0 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)隊利用在矩形波導(dǎo)的窄邊開斜縫的方法，設(shè)計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，實現(xiàn)了高輸入電阻的太赫茲天線設(shè)計^[10]；日本富士通實驗室基于扇出晶圓級封裝技術(shù)，設(shè)計了一款太赫茲集成天線，實現(xiàn)了太赫茲天線的小型化^[11]。上述太赫茲天線設(shè)計都成功實現(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道。同時使用頂加載技術(shù)、分形結(jié)構(gòu)、光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲天線設(shè)計方案未見報道。

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)計中使用光子晶體結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計，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，實現(xiàn)寬頻帶工作是設(shè)計的重點要求之一，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，將光子晶體的每個周期結(jié)構(gòu)設(shè)計為分形結(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，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

    本文在設(shè)計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個小正方形區(qū)域，每個小正方形區(qū)域的大小都為8 μm×8 μm，每個小正方形區(qū)域的中心是一個尺寸為4 μm×4μm的正方形開孔，每個小正方形區(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2階康托爾分形金屬貼片組成，每個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，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)ε_r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ε_r值，進(jìn)行了一系列的仿真計算，結(jié)果如圖4所示。

    從圖4可知，當(dāng)ε_r≥4時，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。這是因為當(dāng)介電常數(shù)減小時，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(ε_r<4)時，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，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，天線輻射性能的實測結(jié)果和仿真結(jié)果相似。實測結(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)計了一款頂加載分形光子晶體太赫茲波段天線。本文使用時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，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。

參考文獻(xiàn)

[1] 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)：7-13.

[2] 董家蒙，彭曉昱，馬曉輝，等.超寬帶太赫茲時域光譜探測技術(shù)研究進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析，2016，36(5)：1277-1283.

[3] Yang Li，Xie Yanhua，Ding Yuanming，et al.Study of vibration compensation technology based on THz communication system[J].ICIC Express Letters，2013，4(2)：491-496.

[4] 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.

[5] 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.

[6] Hasanuzzaman GKM，Habib MS，Razzak SMA，et al.Low loss single-mode porous-core kagome photonic crystal fiber for THz wave guidance[J].Journal of Lightwave Technology，2015，33(19)：4027-4031.

[7] 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)：2429-2434.

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

[9] 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.

[10] Yin Wenfei，Khamas SK，Hogg RA.High input resistance terahertz dipole antenna with an isolating photonic band gap layer[C].EuCAP 2016，Davos，Switzerland：IEEE Press，2016：1-3.

[11] ISHIBASHI D，SASAKI S，ISHIZUKI Y，et al.Integrated module structure of fan-out wafer level package for terahertz antenna[C].ECTC 2015，San Diego，USA：IEEE Press，2015：1084-1089.

[12] TRINH-VAN S，HWANG K C.Miniaturised broadband top-loaded planar monopole antenna with binary-encoded sleeves[J].Electronics Letters，2015，51(13)：968-970.

[13] SHRIVISHAL T，AKHILESH M，SANDEEP Y.A multinotched octagonal shaped fractal UWB antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2014，56(11)：2469-2473.

[14] KUMAR C Y，KUMAR B S.Modified sierpinski square fractal antenna covering ultra-wide band application with band notch characteristics[J].IET Microwaves，Antennas and Propagation，2014，8(7)：506-512.

作者信息:

林  斌

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州363105）