一種新型光子晶體基底太赫茲天線設(shè)計(jì)

王麗黎，王述海

（西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

一種新型光子晶體基底太赫茲天線設(shè)計(jì)

王麗黎，王述海

（西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

設(shè)計(jì)了一種新型光子晶體基底太赫茲天線，該天線采用光子晶體基板結(jié)構(gòu)可以有效抑制表面波效應(yīng)，增強(qiáng)向自由空間輻射的方向性，從而提高天線增益。使用Ansoft HFSS 13.0構(gòu)建太赫茲光子晶體天線的物理模型并進(jìn)行仿真，該天線工作頻率為 212GHz，最大增益約為 6.5dB，并且具有小型化的特點(diǎn)。

太赫茲；光子晶體；表面波

0 引言

太赫茲波是對(duì)一個(gè)特定波段電磁波的統(tǒng)稱。它在電磁波譜中所處的位置決定了它具有很多特殊的性質(zhì)。與微波相比，太赫茲波的傳輸容量更大，同時(shí)太赫茲波的波束更窄，方向性更好，可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的定位和探測(cè)更小目標(biāo)。與光波相比，太赫茲波可以更好地穿透沙塵煙霧，具有更好的抗干擾能力和保密特性。所以在應(yīng)用方面對(duì)微波以及紅外光波等起著較強(qiáng)的互補(bǔ)作用。由于其比微波高 1～4個(gè)數(shù)量級(jí)的帶寬特性和比紅外光波高的能量轉(zhuǎn)換效率，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景［1-2］。由于大氣中的水蒸氣等極性分子對(duì)太赫茲波有著較強(qiáng)的吸收作用，所以太赫茲波主要應(yīng)用于地面短距離太赫茲通信與外太空衛(wèi)星之間的太赫茲通信。

太赫茲天線相比于微波波段的天線具有更小的結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)［3］。但是太赫茲天線的加工精度要求高，裝配要求精準(zhǔn)，傳輸損耗較大，這些都是太赫茲天線應(yīng)用于實(shí)際通信系統(tǒng)中需要面臨的挑戰(zhàn)。

1 理論分析

近年來(lái)，光子晶體結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基底相結(jié)合是一個(gè)比較熱點(diǎn)的應(yīng)用方向。在介質(zhì)層中周期性打孔或填充其他介質(zhì)，按照某種形式的點(diǎn)陣周期排列即可形成具有光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基底，此種基底本質(zhì)上是具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)［4］。光子晶體從被提出至今已有幾十年，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)均高度重視對(duì)其研究，起初研究重點(diǎn)集中在光子帶隙頻率的計(jì)算方面，近幾年主要研究任務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向光子晶體在現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用方面。因此，對(duì)光子晶體介質(zhì)基底的研究及應(yīng)用對(duì)光子晶體技術(shù)的應(yīng)用與推廣具有重大的意義與價(jià)值。

光子晶體介質(zhì)基底具有頻率帶隙，頻率落在帶隙范圍之內(nèi)的電磁波將不能夠在基底上傳播。頻率帶隙的出現(xiàn)是由Bragg散射引起的，基底上具有周期性規(guī)律的光子晶體單元引起散射電磁波的相位具有周期變化規(guī)律。在某頻段上，各結(jié)構(gòu)單元所形成的散射電磁波進(jìn)行相互之間的反向疊加，從而導(dǎo)致散射電磁波的相互抵消，最終使得該頻段的散射電磁波不能在介質(zhì)基底上任意傳播。同時(shí)光子晶體單元之間的距離 L滿足 Bragg條件：L=λ/2（λ為光子晶體介質(zhì)基底頻率帶隙所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)）。通過(guò)把 Maxwell方程組處理為時(shí)諧電磁場(chǎng)分量的本征值問(wèn)題，再對(duì)本征值問(wèn)題進(jìn)行求解，就可以對(duì)頻率帶隙現(xiàn)象進(jìn)行直觀了解。在光子晶體介質(zhì)基底中，光子晶體單元周期性勢(shì)場(chǎng)的作用使得某些能量值之間的能級(jí)呈現(xiàn)連續(xù)的密度分布，而在其他能級(jí)則表現(xiàn)為無(wú)能量分布，光子晶體結(jié)構(gòu)的周期性體現(xiàn)在構(gòu)成光子晶體介質(zhì)材料的介電常數(shù) ε（）的周期性上，具體如下式所示：

隨著光子晶體研究在理論和應(yīng)用方面的不斷進(jìn)步以及太赫茲技術(shù)的發(fā)展，將光子晶體技術(shù)用于太赫茲天線設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。本文設(shè)計(jì)了一種新型光子晶體基底太赫茲天線，實(shí)現(xiàn)了太赫茲天線與光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)合，從而有效抑制了太赫茲天線基底上的表面波效應(yīng)［5-8］。

在微帶天線中，能量輻射近似由三部分組成，一部分是由貼片直接輻射到自由空間，另一部分是先由貼片輻射到基底中，再由介質(zhì)基底輻射到自由空間，還有一部分輻射是由基底中的表面波產(chǎn)生，實(shí)際上大部分能量首先是進(jìn)入介質(zhì)基底中。在基底加入光子晶體結(jié)構(gòu)以后，所形成的阻帶頻率范圍內(nèi)的電磁波將受到束縛而不能任意傳播，從而有效減弱基底對(duì)電磁波的吸收作用［9-10］，增加電磁波向自由空間的反射能量，從而提高天線的增益與方向性。

2 天線設(shè)計(jì)

對(duì)光子晶體介質(zhì)基底太赫茲天線進(jìn)行研究之前，首先對(duì)工作于212GHz的普通基底太赫茲天線進(jìn)行仿真，構(gòu)建的天線模型如圖1所示，其基底材料選用 Neltec NY9220，尺寸為1 000 μm×1 000 μm×100 μm。由仿真結(jié)果可知天線諧振頻點(diǎn)212GHz處回波損耗為-20dB，工作頻率區(qū)間為 207GHz～217GHz，軸向最大增益為5.6dB，該普通基底天線的 S參數(shù)、方向圖分別如圖2、圖3所示。

圖1 普通介質(zhì)基底太赫茲天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 普通介質(zhì)基底太赫茲天線的S參數(shù)

圖3 普通介質(zhì)基底太赫茲天線方向圖

接下來(lái)設(shè)計(jì)一種新型光子晶體基底太赫茲天線，并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。該天線所用矩形介質(zhì)基底的尺寸為1 000 μm×1 000 μm×100 μm，基底材料為相對(duì)介電常數(shù)為 2.2的 Neltec NY9220，輻射貼片周邊的介質(zhì)基底中周期性排布著空氣柱，空氣柱的直徑為 50 μm，高度為70 μm，間距為 90 μm。半圓形結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)共同組成輻射貼片，其中半圓形結(jié)構(gòu)的半徑為 225 μm，矩形結(jié)構(gòu)的尺寸為 450 μm×225 μm。該天線使用微帶線進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn)位于輻射貼片的中心位置，微帶線的寬為50 μm，介質(zhì)基底的底部參考地尺寸約為 1 000 μm× 815 μm，所設(shè)計(jì)天線模型如圖4、圖5所示。

圖4 天線模型正面示意圖

圖5 天線模型背面示意圖

從天線模型示意圖中可以看出，該天線具有小型化的特點(diǎn)。計(jì)算采用基于有限元法的 Ansoft HFSS三維電磁場(chǎng)仿真軟件，在仿真中，用無(wú)厚度的理想導(dǎo)體邊界Perfect E代替有厚度的金屬表面，這樣可減少仿真占用的計(jì)算機(jī)資源，且誤差很小，不影響結(jié)果分析。仿真過(guò)程中的激勵(lì)端口使用波端口，收斂誤差標(biāo)準(zhǔn)使用0.02，最大迭代次數(shù)設(shè)定為20，掃頻范圍設(shè)定為180GHz～240GHz。

3 結(jié)果分析

本文所設(shè)計(jì)的太赫茲光子晶體天線的諧振頻點(diǎn)為212GHz，工作頻率處最大增益約為 6.5dB。該天線的S參數(shù)、駐波比、方向圖、S參數(shù)隨空氣柱直徑的變化關(guān)系以及S參數(shù)隨空氣柱高度的變化關(guān)系分別如圖6～圖10所示。

圖6 天線的S參數(shù)

圖7 天線的駐波比

圖8 天線方向圖

圖9 S參數(shù)隨空氣柱直徑的變化關(guān)系

圖10 S參數(shù)隨空氣柱高度的變化關(guān)系

從圖6中可以看到，該天線在諧振頻點(diǎn)212GHz處對(duì)應(yīng)的回波損耗約為-42dB，頻率區(qū)間 207GHz～218 GHz內(nèi)的回波損耗小于-10dB，在 180GHz～240GHz的S參數(shù)曲線表明該天線具有單頻工作的特性。

從圖7中可以看到，該天線在頻率區(qū)間 207GHz～218GHz內(nèi)的駐波比均小于1.9，其中諧振頻點(diǎn) 212GHz處的駐波比為1.02，相對(duì)帶寬為5%。

從圖8中可以看到，在太赫茲光子晶體天線的正上方，天線增益達(dá)到最大值，并且在工作頻率 212GHz時(shí)對(duì)應(yīng)增益約為 6.5dB，該天線的后瓣與旁瓣得到了有效抑制，并且具有很好的方向性。

從圖9中可以看到，天線基底中周期性排布的空氣柱的直徑尺寸大小直接影響諧振頻點(diǎn)的位置，空氣柱直徑為50 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)為212GHz，空氣柱直徑減小到40 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)約為 211GHz，而空氣柱直徑增大到60 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)約為213GHz。

從圖10中可以看到，天線基底中周期性排布的空氣柱的高度僅對(duì)諧振頻點(diǎn)處回波損耗大小產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)諧振頻點(diǎn)位置的影響卻非常小，因此空氣柱高度對(duì)諧振頻點(diǎn)位置的影響可忽略不計(jì)?？諝庵叨葹?0 μm對(duì)應(yīng)諧振頻點(diǎn)處回波損耗為-42dB，空氣柱高度減小到65 μm對(duì)應(yīng)諧振頻點(diǎn)處回波損耗約為-39dB，而空氣柱高度增大到 75 μm對(duì)應(yīng)諧振頻點(diǎn)處的回波損耗同樣約為-39dB。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型光子晶體基底太赫茲天線，該天線的工作頻率為212GHz，工作頻率處最大增益約為6.5dB。輻射貼片周邊的介質(zhì)基底中周期性排布空氣柱以形成光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基底，介質(zhì)基底材料選用相對(duì)介電常數(shù) 2.2的 Neltec NY9220。該天線應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基底一定程度上抑制了表面波效應(yīng)，減小了天線的旁瓣與后瓣，使得天線具有很好的方向性。

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The design of novel terahertz antenna on a substrate photonic crystal

Wang Lili，Wang Shuhai
（School of Automation and Information Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China）

A novel terahertz antenna on a substrate photonic crystal is designed in this paper.A photonic crystal structure′s substrate on the antenna is used to control the effect of surface wave，which increased the directivity of the free space radiation and enhanced the gain.Ansoft HFSS 13.0 software is used to build the model and simulation.The operating frequency of the terahertz antenna is 212GHz，the gain of the terahertz antenna is 6.5dB and the characteristic of the terahertz antenna is very tiny.

terahertz；photonic crystal；surface wave

N945.12

A

1674-7720（2015）23-0069-04

王麗黎，王述海.一種新型光子晶體基底太赫茲天線設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：69-72.

2015-07-10）

王麗黎（1968-），女，碩士，副教授，主要研究方向：電磁波傳播、天線設(shè)計(jì)和智能天線。

王述海（1985-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向：天線設(shè)計(jì)。