0 引言

    太赫茲（THz）波是一種頻率高于微波而低于紅外光的電磁波,，1 THz=10¹² Hz,。上世紀(jì)八十年代以來，微型半導(dǎo)體技術(shù),、超快光電子技術(shù)發(fā)展迅速,，高性能太赫茲波源和檢測設(shè)備研制成功，太赫茲波技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,。物質(zhì)的太赫茲譜信息豐富且分辨率高^[1-3],，太赫茲電磁波在環(huán)境保護(hù)監(jiān)控、成像與檢測,、疾病診斷,、天文研究、高速寬帶移動(dòng)通信,、軍用偵察設(shè)備等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用價(jià)值^[4-7],。

太赫茲波的應(yīng)用離不開太赫茲波發(fā)射和接收裝置，性能優(yōu)異的太赫茲波段天線對(duì)于太赫茲波的應(yīng)用具有重要意義,。太赫茲波段設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,，在多種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下工作的幾率較高，要求太赫茲波段天線具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能,，能夠耐受酸,、堿、油和常見溶劑,，能夠在高溫和低溫環(huán)境下正常工作,；太赫茲波段天線的尺寸應(yīng)較小，保證其能夠放進(jìn)毫米或亞毫米數(shù)量級(jí)的太赫茲設(shè)備里,；天線的工作中心頻率應(yīng)在1 THz附近,，回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB，絕對(duì)工作帶寬應(yīng)大于0.1 THz,，相對(duì)工作帶寬應(yīng)大于10%,。

    近年來，國內(nèi)外學(xué)者研制成功了一批太赫茲波段天線,。西安理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過在天線介質(zhì)襯底中使用光子晶體結(jié)構(gòu),，成功設(shè)計(jì)了一款回波損耗和方向圖特性都較好的太赫茲天線^[8]；首都師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用在矩形波導(dǎo)的窄邊開斜縫的方法,，設(shè)計(jì)了一款可用于掃描成像的太赫茲天線^[9],；英國謝菲爾德大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研制了一款帶有雙層二維光子帶隙的太赫茲偶極子天線，實(shí)現(xiàn)了高輸入電阻的太赫茲天線設(shè)計(jì)^[10],；日本富士通實(shí)驗(yàn)室基于扇出晶圓級(jí)封裝技術(shù),，設(shè)計(jì)了一款太赫茲集成天線,，實(shí)現(xiàn)了太赫茲天線的小型化^[11]。上述太赫茲天線設(shè)計(jì)都成功實(shí)現(xiàn)了小型化,，回波損耗性能也較好,，但是天線工作頻率都較低，只有0.1～0.5 THz,，還未達(dá)到1 THz,；上述太赫茲天線的工作帶寬都較小，屬于窄帶天線,，相對(duì)工作帶大于10%的寬頻帶工作的太赫茲天線未見報(bào)道,。同時(shí)使用頂加載技術(shù)、分形結(jié)構(gòu),、光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲天線設(shè)計(jì)方案未見報(bào)道,。

1 頂加載技術(shù)簡介

    頂加載技術(shù)是一種常見的提高天線效率、縮減天線體積的有效方法^[12],。頂加載是在天線頂部加上具有較大的分布電容的負(fù)載,，使用頂加載結(jié)構(gòu)后，天線的頂部分布電容可以等效為一段開路傳輸線,，等效傳輸線長度與天線原長度相疊加,，使天線的工作長度得到延長。小尺寸天線在頂部加上容性負(fù)載后,，可以等效為工作長度較長的天線使用,。小球加載、圓盤加載,、輻射葉加載等都是有效的頂加載方式,。

2 分形光子晶體結(jié)構(gòu)簡介

    光子晶體結(jié)構(gòu)是由一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期性排布組成的新型光學(xué)材料，其變化周期為光波長量級(jí),。光子晶體尚未獲得廣泛應(yīng)用,，這與其制作工藝要求較高有關(guān)。光子晶體的周期結(jié)構(gòu)尺寸與其對(duì)應(yīng)的電磁波波長數(shù)量級(jí)一致,。紅外光波段的光子晶體結(jié)構(gòu),，其尺寸要求精確到微米數(shù)量級(jí)，制作難度較大,。微波段的光子晶體結(jié)構(gòu),，其尺寸只要求精確到厘米數(shù)量級(jí)，相對(duì)較容易制作,，但是較大的尺寸使它難以實(shí)現(xiàn)小型化,，限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。太赫茲波介于上述兩個(gè)波段之間,，太赫茲波段光子晶體結(jié)構(gòu)尺寸較小,，能夠適應(yīng)太赫茲器件小型化的要求,，其尺寸要求精確到亞毫米數(shù)量級(jí)，目前的制作工藝可以達(dá)到這個(gè)精度要求,，這些都說明了基于光子晶體結(jié)構(gòu)制作太赫茲波段的器件是可行的。

    光子晶體產(chǎn)生的光子帶隙能夠全部或部分阻礙電磁波的傳播,。在天線設(shè)計(jì)中使用光子晶體結(jié)構(gòu)時(shí),，經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)，可以使光子晶體產(chǎn)生的光子帶隙頻率與天線的工作中心頻率一致,，這時(shí)光子帶隙將部分阻止天線在原工作中心頻率的能量輻射,，使能量擴(kuò)散到附近的頻率輻射，從而增加了天線輻射能量的頻率范圍,，增大天線的工作帶寬,。

    對(duì)于工作在太赫茲波段的器件，實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)要求之一,，而分形技術(shù)無疑是滿足這一要求的一種有效方法,。我們利用分形結(jié)構(gòu)能夠有效地設(shè)計(jì)小型化、寬頻帶工作器件^[13-14],。

    將分形結(jié)構(gòu)與光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合,，將光子晶體的每個(gè)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分形結(jié)構(gòu)，可以得到分形光子晶體結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)將兼具兩者的優(yōu)點(diǎn),，具有出色的寬頻帶工作特性。

3 頂加載分形光子晶體天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文在設(shè)計(jì)中使用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate, PET）薄膜基質(zhì)作為天線的基質(zhì)材料,，保證了天線結(jié)構(gòu)可以耐油,、耐稀酸、耐稀堿,、耐大多數(shù)溶劑,，天線可在-70 ℃～150 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，且高,、低溫對(duì)其機(jī)械性能影響很小,。

    薄膜基質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為4，形狀為矩形,，尺寸是80 μm×40 μm,，厚度為10 μm。天線由印刷在薄膜基質(zhì)正面的輻射貼片和印刷在薄膜基質(zhì)背面的分形光子晶體結(jié)構(gòu)組成,。

    天線輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖1所示,。輻射貼片的基本結(jié)構(gòu)是偶極子天線，在偶極子天線的頂端加上了光子晶體結(jié)構(gòu)作為頂負(fù)載,，利用它的孔隙結(jié)構(gòu)得到較大的分布電容,，提高偶極子天線的有效工作長度,。

    偶極子臂由尺寸為16 μm×8 μm的金屬輻射臂和尺寸為24 μm ×40 μm的頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)組成。頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)劃分為5行3列15個(gè)小正方形區(qū)域,，每個(gè)小正方形區(qū)域的大小都為8 μm×8 μm,，每個(gè)小正方形區(qū)域的中心是一個(gè)尺寸為4 μm×4μm的正方形開孔，每個(gè)小正方形區(qū)域的外圍是金屬輻射區(qū),。

    分形光子晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示,，它由2行3列共6個(gè)2階康托爾分形金屬貼片組成，每個(gè)2階康托爾分形金屬貼片的尺寸為16 μm×16 μm,。使用分形金屬陣列光子晶體結(jié)構(gòu)后,，天線輻射貼片的部分輻射會(huì)被金屬陣列吸收，激發(fā)出二次輻射,，原輻射與二次輻射同相疊加,，可以有效提高天線的輻射強(qiáng)度；同時(shí),，分形光子晶體結(jié)構(gòu)將大大增加天線的工作帶寬,。

4 天線輻射性能仿真與分析

4.1 天線輻射性能仿真

    本文使用時(shí)域有限差分法對(duì)天線的輻射性能進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示,。

    從圖3(a)可知,，該款天線的工作中心頻率為1.00 THz，回波損耗最小值為-31.61 dB,，天線工作頻帶范圍為0.917～1.052 THz,，絕對(duì)工作帶寬為0.135 THz，相對(duì)工作帶寬為13.5%,。從圖3(b)可知,，該款天線的H面和E面方向圖都能夠有效覆蓋超過280°的角度范圍，天線具有全向輻射特性,。仿真結(jié)果顯示,，該款天線能夠很好地滿足現(xiàn)有太赫茲波段設(shè)備對(duì)于天線的性能要求。

4.2 薄膜基質(zhì)參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響

    在天線實(shí)際制作過程中,，由于制作工藝的不同,，薄膜基質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε_r會(huì)發(fā)生變化，這種變化對(duì)天線性能的影響情況需要詳細(xì)討論,。在保持薄膜基質(zhì)的厚度為10 μm不變的情況下,，通過改變薄膜基質(zhì)的ε_r值，進(jìn)行了一系列的仿真計(jì)算,，結(jié)果如圖4所示,。

    從圖4可知，當(dāng)ε_r≥4時(shí)，隨著相對(duì)介電常數(shù)的減小,，天線的回波損耗最小值逐漸變小,，天線工作帶寬逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)介電常數(shù)減小時(shí),，天線的品質(zhì)因數(shù)隨之減小,，天線貯存的能量減少，天線將把更多的能量用于輻射,，從而使天線工作帶寬增大,。因此，適當(dāng)減小薄膜基質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)可以提高天線的性能,。

    但是，當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)減小較多(ε_r<4)時(shí),，繼續(xù)減小相對(duì)介電常數(shù)將導(dǎo)致天線的回波損耗最小值逐漸變大,，天線工作帶寬逐漸變小，這說明當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)的變化較大時(shí),，天線的匹配會(huì)被破壞,，天線的輻射性能和帶寬性能都會(huì)變差。

5 天線樣品性能測試

    根據(jù)前文所述的設(shè)計(jì)方案,，使用磁控濺射工藝制作出了天線樣品,，并對(duì)天線樣品的輻射性能進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果如圖5所示,。

    對(duì)比圖5和圖3可知,，天線輻射性能的實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果相似。實(shí)測結(jié)果顯示,，該款天線的工作中心頻率為0.98 THz,，回波損耗最小值為-28.08 dB，天線工作頻帶范圍為0.925～1.043 THz,，絕對(duì)工作帶寬為0.118 THz,，相對(duì)工作帶寬為12.04%，該款天線的H面和E面實(shí)測方向圖都具有全向輻射特性,。

6 結(jié)論

    本文針對(duì)太赫茲設(shè)備對(duì)于天線的性能要求,，使用物理、化學(xué)特性非常穩(wěn)定,、機(jī)械性能和耐高,、低溫性能都很好的PET薄膜基質(zhì)作為天線的基質(zhì)材料，將頂加載技術(shù),、分形結(jié)構(gòu),、光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一款頂加載分形光子晶體太赫茲波段天線。本文使用時(shí)域有限差分法對(duì)天線性能進(jìn)行了仿真分析,，對(duì)天線性能隨薄膜基質(zhì)參數(shù)的變化情況做了詳盡討論,，制作了天線樣品，進(jìn)行了實(shí)際測試,。本款天線具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能,，可在-70 ℃～150 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。天線尺寸很小,，只有80 μm×40 μm×10 μm,，可以放進(jìn)各種微型太赫茲設(shè)備里。本款天線的工作中心頻率為0.98 THz,，天線回波損耗最小值低至-28.08 dB,，天線工作帶寬達(dá)到0.118 THz，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段天線的寬頻化工作,。本款天線具有輻射性能好,、工作帶寬大的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的性能冗余,，在多種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下可以正常工作,，在太赫茲波段設(shè)備中有望得到廣泛應(yīng)用。

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作者信息:

林  斌

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州363105）