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太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线

作者:林斌时间:2017-11-28来源:电子产品世界
编者按:太赫兹技术应用领域的不断扩展,要求太赫兹波段天线具有更强的辐射特性和更宽的工作频段。本文使用三维渐变介电常数陶瓷基板作为天线介质基板,创造性地将矩形环嵌套阵元天线和矩形阵列结构相结合,设计了一款太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线,制作了天线样品进行测试。测试结果表明,该款天线的工作中心频率为1.032THz,回波损耗最小值为-42.34dB,天线工作频带范围为0.873~1.476THz,绝对工作带宽为0.603THz,相对工作带宽为51.34%。该款天线在尺寸压缩方面有较大优势,具有较为充裕的性能冗余,

作者 / 林斌 厦门大学嘉庚学院(福建 漳州 363105)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201711/372157.htm

*基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(编号:JAT160646)

林斌(1984-),男,硕士,讲师,研究方向:微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。

摘要:太赫兹技术应用领域的不断扩展,要求具有更强的辐射特性和更宽的工作频段。本文使用作为天线介质基板,创造性地将矩形环嵌套阵元天线和矩形阵列结构相结合,设计了一款太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线,制作了天线样品进行测试。测试结果表明,该款天线的工作中心频率为1.032THz,回波损耗最小值为-42.34dB,天线工作频带范围为0.873~1.476THz,绝对工作带宽为0.603THz,相对工作带宽为51.34%。该款天线在尺寸压缩方面有较大优势,具有较为充裕的性能冗余,是目前已知的工作带宽最大的,有望得到广泛应用。

引言

  太赫兹波的波长大于30微米而小于3毫米,频率高于微波而低于红外波。1THz对应的光子能量约为4.14 mcV,宇宙射线的大部分能量都位于太赫兹波段[1-2]。由于科学家们受到对太赫兹波进行探测的设备的限制,因此在上世纪80年代以前,太赫兹技术的发展十分缓慢,太赫兹波并未受到人们广泛地开发和利用,因此太赫兹波段被人们称为“太赫兹空白”(terahertz gap)。从上世纪80年代至今,由于科学家们在太赫兹辐射源产生设备以及对太赫兹辐射进行探测的设备上均得到了突破,因此太赫兹技术在这几十年得到了前所未有的发展[3-4]

  太赫兹波拥有许多独一无二的特别性能,首先,太赫兹波的能量极低,与现在人们用来进行探测的X光射线相比几乎可以忽略不计,尤其将太赫兹波用在活体检测上,几乎不会对检测对象造成任何伤害,因此,将太赫兹波用在医学检测上具有广阔的市场前景;其次太赫兹波频率很高,如果将太赫兹技术应用在通信领域,将会使传输速度向前跨越一大步,使通信技术发展迈上一层新的台阶;将太赫兹技术应用在卫星通信领域,鉴于外太空近似真空、没有水分的环境,这将会使传输速度大大增加,因此,太赫兹通信技术有着巨大的应用潜力;太赫兹波穿透能力极强,尤其在非极性液体和一些介电材料的透视成像上表现出的效果极佳,如果再与太赫兹波超高的频率特性结合在一起,可将其作为现阶段人们所拥有的成像技术的一种强有力的补充,可用于污染源远程检测与定位,并可在机场、车站等人流量密集的公共场合的危险物品检测领域大显身手[5-7]

  是收发太赫兹波的关键器件,其性能决定着太赫兹波段设备的性能优劣。太赫兹波段天线设计中需要实现的性能目标是:天线尺寸小于太赫兹设备的尺寸,最好控制在200μm×200μm以内;天线谐振频率为1THz左右;回波损耗值小于-10dB时,天线的带宽大于0.1THz,天线最低回波损耗值小于-15dB;天线能够全向辐射;天线性能冗余较为充裕,可以在各种电磁环境中保证太赫兹电磁波的传输质量[8-9]

1

  是一种简单、高效的宽频带天线,其结构如图1所示。的外圈最大的矩形环在馈电后可作为金属线圈天线产生辐射,此时内圈金属矩形环可以部分吸收外圈矩形环的辐射能量,生成感应电流,产生感应辐射。内外圈矩形环的大小不同,所产生的辐射的频率也不同,从外到内,四个矩形环的辐射频率逐渐提高,多个矩形环在不同频率的馈电辐射和感应辐射相叠加,使矩形环嵌套天线拥有较宽的工作频段。

2

  是一种全新结构的陶瓷介质基板,其介电常数可以沿着基板长、宽、高三维逐渐变化,结构如图2所示,图中数字表示某块小陶瓷块的介电常数。在阵列天线设计中使用这种新型基板后,每个阵元天线的介质基板参数都不相同,因此每个阵元天线的谐振频点不同。当不同阵元天线的谐振频点较为接近时,它们的辐射和工作频带会相互叠加,形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带,从而提高阵列天线的性能冗余。

3 太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线结构设计

  设计中使用的天线基板为低损耗太赫兹波段透波三维渐变介电常数陶瓷基板,其结构如图2所示,其由7层8行8列共448个小陶瓷块组成,图2中的数字表示某块小陶瓷块的相对介电常数,小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽、高三维渐变;相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板最高层左上角,其相对介电常数为18;相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板最低层右下角,其相对介电常数为58;小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下、从高到底的顺序逐渐增加,相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为2。天线基板的形状为矩形,基板总体尺寸是160mm×160mm,厚度为70mm。

  太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线结构如图3所示,天线包括贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的矩形环嵌套阵列辐射贴片。天线接地板为全金属接地结构,矩形环嵌套阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构,8行8列共64个矩形环嵌套小天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列。单个矩形环嵌套小天线的工作带宽虽然较大,但是辐射强度较弱,多个矩形环嵌套小天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列,可以让它们的辐射相叠加,进一步增强天线的辐射强度。

  每个矩形环嵌套小天线的大小为20mm×20mm,它由四个矩形环嵌套构成,每个矩形环的线宽为1mm,四个矩形环的大小分别为16mm×16mm、12mm×12mm、8mm×8mm、4mm×4mm。每个矩形环嵌套小天线的最大矩形环的底边中心位置设有馈电点。

4 太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线样品的制作与测试

  根据上文所描述的设计方案,我们成功利用磁控溅射工艺制作出了太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线样品。我们对天线样品的工作性能进行了测试,结果如图4和图5所示。

  由图4可知,该款天线的工作中心频率为1.032 THz,回波损耗最小值为-42.34dB,天线工作频带范围为0.873~1.476THz,绝对工作带宽为0.603THz,相对工作带宽为51.34%。由图5可知,天线方向图的电面分为两个部分,有效工作角度范围超过300°;天线方向图的磁面可在360°范围内全向工作,天线整体具有全向工作能力。实测结果显示,现有太赫兹设备所提出的各项性能要求该款天线均可以满足。

5 结论

  本文针对不断发展的太赫兹应用技术对太赫兹波段天线提出的性能要求,使用太赫兹波段三维渐变介电常数陶瓷基板作为天线介质基板,将矩形环嵌套阵元天线和矩形阵列结构相结合,设计了一款太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线。使用矩形环嵌套天线作为阵元天线,通过外圈矩形环的馈电辐射和内圈矩形环的感应辐射相叠加,可以保证天线有较大的工作带宽。将矩形环嵌套天线按照矩形阵列结构排列,可以使多个矩形环嵌套天线的辐射相叠加,增强天线对太赫兹电磁波的收发能力。使用三维渐变介电常数陶瓷介质基板,可以进一步增强天线的辐射强度和工作带宽,提高阵列天线的性能冗余。

  我们制作了天线样品,并对其辐射特性和方向图特性进行了测试。该款天线尺寸仅为160mm×160mm,在尺寸压缩方面具有独特的优势,可以放进各种毫米量级的太赫兹设备里;该款天线工作带宽高达0.603 THz,相对工作带宽高达51.34%,是目前已知的工作带宽最大的太赫兹波段天线,具有超强的频段兼容性;该款天线回波损耗最小值低达-42.34dB,且在0.947~1.292THz频带内,天线的回波损耗都低于-20dB,天线性能冗余较为充裕,在太赫兹波技术领域具有很大的应用潜力。

  参考文献:

  [1]童劲超.新型太赫兹探测物理及器件研究[D].上海:中国科学院上海技术物理研究所,2015.

  [2]柴路,牛跃,栗岩峰,等.差频可调谐太赫兹技术的新进展[J].物理学报,2016,45(4):1-15.

  [3]赵国忠.太赫兹科学技术研究的新进展[J].国外电子测量技术,2014,33(2):1-6.

  [4]吴邵华,李林涛,孙兴,等.太赫兹器件与技术发展动态[J].云光技术,2016,48(1):5-8.

  [5]赖伟恩.太赫兹时域光谱与新颖太赫兹薄膜器件的研究[D].四川成都:电子科技大学,2014.

  [6]李斌,陈立平.太赫兹技术用于精准农业污染检测探索研究[J].红外与激光工程,2016,45(4):61-67.

  [7]朱新建,何璇,王品,等.太赫兹成像技术应用于烧伤检测的研究发展[J].生物医学工程学杂志,2016,33(1):184-187.

  [8]王汉奇,刘鑫,邓朝,等.一种可用于太赫兹扫描成像的天线[J].光学学报,2015,35(7):140-145.  [9]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): 2430-2433.

  本文来源于《电子产品世界》2017年第12期第37页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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