顶加载分形光子晶体太赫兹波段天线设计

　　引言

　　太赫兹(THz)波是一种频率高于微波而低于红外光的电磁波，1 THz=1012 Hz。上世纪八十年代以来，微型半导体技术、超快光电子技术发展迅速，高性能太赫兹波源和检测设备研制成功，太赫兹波技术取得了长足的进步。物质的太赫兹谱信息丰富且分辨率高[1-3]，太赫兹电磁波在环境保护监控、成像与检测、疾病诊断、天文研究、高速宽带移动通信、军用侦察设备等领域都具有巨大的应用价值[4-7]。

　　太赫兹波的应用离不开太赫兹波发射和接收装置，性能优异的太赫兹波段天线对于太赫兹波的应用具有重要意义。太赫兹波段设备应用领域广阔，在多种不可预知的恶劣环境下工作的几率较高，要求太赫兹波段天线具有优良的物理机械性能，能够耐受酸、碱、油和常见溶剂，能够在高温和低温环境下正常工作;太赫兹波段天线的尺寸应较小，保证其能够放进毫米或亚毫米数量级的太赫兹设备里;天线的工作中心频率应在1 THz附近，回波损耗最小值应小于-20 dB，绝对工作带宽应大于0.1 THz，相对工作带宽应大于10%。

　　近年来，国内外学者研制成功了一批太赫兹波段天线。西安理工大学的研究团队通过在天线介质衬底中使用光子晶体结构，成功设计了一款回波损耗和方向图特性都较好的太赫兹天线[8];首都师范大学的研究团队利用在矩形波导的窄边开斜缝的方法，设计了一款可用于扫描成像的太赫兹天线[9];英国谢菲尔德大学的研究团队研制了一款带有双层二维光子带隙的太赫兹偶极子天线，实现了高输入电阻的太赫兹天线设计[10];日本富士通实验室基于扇出晶圆级封装技术，设计了一款太赫兹集成天线，实现了太赫兹天线的小型化[11]。上述太赫兹天线设计都成功实现了小型化，回波损耗性能也较好，但是天线工作频率都较低，只有0.1～0.5 THz，还未达到1 THz;上述太赫兹天线的工作带宽都较小，属于窄带天线，相对工作带大于10%的宽频带工作的太赫兹天线未见报道。同时使用顶加载技术、分形结构、光子晶体结构的太赫兹天线设计方案未见报道。

　　1 顶加载技术简介

　　顶加载技术是一种常见的提高天线效率、缩减天线体积的有效方法[12]。顶加载是在天线顶部加上具有较大的分布电容的负载，使用顶加载结构后，天线的顶部分布电容可以等效为一段开路传输线，等效传输线长度与天线原长度相叠加，使天线的工作长度得到延长。小尺寸天线在顶部加上容性负载后，可以等效为工作长度较长的天线使用。小球加载、圆盘加载、辐射叶加载等都是有效的顶加载方式。

　　2 分形光子晶体结构简介

　　光子晶体结构是由一种介质在另一种介质中周期性排布组成的新型光学材料，其变化周期为光波长量级。光子晶体尚未获得广泛应用，这与其制作工艺要求较高有关。光子晶体的周期结构尺寸与其对应的电磁波波长数量级一致。红外光波段的光子晶体结构，其尺寸要求精确到微米数量级，制作难度较大。微波段的光子晶体结构，其尺寸只要求精确到厘米数量级，相对较容易制作，但是较大的尺寸使它难以实现小型化，限制了它的应用领域。太赫兹波介于上述两个波段之间，太赫兹波段光子晶体结构尺寸较小，能够适应太赫兹器件小型化的要求，其尺寸要求精确到亚毫米数量级，目前的制作工艺可以达到这个精度要求，这些都说明了基于光子晶体结构制作太赫兹波段的器件是可行的。

　　光子晶体产生的光子带隙能够全部或部分阻碍电磁波的传播。在天线设计中使用光子晶体结构时，经过严格设计，可以使光子晶体产生的光子带隙频率与天线的工作中心频率一致，这时光子带隙将部分阻止天线在原工作中心频率的能量辐射，使能量扩散到附近的频率辐射，从而增加了天线辐射能量的频率范围，增大天线的工作带宽。

　　对于工作在太赫兹波段的器件，实现宽频带工作是设计的重点要求之一，而分形技术无疑是满足这一要求的一种有效方法。我们利用分形结构能够有效地设计小型化、宽频带工作器件[13-14]。

　　将分形结构与光子晶体结构相结合，将光子晶体的每个周期结构设计为分形结构，可以得到分形光子晶体结构，这种结构将兼具两者的优点，具有出色的宽频带工作特性。

　　3 顶加载分形光子晶体天线结构设计

　　本文在设计中使用聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET)薄膜基质作为天线的基质材料，保证了天线结构可以耐油、耐稀酸、耐稀碱、耐大多数溶剂，天线可在-70 ℃～150 ℃的温度范围内正常工作，且高、低温对其机械性能影响很小。

　　薄膜基质的相对介电常数为4，形状为矩形，尺寸是80 μm×40 μm，厚度为10 μm。天线由印刷在薄膜基质正面的辐射贴片和印刷在薄膜基质背面的分形光子晶体结构组成。

　　天线辐射贴片结构如图1所示。辐射贴片的基本结构是偶极子天线，在偶极子天线的顶端加上了光子晶体结构作为顶负载，利用它的孔隙结构得到较大的分布电容，提高偶极子天线的有效工作长度。

　　偶极子臂由尺寸为16 μm×8 μm的金属辐射臂和尺寸为24 μm ×40 μm的顶加载光子晶体结构组成。顶加载光子晶体结构划分为5行3列15个小正方形区域，每个小正方形区域的大小都为8 μm×8 μm，每个小正方形区域的中心是一个尺寸为4 μm×4μm的正方形开孔，每个小正方形区域的外围是金属辐射区。

　　分形光子晶体结构如图2所示，它由2行3列共6个2阶康托尔分形金属贴片组成，每个2阶康托尔分形金属贴片的尺寸为16 μm×16 μm。使用分形金属阵列光子晶体结构后，天线辐射贴片的部分辐射会被金属阵列吸收，激发出二次辐射，原辐射与二次辐射同相叠加，可以有效提高天线的辐射强度;同时，分形光子晶体结构将大大增加天线的工作带宽。

　　4 天线辐射性能仿真与分析

　　4.1 天线辐射性能仿真

　　本文使用时域有限差分法对天线的辐射性能进行了仿真，结果如图3所示。

　　从图3(a)可知，该款天线的工作中心频率为1.00 THz，回波损耗最小值为-31.61 dB，天线工作频带范围为0.917～1.052 THz，绝对工作带宽为0.135 THz，相对工作带宽为13.5%。从图3(b)可知，该款天线的H面和E面方向图都能够有效覆盖超过280°的角度范围，天线具有全向辐射特性。仿真结果显示，该款天线能够很好地满足现有太赫兹波段设备对于天线的性能要求。

　　4.2 薄膜基质参数变化对天线性能的影响

　　在天线实际制作过程中，由于制作工艺的不同，薄膜基质的相对介电常数εr会发生变化，这种变化对天线性能的影响情况需要详细讨论。在保持薄膜基质的厚度为10 μm不变的情况下，通过改变薄膜基质的εr值，进行了一系列的仿真计算，结果如图4所示。

　　从图4可知，当εr≥4时，随着相对介电常数的减小，天线的回波损耗最小值逐渐变小，天线工作带宽逐渐增大。这是因为当介电常数减小时，天线的品质因数随之减小，天线贮存的能量减少，天线将把更多的能量用于辐射，从而使天线工作带宽增大。因此，适当减小薄膜基质相对介电常数可以提高天线的性能。

　　但是，当相对介电常数减小较多(εr<4)时，继续减小相对介电常数将导致天线的回波损耗最小值逐渐变大，天线工作带宽逐渐变小，这说明当相对介电常数的变化较大时，天线的匹配会被破坏，天线的辐射性能和带宽性能都会变差。

　　5 天线样品性能测试

　　根据前文所述的设计方案，使用磁控溅射工艺制作出了天线样品，并对天线样品的辐射性能进行了实际测试，结果如图5所示。

　　对比图5和图3可知，天线辐射性能的实测结果和仿真结果相似。实测结果显示，该款天线的工作中心频率为0.98 THz，回波损耗最小值为-28.08 dB，天线工作频带范围为0.925～1.043 THz，绝对工作带宽为0.118 THz，相对工作带宽为12.04%，该款天线的H面和E面实测方向图都具有全向辐射特性。

　　6 结论

　　本文针对太赫兹设备对于天线的性能要求，使用物理、化学特性非常稳定、机械性能和耐高、低温性能都很好的PET薄膜基质作为天线的基质材料，将顶加载技术、分形结构、光子晶体结构结合在一起，设计了一款顶加载分形光子晶体太赫兹波段天线。本文使用时域有限差分法对天线性能进行了仿真分析，对天线性能随薄膜基质参数的变化情况做了详尽讨论，制作了天线样品，进行了实际测试。本款天线具有优良的物理机械性能，可在-70 ℃～150 ℃的温度范围内正常工作。天线尺寸很小，只有80 μm×40 μm×10 μm，可以放进各种微型太赫兹设备里。本款天线的工作中心频率为0.98 THz，天线回波损耗最小值低至-28.08 dB，天线工作带宽达到0.118 THz，实现了太赫兹波段天线的宽频化工作。本款天线具有辐射性能好、工作带宽大的优点，具有较大的性能冗余，在多种不可预知的恶劣环境下可以正常工作，在太赫兹波段设备中有望得到广泛应用。