摘 要： 設計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構可以有效抑制表面波效應，增強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構建太赫茲光子晶體天線的物理模型并進行仿真，該天線工作頻率為212 GHz，最大增益約為6.5 dB，并且具有小型化的特點。
關鍵詞： 太赫茲；光子晶體；表面波
0 引言
太赫茲波是對一個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，同時太赫茲波的波束更窄，方向性更好，可以對目標實現(xiàn)更準確的定位和探測更小目標。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。所以在應用方面對微波以及紅外光波等起著較強的互補作用。由于其比微波高1～4個數(shù)量級的帶寬特性和比紅外光波高的能量轉換效率，在現(xiàn)代通信領域具有重要的研究價值和廣泛的應用前景[1-2]。由于大氣中的水蒸氣等極性分子對太赫茲波有著較強的吸收作用，所以太赫茲波主要應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構，容易實現(xiàn)小型化設計[3]。但是太赫茲天線的加工精度要求高，裝配要求精準，傳輸損耗較大，這些都是太赫茲天線應用于實際通信系統(tǒng)中需要面臨的挑戰(zhàn)。
1 理論分析
近年來，光子晶體結構與介質(zhì)基底相結合是一個比較熱點的應用方向。在介質(zhì)層中周期性打孔或填充其他介質(zhì)，按照某種形式的點陣周期排列即可形成具有光子晶體結構的介質(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)結構[4]。光子晶體從被提出至今已有幾十年，各國研究機構均高度重視對其研究，起初研究重點集中在光子帶隙頻率的計算方面，近幾年主要研究任務逐漸轉向光子晶體在現(xiàn)代生產(chǎn)技術的應用方面。因此，對光子晶體介質(zhì)基底的研究及應用對光子晶體技術的應用與推廣具有重大的意義與價值。
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，各結構單元所形成的散射電磁波進行相互
之間的反向疊加，從而導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)基底頻率帶隙所對應的導波波長）。通過把Maxwell方程組處理為時諧電磁場分量的本征值問題，再對本征值問題進行求解，就可以對頻率帶隙現(xiàn)象進行直觀了解。在光子晶體介質(zhì)基底中，光子晶體單元周期性勢場的作用使得某些能量值之間的能級呈現(xiàn)連續(xù)的密度分布，而在其他能級則表現(xiàn)為無能量分布，光子晶體結構的周期性體現(xiàn)在構成光子晶體介質(zhì)材料的介電常數(shù)
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用方面的不斷進步以及太赫茲技術的發(fā)展，將光子晶體技術用于太赫茲天線設計已經(jīng)越來越現(xiàn)實。本文設計了一種新型光子晶體基底太赫茲天線，實現(xiàn)了太赫茲天線與光子晶體結構的結合，從而有效抑制了太赫茲天線基底上的表面波效應[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，實際上大部分能量首先是進入介質(zhì)基底中。在基底加入光子晶體結構以后，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 天線設計
對光子晶體介質(zhì)基底太赫茲天線進行研究之前，首先對工作于212 GHz的普通基底太赫茲天線進行仿真，構建的天線模型如圖1所示，其基底材料選用Neltec NY9220，尺寸為1 000 μm×1 000 μm×100 μm。由仿真結果可知天線諧振頻點212 GHz處回波損耗為-20 dB，工作頻率區(qū)間為207 GHz~217 GHz，軸向最大增益為5.6 dB，該普通基底天線的S參數(shù)、方向圖分別如圖2、圖3所示。
接下來設計一種新型光子晶體基底太赫茲天線，并對其進行仿真實驗。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。半圓形結構與矩形結構共同組成輻射貼片，其中半圓形結構的半徑為225 μm，矩形結構的尺寸為450 μm×225 μm。該天線使用微帶線進行饋電，饋電點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，所設計天線模型如圖4、圖5所示。
從天線模型示意圖中可以看出，該天線具有小型化的特點。計算采用基于有限元法的Ansoft HFSS三維電磁場仿真軟件，在仿真中，用無厚度的理想導體邊界Perfect E代替有厚度的金屬表面，這樣可減少仿真占用的計算機資源，且誤差很小，不影響結果分析。仿真過程中的激勵端口使用波端口，收斂誤差標準使用0.02，最大迭代次數(shù)設定為20，掃頻范圍設定為180 GHz~240 GHz。
3 結果分析
本文所設計的太赫茲光子晶體天線的諧振頻點為212 GHz，工作頻率處最大增益約為6.5 dB。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系以及S參數(shù)隨空氣柱高度的變化關系分別如圖6~圖10所示。
從圖6中可以看到，該天線在諧振頻點212 GHz處對應的回波損耗約為-42 dB，頻率區(qū)間207 GHz~218 GHz內(nèi)的回波損耗小于-10 dB，在180 GHz~240 GHz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207 GHz~218 GHz內(nèi)的駐波比均小于1.9，其中諧振頻點212 GHz處的駐波比為1.02，相對帶寬為5%。
從圖8中可以看到，在太赫茲光子晶體天線的正上方，天線增益達到最大值，并且在工作頻率212 GHz時對應增益約為6.5 dB，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的位置，空氣柱直徑為50 μm對應的諧振頻點為212 GHz，空氣柱直徑減小到40 μm對應的諧振頻點約為211 GHz，而空氣柱直徑增大到60 μm對應的諧振頻點約為213 GHz。
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諧振頻點處回波損耗大小產(chǎn)生明顯影響，而對諧振頻點位置的影響卻非常小，因此空氣柱高度對諧振頻點位置的影響可忽略不計。空氣柱高度為70 μm對應諧振頻點處回波損耗為-42 dB，空氣柱高度減小到65 μm對應諧振頻點處回波損耗約為-39 dB，而空氣柱高度增大到75 μm對應諧振頻點處的回波損耗同樣約為-39 dB。
4 結論
本文設計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212 GHz，工作頻率處最大增益約為6.5 dB。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構的介質(zhì)基底，介質(zhì)基底材料選用相對介電常數(shù)2.2的Neltec NY9220。該天線應用光子晶體結構的介質(zhì)基底一定程度上抑制了表面波效應，減小了天線的旁瓣與后瓣，使得天線具有很好的方向性。
參考文獻
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