基于定制复合材料的亚太赫兹低介电透镜天线设计及其波束调控特性研究

《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》：Design and Characterization of a Sub-THz Lens Antenna Based on Customized Composite Materials

本刊编辑推荐：为解决高介电常数硅透镜在亚太赫兹频段存在的界面反射问题，研究团队创新性地提出采用梯度匹配层结构的低介电常数扩展半球透镜设计方案。通过理论计算确定三层介质材料的介电常数(εr1=8.08/εr2=3.91/εr3=1.75)，结合旋涂成型与模压工艺制备复合介质透镜。实测结果显示在220-330 GHz频段内实现>22 dBi定向增益，E/H面波束扫描范围达±19°-21°，为6G通信系统提供了高性能天线解决方案。

　　

在第六代移动通信（6G）技术发展的浪潮中，研究人员正将目光投向拥有更大连续带宽的毫米波（mm-wave）和亚太赫兹（sub-THz）频段（100-300 GHz）。这些频段能够提供远超传统sub-6 GHz频段的传输速率，但随之而来的是严峻的技术挑战：频率越高路径损耗越大，需要高增益天线来补偿；同时天线元件尺寸的急剧缩小使得芯片集成难度增加。传统采用高介电常数硅（Si, ε_r=11.7）透镜的方案虽然能与硅基芯片良好匹配，却在透镜-空气界面产生强烈的反射损耗。

为解决这一矛盾，由Umair Rafique领衔的国际研究团队在《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》发表最新研究成果，提出了一种基于定制复合材料的扩展半球低介电透镜天线创新设计。该设计通过在多界面反射理论指导下构建梯度介电常数匹配层，在低介电透镜与高介电芯片之间建立平滑的介电常数过渡，显著改善了辐射特性和阻抗匹配性能。

关键技术方法包括：采用二项式展开理论计算λ/4匹配层参数；通过旋涂工艺制备钛酸钡（BaTiO₃）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合匹配层；利用模压技术成型空心玻璃微球（HGMS）/PMMA复合透镜体；结合微计算机断层扫描（micro-CT）进行结构验证；采用平面近场测量系统表征220-320 GHz辐射性能。

透镜设计与制备

研究团队基于多界面反射理论，通过二项式展开公式计算出三层介质结构的最优介电常数分布。当匹配层数量N=3时，理论计算得出匹配层介电常数应分别为ε_r1=7、ε_r2=3、ε_r3=1.75。实际制备中采用钛酸钡/PMMA复合材料，通过调控填料比例实现介电常数精确控制，实测值为ε_r1=8.08、ε_r2=3.91、ε_r3=1.75。

制备工艺方面，采用旋涂法在铝箔上依次沉积两层匹配膜，厚度分别控制在90μm和150μm（目标值95μm/145μm）。半球透镜部分通过模压技术成型，将HGMS/PMMA复合材料压入模具后在60°C固化。最后通过PMMA溶液粘结实现多层结构集成，微CT分析显示各层界面结合良好，仅存在0.4%-0.9%的微小气孔。

材料特性分析

为准确表征复合材料在亚太赫兹频段的介电特性，研究团队创新性地采用聚乙烯（PE）基质压片法进行时域光谱测量。通过三元复合材料稀释模型，利用线性混合规则反推二元复合材料的等效介电常数。测量结果显示所有材料在220-330 GHz频段内介电特性稳定，无明显色散现象。

灵敏度分析表明，匹配层厚度在±5μm范围内波动对天线定向性影响可忽略不计。而介电常数变化的影响则较为显著：当ε_r1从5.90增至8.08时，因反射增强和表面波激发导致定向性下降；相反ε_r2从2.10增至3.91时，因阻抗匹配改善使定向性提升。

射频性能表征

采用WR-3.4矩形波导（RWG）馈电时，通过优化透镜与波导间距（d=180μm），在220-330 GHz频段内实现回波损耗（|S₁₁|）优于15 dB的良好阻抗匹配。近场测量系统验证了天线的辐射特性，两个独立制备的样品（S1、S2）表现出一致性能，证实了工艺的可重复性。

辐射方向图测试显示，E面和H面主瓣特性与仿真高度吻合，第一旁瓣电平（SLL）低于-15 dB。实测定向性曲线与理论计算趋势一致，最高孔径效率达35%。效率损失主要源于匹配层界面的残余反射以及复合材料微观缺陷引起的波前畸变。

波束扫描性能

通过横向偏移波导馈源位置实现波束扫描，在E面和H面分别获得±21°和±19°的扫描范围，波束间隔约3-4°。扫描损耗随偏移角度增大而增加，最大扫描损耗分别为5.5 dB（E面）和4.5 dB（H面）。

当馈源偏移超过2mm时，由于孔径相位误差导致方向图不对称和旁瓣抬升，这种现象与相控阵中的栅瓣效应类似。在270 GHz和320 GHz频点还观察到因空间混叠产生的次级波瓣。

本研究通过材料创新与结构设计相结合，成功研制出具有梯度介电常数分布的亚太赫兹透镜天线。该设计采用定制复合材料实现了介电参数的精确调控，通过λ/4匹配层结构有效解决了高介电芯片与空气界面阻抗失配的经典难题。实测结果表明，天线在220-330 GHz频段内具备高定向性（>22 dBi）和宽角波束扫描能力（±19°-21°），其性能优于传统Teflon（ε_r=2.2）和Rexolite（ε_r=2.53）透镜方案。创新的旋涂-模压复合制备工艺为异质介质集成提供了可靠路径，微CT分析证实了多层结构的完整性。该研究成果为6G通信系统提供了高性能天线解决方案，其材料定制方法可适配不同半导体工艺平台，在未来太赫兹通信、成像等领域具有广泛应用前景。