太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線(xiàn)

作者 / 林斌 廈門(mén)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：微波射頻器件設計、太赫茲波段器件設計。

摘要：太赫茲技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴展，要求太赫茲波段天線(xiàn)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陶瓷基板作為天線(xiàn)介質(zhì)基板，創(chuàng )造性地將矩形環(huán)嵌套陣元天線(xiàn)和矩形陣列結構相結合，設計了一款太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線(xiàn)，制作了天線(xiàn)樣品進(jìn)行測試。測試結果表明，該款天線(xiàn)的工作中心頻率為1.032THz，回波損耗最小值為-42.34dB，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，有望得到廣泛應用。

引言

　　太赫茲波的波長(cháng)大于30微米而小于3毫米，頻率高于微波而低于紅外波。1THz對應的光子能量約為4.14 mcV，宇宙射線(xiàn)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)行探測的設備的限制，因此在上世紀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(kāi)發(fā)和利用，因此太赫茲波段被人們稱(chēng)為“太赫茲空白”(terahertz gap)。從上世紀80年代至今，由于科學(xué)家們在太赫茲輻射源產(chǎn)生設備以及對太赫茲輻射進(jìn)行探測的設備上均得到了突破，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(wú)二的特別性能，首先，太赫茲波的能量極低，與現在人們用來(lái)進(jìn)行探測的X光射線(xiàn)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(huì )對檢測對象造成任何傷害，因此，將太赫茲波用在醫學(xué)檢測上具有廣闊的市場(chǎng)前景;其次太赫茲波頻率很高，如果將太赫茲技術(shù)應用在通信領(lǐng)域，將會(huì )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)應用在衛星通信領(lǐng)域，鑒于外太空近似真空、沒(méi)有水分的環(huán)境，這將會(huì )使傳輸速度大大增加，因此，太赫茲通信技術(shù)有著(zhù)巨大的應用潛力;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出的效果極佳，如果再與太赫茲波超高的頻率特性結合在一起，可將其作為現階段人們所擁有的成像技術(shù)的一種強有力的補充，可用于污染源遠程檢測與定位，并可在機場(chǎng)、車(chē)站等人流量密集的公共場(chǎng)合的危險物品檢測領(lǐng)域大顯身手^[5-7]。

　　太赫茲波段天線(xiàn)是收發(fā)太赫茲波的關(guān)鍵器件，其性能決定著(zhù)太赫茲波段設備的性能優(yōu)劣。太赫茲波段天線(xiàn)設計中需要實(shí)現的性能目標是：天線(xiàn)尺寸小于太赫茲設備的尺寸，最好控制在200μm×200μm以?xún)?天線(xiàn)諧振頻率為1THz左右;回波損耗值小于-10dB時(shí)，天線(xiàn)的帶寬大于0.1THz，天線(xiàn)最低回波損耗值小于-15dB;天線(xiàn)能夠全向輻射;天線(xiàn)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(xiàn)

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

2 三維漸變介電常數陶瓷基板

　　三維漸變介電常數陶瓷基板是一種全新結構的陶瓷介質(zhì)基板，其介電常數可以沿著(zhù)基板長(cháng)、寬、高三維逐漸變化，結構如圖2所示，圖中數字表示某塊小陶瓷塊的介電常數。在陣列天線(xiàn)設計中使用這種新型基板后，每個(gè)陣元天線(xiàn)的介質(zhì)基板參數都不相同，因此每個(gè)陣元天線(xiàn)的諧振頻點(diǎn)不同。當不同陣元天線(xiàn)的諧振頻點(diǎn)較為接近時(shí)，它們的輻射和工作頻帶會(huì )相互疊加，形成一個(gè)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(xiàn)的性能冗余。

3 太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線(xiàn)結構設計

　　設計中使用的天線(xiàn)基板為低損耗太赫茲波段透波三維漸變介電常數陶瓷基板，其結構如圖2所示，其由7層8行8列共448個(gè)小陶瓷塊組成，圖2中的數字表示某塊小陶瓷塊的相對介電常數，小陶瓷塊的相對介電常數沿著(zhù)基板長(cháng)、寬、高三維漸變;相對介電常數最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對介電常數為18;相對介電常數最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對介電常數為58;小陶瓷塊的相對介電常數按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個(gè)小陶瓷塊的相對介電常數的差值為2。天線(xiàn)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陣列天線(xiàn)結構如圖3所示，天線(xiàn)包括貼覆在基板背面的天線(xiàn)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(xiàn)接地板為全金屬接地結構，矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結構作為基本陣列排布結構，8行8列共64個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線(xiàn)按照矩形陣列結構排列組成天線(xiàn)陣列。單個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線(xiàn)的工作帶寬雖然較大，但是輻射強度較弱，多個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線(xiàn)按照矩形陣列結構排列組成天線(xiàn)陣列，可以讓它們的輻射相疊加，進(jìn)一步增強天線(xiàn)的輻射強度。

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

4 太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線(xiàn)樣品的制作與測試

　　根據上文所描述的設計方案，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陣列天線(xiàn)樣品。我們對天線(xiàn)樣品的工作性能進(jìn)行了測試，結果如圖4和圖5所示。

　　由圖4可知，該款天線(xiàn)的工作中心頻率為1.032 THz，回波損耗最小值為-42.34dB，天線(xiàn)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(xiàn)方向圖的電面分為兩個(gè)部分，有效工作角度范圍超過(guò)300°;天線(xiàn)方向圖的磁面可在360°范圍內全向工作，天線(xiàn)整體具有全向工作能力。實(shí)測結果顯示，現有太赫茲設備所提出的各項性能要求該款天線(xiàn)均可以滿(mǎn)足。

5 結論

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

　　我們制作了天線(xiàn)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(xiàn)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備里;該款天線(xiàn)工作帶寬高達0.603 THz，相對工作帶寬高達51.34%，是目前已知的工作帶寬最大的太赫茲波段天線(xiàn)，具有超強的頻段兼容性;該款天線(xiàn)回波損耗最小值低達-42.34dB，且在0.947～1.292THz頻帶內，天線(xiàn)的回波損耗都低于-20dB，天線(xiàn)性能冗余較為充裕，在太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域具有很大的應用潛力。

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