[发明专利]沙漏型6G空心花瓣超天线

说明书

本发明提出一种基于沙漏型6G空心花瓣超天线，由沙漏型空心外壳、波浪形平凸透镜、花瓣形超透镜及球形空心圆柱阵列单元组成。在6G通信领域，以太赫兹为工作频段，实现当光束通过天线时发生聚焦、扩束及衍射现象，在空间及光源大小要求有限的情况下使入射光束进行一定尺寸的扩大，将光束入射到超透镜部分，通过超透镜使能量集中于特定的衍射级中，其他衍射级中的能量受到明显抑制，并在特定的衍射级中可以达到特定的弯曲角度，实现了信号的相位不连续分布及特定方向的传输，克服了传统太赫兹器件体积大、重量大、效率低、种类匮乏等问题，实现太赫兹天线阵列向集成化和小型化、超宽带、高增益、低能耗等方向发展。

技术领域

本发明涉及6G技术领域，具体讲，设计一种太赫兹频段的沙漏型6G空心花瓣超天线。

背景技术

2018年3月，我国工信部部长表示已着手研究6G，其中，太赫兹无线通信技术与系统是主要研究内容之一。2018年9月，美国联邦通信委员会(FCC)决定向6G开放太赫兹频谱。可见，进一步利用高频频谱是无线通信研究人员的共识，太赫兹频段是国际上备受期待的下一代高速无线通信的关键。太赫兹波是无线电频谱的最后一个过渡，被称为“THz gap”，结合了毫米波通信和光通信的优点。太赫兹(Terahertz，THz)波是指介于微波和红外光谱之间的电磁波，频率在0.1～10THz之间，具有比红外波穿透性强、比微波成像分辨率高、比X射线更安全等特点，其光子能量低、带宽大、载波频率高等传播特性，在通信、成像、生物医学和天文研究等众多领域具有广阔的应用前景。太赫兹通信具有宽带宽和短波长的特点，大量天线元件可集成在一个单位面积上，从而满足密集网络覆盖的需要，可作为下一代6G通信得工作频段。太赫兹波的窄波束和高指向性可以实现更好的保密性以及抗干扰和抗拦截能力。通信速率高、方向性好、安全性高、频谱资源丰富等是太赫兹通信突出的特点，在未来的6G移动通信中是一种具有极大优势的宽带无线接入技术。国内太赫兹通信原型系统多数处于仿真阶段，在实际应用中应考虑实时性能、环境、通信距离、功耗等方面的性能指标。太赫兹天线是太赫兹无线通信系统最前端的关键部分，承载着通信系统收发信号的重要作用。天线的性能(如工作带宽、增益)直接影响到通信系统的频率效率、传输速率、可靠性。

由于在自然界很难找到能与THz波产生强烈响应的天然材料，现有的太赫兹器件面临着体积大、重量大、效率低、种类匮乏等问题，高性能THz波功能器件的发展仍面临巨大挑战。由亚波长单元结构组成的超材料(Metamaterials，MMs)为解决该问题提供了全新的有效途径。在太赫兹潜在通信场景中，超材料被应用于太赫兹天线技术，改变其微结构样式、尺寸和排列方式可对电磁波的响应强度进行调控，增强天线增益、提高信道容量及方向性等，为太赫兹通信技术的发展和应用提供了新的思路和手段，实现太赫兹天线阵列向集成化和小型化、超宽带、高增益、低能耗等方向发展。超材料是一种人工微结构材料，具有亚波长周期性结构，拥有自然材料不具备的电磁特性。通过单元结构形状和尺寸的灵活设计调整，并按一定规律进行布阵，可以实现一些特定的电磁特性。具有负磁导率(μ＜0)的超材料被提出后，各种功能性超材料器件的开发及一系列新奇物理现象的展示，如负折射率、超大折射率、零折射率、人工磁体、超透镜和超吸收体，使超材料的研究取得了极大的进展。然而，由于超材料的三维结构和电磁特性，一般工艺制备的过程非常复杂，成本昂贵并且损耗较大，于是研究者们提出了一种二维超材料，也就是超表面。

超表面(Metasurface)是超材料的二维简化形式，在保持超材料的良好特性的同时，超表面更容易制备获得和片上集成，通过引入突变相位的概念，凭借比三维超材料在尺寸、制造和成本等方面的明显优势被广泛应用于偏振控制。超表面是人工设计的亚波长结构，为更加灵活地控制光偏振态提供了新思路，其能够对入射电磁波的振幅、相位、偏振等进行灵活调控，被广泛地应用于波束偏转、偏振转换以及全息成像等方面，光学超透镜也是其重要应用之一。超表面在无损检测、医学成像和无线通信也具有重要应用。随着微纳加工技术的发展，具有亚波长周期的超原子平面阵列组成的超表面可以灵活、精确地控制光的相位和偏振信息，对THz器件的发展具有重要意义。

发明内容