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。上世紀八十年代以來，微型半導體技術(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)外學者研制成功了一批太赫茲波段天線。西安理工大學的研究團隊通過在天線介質(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];首都師范大學的研究團隊利用在矩形波導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];英國謝菲爾德大學的研究團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)εr會發(fā)生變化，這種變化對天線性能的影響情況需要詳細討論。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εr值，進行了一系列的仿真計算，結(jié)果如圖4所示。
從圖4可知，當εr≥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，當相對介電常數(shù)減小較多(εr<4)時，繼續(xù)減小相對介電常數(shù)將導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、化學特性非常穩(wěn)定、機械性能和耐高、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，進行了實際測試。本款天線具有優(yōu)良的物理機械性能，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。
