋組成的陣列天線。工作中心頻率為0.35 THz，天線增益12.1 dB。

若需更高的天線增益，則需更多的數量的陣元。 在圖28的例子中，是工作于1.6 THz的10×10微帶天線陣列，基片材料采用相對介電常數為3.5的聚酰亞胺，尺寸為2 mm×2 mm，陣元為六角形微帶貼片。該陣列的增益為20.8 dB。由于太赫茲波長極短，大量陣元組成的陣列的微帶電路尺寸仍是甚小，在集成電路中是可以接受的。

2.3.5.2 引向陣列天線

一種工作于0.3 THz的1×4引向天線陣列如圖29所示。每一單元的基本結構與圖25（a）是類似的，不同的是將引向器增加到5個，整個陣列微帶板的尺寸為1122 ×1780 ×58 ，結果在294～376 GHz頻率范圍內，最大增益達13.9 dB。

（1）利用拋物反射面與多個饋源的組合，可產生不同指向的多波束。這是在通信衛星上獲得廣泛采用的多波束天線。如圖30所示，圖30（a）中，利用金屬拋物面作為主反射面，由n個饋源組成的陣列置于主反射面焦點及附近周圍，電磁波輻射到主面后形成多波束。圖30（b）中，則利用偏饋拋物面天線產生多波束。

（2）利用介質透鏡和多個饋源組合，可產生不同指向的多波束，如圖31所示。其中，圖31（a）是利用單面透鏡，饋源陣列放在透鏡的焦點及附近，位于焦點處的紅色饋源照射透鏡后產生的波束指向位于透鏡的焦軸上，其他的饋源則因偏焦產生的波束指向偏轉方向，從而形成不同指向的多波束。圖31（b）為龍伯格（Luneberg）透鏡，通常是利用具有球對稱的非均勻介質材料制成的。其折射率為，式中，是透鏡的矢徑；是球心到球內任一點的距離或稱為內半徑。工程中，要使Luneberg透鏡的介質材料滿足的要求比較困難，一般采用多層介電常數不同的均勻分布的同心介質球殼來構成。Luneberg透鏡對來自任何方向的入射波必聚焦在與入射方向相對應的透鏡徑向表面上。因此，沿著此透鏡表面放置多個饋源，則可以形成多波束。而移動單個饋源可以實現波束掃描。圖31（c）是利用半球或半橢球（又稱為Maxwell魚眼）介質透鏡，其折射率為。將n個饋源沿半球表面擺放，電磁波入射透鏡后將產生n個不同指向的波束。

上述所使用的介質透鏡是三維的，在某些應用場合下，也可變成平面型的，其中一例如圖32所示。它是利用平面金屬透鏡或金屬加載介質透鏡，加上平面饋電陣列構成的。平面饋電陣列是在一層介質上加上一組金屬貼片，作為饋源，將太赫茲電磁波輻射到透鏡而產生多波束。

（3）利用微帶陣列構成的多波束天線。利用多個微帶陣元，加入饋電和移相網絡，可產生多波束（圖33為4波束示例）。饋電方式可用并饋或串饋，或串并饋結合。加入移相網絡，是使某些陣元的激勵電流增加適當的相位移，以控制電磁波輻射的方向，最終使陣列產生多個不同指向的多波束。

3? ?結束語

對天線的性能評估有一系列的指標，本講座就其中幾項做了說明。太赫茲通信的突出問題是傳播距離引入的損耗，為補償此損耗，收、發天線必須提供足夠高的增益，這是特別值得關注的。微波、毫米波和光學天線，包括線型、面型和三維結構的天線，可被移植應用于太赫茲波。本講座列舉了若干案例并簡要說明了其原理，所介紹的傳統天線可應用于不同的場景。一般天線的尺寸與工作波長密切相關，因太赫茲波長極短，可通過巨量的陣元構成高增益的天線；而在平面集成電路中，隨著工作頻率的增高，因單（陣）元過小，會產生一些新的矛盾，需要采用新材料、新結構來構成新穎的天線。

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