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光电学院董国艳研究组在小型定向辐射天线方面取得新进展

  • 文、图/董国艳研究组
  • 日期:2022-12-26
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     光的重定向和高定向辐射是光子集成通路中的关键技术,在定向天线、点对点地空通信以及广播通信卫星等领域具有重要应用。由电介质构成的低损耗光子晶体用于控制电磁波的流动,但普通光子晶体器件的反射壁厚、界面阻抗失配低辐射效率等问题阻碍了其在小型化、兼容性和实用性方面的发展。

图1. 15.3GHz时天线的远场辐射仿真和实验测得辐射强度远场图

近日,国科大光电学院董国艳研究组及其合作者以二维光子晶体阵列为关键组件开发出一种结构超紧凑的新型定向辐射天线,用于空间微波波束的控制和信号定向辐射。通过二维光子晶体阵列在半开放U形金属腔中的带边晶格诱导共振,实现了三维空间3dB分束和高定向辐射,最大增益达到20.73dBi,单侧孔径效率达49.77%。该天线的体积仅为10´10´7.4立方厘米,出射端口的孔径衍射被有效抑制,旁瓣限制在-20dB以下,同时保障了高传导效率和辐射光束的高方向性,相关性能已在微波段得到证实。这种基于光子带边晶格诱导共振的定向发射机理完全不同于抛物面天线、相控阵和可编程元表面的定向理论。与传统定向天线相比,该种天线具有结构紧凑、工艺简单、成本低、便携和易调控的特点,结合对称重定向分束和高方向增益等优点,使其非常适合对空间信息的传输和操纵,在遥感和无线通信领域具有广泛的应用前景。

图2.(a)磁平面(b)电平面中远场模拟和实验的比较;实验测得(c)方向增益和(d)空间相位分布

相关研究工作近期以“Spatial observation of highly directional radiation from a compact 3D photonic-crystal antenna in Ku band ”为题发表于学术期刊《Applied Physics Letters》(DOI: 10.1063/5.0133004)。董国艳副教授为论文的第一作者和通讯作者,研究生郭晓凡为第二作者,杨青山研究员为共同通讯作者。