《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Design, Modeling, and Characterization of a Cascaded-Lens Antenna for 220 – 330 GHz with 51.1 dBi Gain
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本文针对传统单透镜天线在太赫兹频段增益受限、尺寸较大的问题，提出了一种基于高斯光束传播理论的级联透镜天线创新设计。研究团队通过WR3.4对角喇叭馈源与双凹-双凸透镜组合结构，在220-330 GHz频段实现51.1 dBi峰值增益，孔径效率达66%，为太赫兹通信系统提供了紧凑型高增益解决方案。
随着第六代移动通信(6G)技术的快速发展，太赫兹(THz)频段（0.1-10 THz）因其巨大的带宽资源而成为未来无线通信的关键技术方向。在220-330 GHz这一重要的太赫兹窗口频段，高增益天线是实现高质量通信的核心部件。然而，传统单透镜天线在该频段面临严峻挑战：一方面，随着频率升高，电磁波传播损耗急剧增加，需要更高增益的天线进行补偿；另一方面，单一透镜结构难以同时实现紧凑尺寸和高增益性能，往往需要增大透镜口径或加长喇叭与透镜间距，这会导致天线体积庞大，不利于系统集成。
为解决这一技术瓶颈，研究团队创新性地提出了级联透镜天线设计方案。该设计突破传统单透镜结构的局限，通过双透镜组合有效控制波束发散，在紧凑尺寸下实现高增益特性。相关研究成果已发表于《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》，为太赫兹通信天线设计提供了新的技术路径。
本研究主要采用三项关键技术方法：首先建立基于高斯光束传播的理论模型，通过数学计算预测天线辐射特性，显著减少全波仿真计算量；其次采用WR3.4对角喇叭作为馈源，结合双凹透镜和双凸透镜的级联结构优化波束性能；最后通过实验测量验证天线在220-330 GHz频段的辐射特性，包括辐射方向图和实际增益等关键参数。
天线设计与建模
研究团队开发了基于高斯光束传播的解析模型，该模型能够准确预测天线的辐射特性。通过将WR3.4对角喇叭作为初级辐射器，配合双凹透镜和双凸透镜的级联配置，有效控制了波束发散，增加了有效孔径。与需要大量计算资源的全波电磁仿真（如CST Microwave Studio Suite）相比，该理论模型大大简化了设计流程。
性能验证与实验结果
在240 GHz、280 GHz和320 GHz三个频点对单透镜配置进行了仿真与测量对比，验证了模型的准确性。级联透镜天线在220-330 GHz全频段内表现出色，实测峰值增益达到51.1 dBi，理论与实验值高度吻合。天线辐射方向图测量显示，旁瓣电平低至-40 dBc，表明其具有良好的方向性。
关键性能指标
该级联透镜天线展现出多项优越性能：紧凑的外形尺寸、高增益-孔径比（13.01 mm-2）以及66%的孔径效率。这些指标充分证明了该设计在实现高增益的同时，保持了结构的紧凑性，满足了太赫兹系统对天线小型化的要求。
研究结论表明，基于高斯光束传播的级联透镜天线设计方法，成功在220-330 GHz频段实现了高增益、低旁瓣的辐射性能。该设计不仅验证了理论模型的准确性，还展示了在太赫兹频段实现紧凑型高增益天线的可行性。这项研究的重要意义在于提供了一种可扩展的天线解决方案，为未来太赫兹通信、成像和传感系统的开发奠定了技术基础。通过降低对全波仿真的依赖，该设计方法还具有缩短研发周期、降低开发成本的潜在优势，对推动太赫兹技术实用化进程具有重要价值。
