摘  要： 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212 GHz，最大增益約為6.5 dB，并且具有小型化的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 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，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)）。通過把Maxwell方程組處理為時(shí)諧電磁場(chǎng)分量的本征值問題，再對(duì)本征值問題進(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)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212 GHz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)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(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。

　　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180 GHz~240 GHz。

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(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。

　　從圖6中可以看到，該天線在諧振頻點(diǎn)212 GHz處對(duì)應(yīng)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(diǎn)212 GHz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212 GHz時(shí)對(duì)應(yīng)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(diǎn)的位置，空氣柱直徑為50 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)為212 GHz，空氣柱直徑減小到40 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)約為211 GHz，而空氣柱直徑增大到60 μm對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)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(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-42 dB，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-39 dB，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-39 dB。

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(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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