太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線

作者 / 林斌 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院(福建 漳州 363105)

*基金項目：福建省中青年教師教育科研項目(編號：JAT160646)

林斌(1984-)，男，碩士，講師，研究方向：微波射頻器件設(shè)計、太赫茲波段器件設(shè)計。

摘要：太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，要求太赫茲波段天線具有更強的輻射特性和更寬的工作頻段。本文使用三維漸變介電常數(shù)陶瓷基板作為天線介質(zhì)基板，創(chuàng)造性地將矩形環(huán)嵌套陣元天線和矩形陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了一款太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線，制作了天線樣品進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，該款天線的工作中心頻率為1.032THz，回波損耗最小值為-42.34dB，天線工作頻帶范圍為0.873～1.476THz，絕對工作帶寬為0.603THz，相對工作帶寬為51.34%。該款天線在尺寸壓縮方面有較大優(yōu)勢，具有較為充裕的性能冗余，是目前已知的工作帶寬最大的太赫茲波段天線，有望得到廣泛應(yīng)用。

引言

　　太赫茲波的波長大于30微米而小于3毫米，頻率高于微波而低于紅外波。1THz對應(yīng)的光子能量約為4.14 mcV，宇宙射線的大部分能量都位于太赫茲波段[1-2]。由于科學(xué)家們受到對太赫茲波進(jìn)行探測的設(shè)備的限制，因此在上世紀(jì)80年代以前，太赫茲技術(shù)的發(fā)展十分緩慢，太赫茲波并未受到人們廣泛地開發(fā)和利用，因此太赫茲波段被人們稱為“太赫茲空白”(terahertz gap)。從上世紀(jì)80年代至今，由于科學(xué)家們在太赫茲輻射源產(chǎn)生設(shè)備以及對太赫茲輻射進(jìn)行探測的設(shè)備上均得到了突破，因此太赫茲技術(shù)在這幾十年得到了前所未有的發(fā)展^[3-4]。

　　太赫茲波擁有許多獨一無二的特別性能，首先，太赫茲波的能量極低，與現(xiàn)在人們用來進(jìn)行探測的X光射線相比幾乎可以忽略不計，尤其將太赫茲波用在活體檢測上，幾乎不會對檢測對象造成任何傷害，因此，將太赫茲波用在醫(yī)學(xué)檢測上具有廣闊的市場前景;其次太赫茲波頻率很高，如果將太赫茲技術(shù)應(yīng)用在通信領(lǐng)域，將會使傳輸速度向前跨越一大步，使通信技術(shù)發(fā)展邁上一層新的臺階;將太赫茲技術(shù)應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，鑒于外太空近似真空、沒有水分的環(huán)境，這將會使傳輸速度大大增加，因此，太赫茲通信技術(shù)有著巨大的應(yīng)用潛力;太赫茲波穿透能力極強，尤其在非極性液體和一些介電材料的透視成像上表現(xiàn)出的效果極佳，如果再與太赫茲波超高的頻率特性結(jié)合在一起，可將其作為現(xiàn)階段人們所擁有的成像技術(shù)的一種強有力的補充，可用于污染源遠(yuǎn)程檢測與定位，并可在機場、車站等人流量密集的公共場合的危險物品檢測領(lǐng)域大顯身手^[5-7]。

　　太赫茲波段天線是收發(fā)太赫茲波的關(guān)鍵器件，其性能決定著太赫茲波段設(shè)備的性能優(yōu)劣。太赫茲波段天線設(shè)計中需要實現(xiàn)的性能目標(biāo)是：天線尺寸小于太赫茲設(shè)備的尺寸，最好控制在200μm×200μm以內(nèi);天線諧振頻率為1THz左右;回波損耗值小于-10dB時，天線的帶寬大于0.1THz，天線最低回波損耗值小于-15dB;天線能夠全向輻射;天線性能冗余較為充裕，可以在各種電磁環(huán)境中保證太赫茲電磁波的傳輸質(zhì)量^[8-9]。

1 矩形環(huán)嵌套天線

　　矩形環(huán)嵌套天線是一種簡單、高效的寬頻帶天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。矩形環(huán)嵌套天線的外圈最大的矩形環(huán)在饋電后可作為金屬線圈天線產(chǎn)生輻射，此時內(nèi)圈金屬矩形環(huán)可以部分吸收外圈矩形環(huán)的輻射能量，生成感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)輻射。內(nèi)外圈矩形環(huán)的大小不同，所產(chǎn)生的輻射的頻率也不同，從外到內(nèi)，四個矩形環(huán)的輻射頻率逐漸提高，多個矩形環(huán)在不同頻率的饋電輻射和感應(yīng)輻射相疊加，使矩形環(huán)嵌套天線擁有較寬的工作頻段。

2 三維漸變介電常數(shù)陶瓷基板

　　三維漸變介電常數(shù)陶瓷基板是一種全新結(jié)構(gòu)的陶瓷介質(zhì)基板，其介電常數(shù)可以沿著基板長、寬、高三維逐漸變化，結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中數(shù)字表示某塊小陶瓷塊的介電常數(shù)。在陣列天線設(shè)計中使用這種新型基板后，每個陣元天線的介質(zhì)基板參數(shù)都不相同，因此每個陣元天線的諧振頻點不同。當(dāng)不同陣元天線的諧振頻點較為接近時，它們的輻射和工作頻帶會相互疊加，形成一個輻射強度和工作帶寬都較大的工作頻帶，從而提高陣列天線的性能冗余。

3 太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　設(shè)計中使用的天線基板為低損耗太赫茲波段透波三維漸變介電常數(shù)陶瓷基板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由7層8行8列共448個小陶瓷塊組成，圖2中的數(shù)字表示某塊小陶瓷塊的相對介電常數(shù)，小陶瓷塊的相對介電常數(shù)沿著基板長、寬、高三維漸變;相對介電常數(shù)最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對介電常數(shù)為18;相對介電常數(shù)最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對介電常數(shù)為58;小陶瓷塊的相對介電常數(shù)按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個小陶瓷塊的相對介電常數(shù)的差值為2。天線基板的形狀為矩形，基板總體尺寸是160mm×160mm，厚度為70mm。

　　太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線包括貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片。天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，8行8列共64個矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列。單個矩形環(huán)嵌套小天線的工作帶寬雖然較大，但是輻射強度較弱，多個矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，可以讓它們的輻射相疊加，進(jìn)一步增強天線的輻射強度。

　　每個矩形環(huán)嵌套小天線的大小為20mm×20mm，它由四個矩形環(huán)嵌套構(gòu)成，每個矩形環(huán)的線寬為1mm，四個矩形環(huán)的大小分別為16mm×16mm、12mm×12mm、8mm×8mm、4mm×4mm。每個矩形環(huán)嵌套小天線的最大矩形環(huán)的底邊中心位置設(shè)有饋電點。

4 太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線樣品的制作與測試

　　根據(jù)上文所描述的設(shè)計方案，我們成功利用磁控濺射工藝制作出了太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線樣品。我們對天線樣品的工作性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4和圖5所示。

　　由圖4可知，該款天線的工作中心頻率為1.032 THz，回波損耗最小值為-42.34dB，天線工作頻帶范圍為0.873～1.476THz，絕對工作帶寬為0.603THz，相對工作帶寬為51.34%。由圖5可知，天線方向圖的電面分為兩個部分，有效工作角度范圍超過300°;天線方向圖的磁面可在360°范圍內(nèi)全向工作，天線整體具有全向工作能力。實測結(jié)果顯示，現(xiàn)有太赫茲設(shè)備所提出的各項性能要求該款天線均可以滿足。

5 結(jié)論

　　本文針對不斷發(fā)展的太赫茲應(yīng)用技術(shù)對太赫茲波段天線提出的性能要求，使用太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陶瓷基板作為天線介質(zhì)基板，將矩形環(huán)嵌套陣元天線和矩形陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了一款太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線。使用矩形環(huán)嵌套天線作為陣元天線，通過外圈矩形環(huán)的饋電輻射和內(nèi)圈矩形環(huán)的感應(yīng)輻射相疊加，可以保證天線有較大的工作帶寬。將矩形環(huán)嵌套天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列，可以使多個矩形環(huán)嵌套天線的輻射相疊加，增強天線對太赫茲電磁波的收發(fā)能力。使用三維漸變介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)基板，可以進(jìn)一步增強天線的輻射強度和工作帶寬，提高陣列天線的性能冗余。

　　我們制作了天線樣品，并對其輻射特性和方向圖特性進(jìn)行了測試。該款天線尺寸僅為160mm×160mm，在尺寸壓縮方面具有獨特的優(yōu)勢，可以放進(jìn)各種毫米量級的太赫茲設(shè)備里;該款天線工作帶寬高達(dá)0.603 THz，相對工作帶寬高達(dá)51.34%，是目前已知的工作帶寬最大的太赫茲波段天線，具有超強的頻段兼容性;該款天線回波損耗最小值低達(dá)-42.34dB，且在0.947～1.292THz頻帶內(nèi)，天線的回波損耗都低于-20dB，天線性能冗余較為充裕，在太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]童勁超.新型太赫茲探測物理及器件研究[D].上海:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,2015.

　　[2]柴路,牛躍,栗巖峰,等.差頻可調(diào)諧太赫茲技術(shù)的新進(jìn)展[J].物理學(xué)報,2016,45(4):1-15.

　　[3]趙國忠.太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的新進(jìn)展[J].國外電子測量技術(shù),2014,33(2):1-6.

　　[4]吳邵華,李林濤,孫興,等.太赫茲器件與技術(shù)發(fā)展動態(tài)[J].云光技術(shù),2016,48(1):5-8.

　　[5]賴偉恩.太赫茲時域光譜與新穎太赫茲薄膜器件的研究[D].四川成都:電子科技大學(xué),2014.

　　[6]李斌,陳立平.太赫茲技術(shù)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)污染檢測探索研究[J].紅外與激光工程,2016,45(4):61-67.

　　[7]朱新建,何璇,王品,等.太赫茲成像技術(shù)應(yīng)用于燒傷檢測的研究發(fā)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2016,33(1):184-187.

　　[8]王漢奇,劉鑫,鄧朝,等.一種可用于太赫茲掃描成像的天線[J].光學(xué)學(xué)報,2015,35(7):140-145.　　[9]Xia Zuxue, Liu Falin, Chen Junxue, et al. Impact of dipole photoconductive antenna structure on the THz radiation characteristics [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2430-2433.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第37頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。