頂加載分形光子晶體太赫茲波段天線設(shè)計(jì)

　　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，絕對工作帶寬應(yīng)大于0.1 THz，相對工作帶寬應(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。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)尺寸與其對應(yīng)的電磁波波長數(shù)量級一致。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，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，相對較容易制作，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，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、低溫對其機(jī)械性能影響很小。

　　薄膜基質(zhì)的相對介電常數(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，絕對工作帶寬為0.135 THz，相對工作帶寬為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)備對于天線的性能要求。

　　4.2 薄膜基質(zhì)參數(shù)變化對天線性能的影響

　　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)的相對介電常數(shù)εr會發(fā)生變化，這種變化對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εr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)εr≥4時(shí)，隨著相對介電常數(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)相對介電常數(shù)可以提高天線的性能。

　　但是，當(dāng)相對介電常數(shù)減小較多(εr<4)時(shí)，繼續(xù)減小相對介電常數(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)相對介電常數(shù)的變化較大時(shí)，天線的匹配會被破壞，天線的輻射性能和帶寬性能都會變差。

　　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，絕對工作帶寬為0.118 THz，相對工作帶寬為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

　　本文針對太赫茲設(shè)備對于天線的性能要求，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)域有限差分法對天線性能進(jìn)行了仿真分析，對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。