一種THz頻段高效光子晶體微帶天線分析

林若波

(揭陽職業技術學院機電工程系，廣東揭陽522051)

現代無線通信技術的高速發展對天線提出更高的要求，希望系統天線低成本、高效率、小型化，特別是毫米波和微波技術，正處于高速發展階段。而多媒體業務，包括電話、有線電視(CATV)、數字電視和Internet的快速和全面發展，對電路帶寬和容量的要求急劇增加，對傳輸與接收技術提出更高的要求。THz頻段是指位于0.1 THz到10 THz之間的頻段，由于具有帶寬寬、成本低、可靠性好和結構緊湊等優點，研究和探索太赫茲天線技術已成為新興的研究領域［1］，在生物和醫藥、天文、大氣和環境、成像和波譜、儀器和物性研究以及安全和國防等方面有很寬廣的應用空間。THz波的頻帶很寬，在通信方面的應用，前景也無限［2］。中國科學院微電子研究所劉洪剛等在太赫茲核心器件研究方面取得進展，使得太赫茲波在公共安全、無損檢測、射電天文、環境監測、寬帶通信、空間探測、生物醫學等方面具有更重要的應用前景［3］。

微帶天線由于具有重量輕、體積小、剖面薄、散射截面小及易于制造等優點，引起眾多科研人員的極大研究興趣，廣泛應用于現代通信系統。為了盡可能地提高微帶天線的輻射效率，很多學者已取得了重大突破［4－8］。但由于微帶天線增益很低，帶寬也比較窄，使得其應用受到較大限制。近年來出現的PBG(Photonic Band Gap)光子帶隙材料，也稱光子晶體(Photonic Crystals)，為提高微帶天線的整體性能提供了新的研究思路［9－10］。Singh and Tiwari［11－12］將光子晶體應用在 THz頻段微帶矩形貼片天線。Agi and Malloy［13］通過實驗和計算研究了集成微帶貼片天線和二維光子晶體襯底。最近，Nasser［14］已經嘗試了將二維等離子體晶體材料應用于微帶天線的設計中，已取得豐富的研究成果。光子晶體的應用研究已經成為最熱門的前沿科研課題之一。

1 THz頻段矩形微帶天線的分析與設計

1.1 天線理論分析［15］

根據矩形微帶天線的設計要求，輻射貼片的尺寸可根據公式估算

式中：c表示真空中的光速;f表示天線的工作頻率;εr表示介質的相結介電常數;εe表示有效介電常數，且

式中：h表示介質層厚度;w表示微帶貼片的寬度。為了抑制表面波輻射的產生，介質基片的最大厚度h應滿足

天線工作在TM10模式，W方向一般取在中心點，即yf=0。輸入阻抗等于50 Ω時的饋點位置可由公式計算

1.2 普通矩形微帶天線模型仿真

為設計一款位于THz頻段的微帶天線，根據天線理論分析，本設計要求中心頻率為0.1 THz，采用微帶線饋電。這里選取1 000 μm ×1 000 μm ×100 μm 的基材，介質板材選用Rogers TMM10，相對介電常數εr=9.2，損耗正切 tanφ =0.002 2，輻射貼片天線尺寸 L=600 μm，W=395 μm，微帶線尺寸 L1=270 μm，W1=50 μm，如圖 1 所示。在HFSS12中仿真，在頻率f=0.1 THz時，天線回波損耗為－19.45 dB，駐波比(VSWR≤2)的阻抗帶寬為3.0%。

圖1 矩形微帶天線結構圖和S(1，1)掃頻分析結果

1.3 光子晶體帶隙介質微帶天線模型仿真

為提高增益，使用光子晶體帶隙為介質進行優化。通過光子晶體的帶隙及在光子晶體中制造各種缺陷，比如線缺陷或點缺陷，可以有效地抑制表面波的輻射，減少天線的回波損耗。本設計擬在介質中鉆出周期性空氣柱，改變介質的有效介電常數，同時使中心頻率落在光子晶體禁帶范圍內。根據文獻［16］報道，在2D光子晶體中，只要鉆出三列孔就可以滿足禁帶要求。禁帶的中心頻率f0是PBG結構周期的函數，即與d相關，具體關系為

式中：f0為禁帶中心頻率;c為真空中的光速;d為孔之間的周期距離;εe為微帶線的有效介電常數。取光子禁帶中心頻率f0=0.1 THz，可計算得出 d=60 μm。因此，從饋點處開始中，在光子晶體基底介質上鉆出5×7空氣孔PBG 結構［17］，空氣孔半徑 r=100 μm，L 方向孔距 d1=60 μm，W 方向孔距 d2=120 μm，微帶線 L1=270 μm，W1=50 μm，如圖2所示。在HFSS12中進行了仿真，天線的傳輸效能明顯提高。圖3仿真結果顯示微帶天線中心頻率右移，在107 GHz的回波損耗達－41 dB，比原來減少約22 dB，駐波比(VSWR≤2)的阻抗帶寬為4.1%，比原來提高1.1%。圖4則顯示天線在頻率0.11 THz處遠場輻射E平面和H平面的增益，最大增益天線輻射方向達到8.8 dB。

2 結果分析

結果分析內容如下：

1)光子晶體帶隙能有效地抑制表面波的輻射。通過選擇適當的孔徑和孔距，使諧振頻率點落在光子晶體禁帶，能有效地將能量耦合到輻射場。由于光子晶體空氣隙的引入，有效介電常數變小，導致工作頻率稍微增大。空氣孔半徑越大，工作頻率右移越明顯。圖5顯示了不同孔徑下天線的回波損耗，當空氣孔半徑r=15 μm時，回波損耗達－41 dB。圖6顯示了不同孔距下天線的回波損耗，當空氣孔距d=60 μm時，回波損耗達－41 dB。

圖4 0.11 THz時天線遠場輻射在E面和H面的增益方向圖

2)阻抗匹配也是影響天線性能的重要參數，微帶線的寬度會影響天線的輸入阻抗和回波損耗。圖7顯示了微帶線在不同寬度下天線的回波損耗，當寬度W1=50 μm時，天線的回波損耗達到最小，天線性能最優。

圖7 不同微帶寬度下天線回波損耗掃頻優化結果

3 結論

二維光子晶體帶隙結構的應用研究是目前最熱門的研究課題，它將廣泛應用于THz/毫米波技術領域中。本文通過對一款0.1 THz矩形微帶天線的設計與優化，引入光子晶體帶隙結構，基于HFSS12.0軟件進行仿真，結果顯示天線的回波損耗從－19.45 dB降至－41 dB，帶寬從3%增至4.1%，極大地抑制天線表面波的反射，降低了天線的回波損耗，提高了光子晶體微帶天線的實用性，有效地提高天線的傳輸性能，對研究天線結構具有一定的參考價值。

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