一種THz頻段高效光子晶體微帶天線分析

林若波

(揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽522051)

現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展對天線提出更高的要求，希望系統(tǒng)天線低成本、高效率、小型化，特別是毫米波和微波技術(shù)，正處于高速發(fā)展階段。而多媒體業(yè)務(wù)，包括電話、有線電視(CATV)、數(shù)字電視和Internet的快速和全面發(fā)展，對電路帶寬和容量的要求急劇增加，對傳輸與接收技術(shù)提出更高的要求。THz頻段是指位于0.1 THz到10 THz之間的頻段，由于具有帶寬寬、成本低、可靠性好和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，研究和探索太赫茲天線技術(shù)已成為新興的研究領(lǐng)域［1］，在生物和醫(yī)藥、天文、大氣和環(huán)境、成像和波譜、儀器和物性研究以及安全和國防等方面有很寬廣的應(yīng)用空間。THz波的頻帶很寬，在通信方面的應(yīng)用，前景也無限［2］。中國科學(xué)院微電子研究所劉洪剛等在太赫茲核心器件研究方面取得進(jìn)展，使得太赫茲波在公共安全、無損檢測、射電天文、環(huán)境監(jiān)測、寬帶通信、空間探測、生物醫(yī)學(xué)等方面具有更重要的應(yīng)用前景［3］。

微帶天線由于具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小及易于制造等優(yōu)點(diǎn)，引起眾多科研人員的極大研究興趣，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)。為了盡可能地提高微帶天線的輻射效率，很多學(xué)者已取得了重大突破［4－8］。但由于微帶天線增益很低，帶寬也比較窄，使得其應(yīng)用受到較大限制。近年來出現(xiàn)的PBG(Photonic Band Gap)光子帶隙材料，也稱光子晶體(Photonic Crystals)，為提高微帶天線的整體性能提供了新的研究思路［9－10］。Singh and Tiwari［11－12］將光子晶體應(yīng)用在 THz頻段微帶矩形貼片天線。Agi and Malloy［13］通過實(shí)驗(yàn)和計算研究了集成微帶貼片天線和二維光子晶體襯底。最近，Nasser［14］已經(jīng)嘗試了將二維等離子體晶體材料應(yīng)用于微帶天線的設(shè)計中，已取得豐富的研究成果。光子晶體的應(yīng)用研究已經(jīng)成為最熱門的前沿科研課題之一。

1 THz頻段矩形微帶天線的分析與設(shè)計

1.1 天線理論分析［15］

根據(jù)矩形微帶天線的設(shè)計要求，輻射貼片的尺寸可根據(jù)公式估算

式中：c表示真空中的光速;f表示天線的工作頻率;εr表示介質(zhì)的相結(jié)介電常數(shù);εe表示有效介電常數(shù)，且

式中：h表示介質(zhì)層厚度;w表示微帶貼片的寬度。為了抑制表面波輻射的產(chǎn)生，介質(zhì)基片的最大厚度h應(yīng)滿足

天線工作在TM10模式，W方向一般取在中心點(diǎn)，即yf=0。輸入阻抗等于50 Ω時的饋點(diǎn)位置可由公式計算

1.2 普通矩形微帶天線模型仿真

為設(shè)計一款位于THz頻段的微帶天線，根據(jù)天線理論分析，本設(shè)計要求中心頻率為0.1 THz，采用微帶線饋電。這里選取1 000 μm ×1 000 μm ×100 μm 的基材，介質(zhì)板材選用Rogers TMM10，相對介電常數(shù)εr=9.2，損耗正切 tanφ =0.002 2，輻射貼片天線尺寸 L=600 μm，W=395 μm，微帶線尺寸 L1=270 μm，W1=50 μm，如圖 1 所示。在HFSS12中仿真，在頻率f=0.1 THz時，天線回波損耗為－19.45 dB，駐波比(VSWR≤2)的阻抗帶寬為3.0%。

圖1 矩形微帶天線結(jié)構(gòu)圖和S(1，1)掃頻分析結(jié)果

1.3 光子晶體帶隙介質(zhì)微帶天線模型仿真

為提高增益，使用光子晶體帶隙為介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。通過光子晶體的帶隙及在光子晶體中制造各種缺陷，比如線缺陷或點(diǎn)缺陷，可以有效地抑制表面波的輻射，減少天線的回波損耗。本設(shè)計擬在介質(zhì)中鉆出周期性空氣柱，改變介質(zhì)的有效介電常數(shù)，同時使中心頻率落在光子晶體禁帶范圍內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)［16］報道，在2D光子晶體中，只要鉆出三列孔就可以滿足禁帶要求。禁帶的中心頻率f0是PBG結(jié)構(gòu)周期的函數(shù)，即與d相關(guān)，具體關(guān)系為

式中：f0為禁帶中心頻率;c為真空中的光速;d為孔之間的周期距離;εe為微帶線的有效介電常數(shù)。取光子禁帶中心頻率f0=0.1 THz，可計算得出 d=60 μm。因此，從饋點(diǎn)處開始中，在光子晶體基底介質(zhì)上鉆出5×7空氣孔PBG 結(jié)構(gòu)［17］，空氣孔半徑 r=100 μm，L 方向孔距 d1=60 μm，W 方向孔距 d2=120 μm，微帶線 L1=270 μm，W1=50 μm，如圖2所示。在HFSS12中進(jìn)行了仿真，天線的傳輸效能明顯提高。圖3仿真結(jié)果顯示微帶天線中心頻率右移，在107 GHz的回波損耗達(dá)－41 dB，比原來減少約22 dB，駐波比(VSWR≤2)的阻抗帶寬為4.1%，比原來提高1.1%。圖4則顯示天線在頻率0.11 THz處遠(yuǎn)場輻射E平面和H平面的增益，最大增益天線輻射方向達(dá)到8.8 dB。

2 結(jié)果分析

結(jié)果分析內(nèi)容如下：

1)光子晶體帶隙能有效地抑制表面波的輻射。通過選擇適當(dāng)?shù)目讖胶涂拙?，使諧振頻率點(diǎn)落在光子晶體禁帶，能有效地將能量耦合到輻射場。由于光子晶體空氣隙的引入，有效介電常數(shù)變小，導(dǎo)致工作頻率稍微增大?？諝饪装霃皆酱?，工作頻率右移越明顯。圖5顯示了不同孔徑下天線的回波損耗，當(dāng)空氣孔半徑r=15 μm時，回波損耗達(dá)－41 dB。圖6顯示了不同孔距下天線的回波損耗，當(dāng)空氣孔距d=60 μm時，回波損耗達(dá)－41 dB。

圖4 0.11 THz時天線遠(yuǎn)場輻射在E面和H面的增益方向圖

2)阻抗匹配也是影響天線性能的重要參數(shù)，微帶線的寬度會影響天線的輸入阻抗和回波損耗。圖7顯示了微帶線在不同寬度下天線的回波損耗，當(dāng)寬度W1=50 μm時，天線的回波損耗達(dá)到最小，天線性能最優(yōu)。

圖7 不同微帶寬度下天線回波損耗掃頻優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究是目前最熱門的研究課題，它將廣泛應(yīng)用于THz/毫米波技術(shù)領(lǐng)域中。本文通過對一款0.1 THz矩形微帶天線的設(shè)計與優(yōu)化，引入光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)，基于HFSS12.0軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示天線的回波損耗從－19.45 dB降至－41 dB，帶寬從3%增至4.1%，極大地抑制天線表面波的反射，降低了天線的回波損耗，提高了光子晶體微帶天線的實(shí)用性，有效地提高天線的傳輸性能，對研究天線結(jié)構(gòu)具有一定的參考價值。

［1］BURNS G，CHONG H，EDGAR D，et al.Millimetre wave high efficiency photonic crystal antennas［C］//Proc.7th IEEE High Frequency Postgraduate Student Colloquium，2002.［S.l.］：IEEE Press，2002.

［2］中國科學(xué)院.微電子所太赫茲晶體管研究取得新進(jìn)展［EB/OL］.［2011 －11 －12］.http：//www.cas.ac.cn/ky/kyjz/201104/t20110411_3110520.shtml.

［3］電子工程世界.光電PCB技術(shù)簡介［EB/OL］.［2011－11－03］.http：//www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1103/article_12901.html.

［4］NISHIYAMA E，AIKAWA M，EGASHIRA S.Stacked microstrip antenna for wideband and high gain［J］.IEEE Proceedings on Microwaves，Antennas and Propagation，2004，151(2)：143－148.

［5］SEKI T，HONMA N，NISHIKAWA K，et al.Millimeter wave high－efficiency multilayer parasitic microstrip antenna on teflon substrate［J］.IEEE Trans.Microwave Theory Techniques，2005，53(6)：2101－2106.

［6］OH S S.Investigation into polarization of unloaded and loaded microstrip square－ring antennas［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，2008，56(10)：3129－3135.

［7］YANG G M，JIN R H，XIAO G B，et al.Ultra wideband(UWB)antennas with multiresonant split ring loops［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，2009，57(1)：256－260.

［8］PARK Y J，HERSCHLEIN A，WIESBECH W.A photonic bandgap(PBG)structure for guiding and suppressing surface waves in millimeter－wave antennas［J］.IEEE Trans.Microwave Theory Techniques，2001，49(10)：1854－1859.

［9］BOUTAYEB H，DENIDNI T A.Gain enhancement of microstrip patch antenna using a cylindrical electromagnetic crystal［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，2007，55(11)：3140－3144.

［10］閏麗萍，劉春恒，劉長軍.不同電磁帶隙結(jié)構(gòu)對微帶天線性能的影響［J］.電訊技術(shù)，2006，46(1)：135－138.

［11］SHARMA A，SINGH G.THz rectangular patch microstrip antenna design using photonic crystal as substrate［C］//Proc.Electromagnetic Research Symposium.Cambridge，USA：［s.n.］，2008：161－165.

［12］TIWARI R N，KUMAR P，SINGH G.2－D photonic crystals as substrate for THz millimeter wave microstrip patch antennas［C］//Proc.International Conference on Recent Advances in Microwave Theory and Applications，2008.India：IEEE Press，2008：787－789.

［13］AGI K，MALLOY J.Integration of a microstrip patch antenna with a two dimensional photonic crystal substrate［J］.Electromagnetic，1999，19(3)：277－290.

［14］NASSER S C N，AMIRKHIZI A V，PADILLA W I，et al.Terahertz plasmonic composites［J］.Physics.Rev.E，2007，75(3)：6614－6620.

［15］李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2010：195－225.

［16］QIAN Y X，RADISIC V，ITOH T.Simulation and experiment of photonic band－gap structures for microstrip circuits［C］//Proc.Asia－Pacific Microwave Conference.Hong Kong：IEEE Press，1997，2：585－588.

［17］匡芬，劉林，葉志清.基于PBG結(jié)構(gòu)微帶天線增益的研究［J］.電子測量技術(shù)，2011，34(11)：27－28.