太赫茲天線（二）

鐘旻

摘要：文章敘述了太赫茲通信天線的新發展，包括光電導天線，芯片上天線和超材料、超平面的應用等，并給出了一些具體例子。

關鍵詞：太赫茲；光電導天線；芯片上天線；超材料；超平面；襯底集成波導

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.001

中圖分類號：TN 822? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）04-000-11

Terahertz Antenna（II）

ZHONG Min

Abstract： In this lecture， new developments in terahertz communication antennas are described， including photoconductive antennas， on-chip antennas and applications of metamaterials and metasurfaces， and some? examples are given.

Keywords： Terahertz; photoconductive antenna; on-chip antenna; MTM; MTS; SIW

上一講所介紹的傳統型天線，仍不能完全滿足未來6G等對利用太赫茲通信電路的要求，例如，平面電路廣泛采用的微帶貼片天線，天線效率較低，每個單元增益僅一至數分貝，甚至為負值，相對帶寬（通頻帶上下限頻率差與中心頻率之比）僅百分之一左右，天線效率也欠佳，此外，在天線的可重構（工作頻率、多波束、波束掃描等）方面也難以提供更多、更大的靈活性。

光電導天線是利用光致電導效應，用一束光脈沖或兩束不同頻率的連續波激光作用于光電器件，將光轉換為太赫茲頻率的電磁波，既可作為太赫茲源，又可作為輻射太赫茲波的天線，并因其具有高強度、高輻射效率和寬帶響應性能而成為太赫茲技術生要的組成部分。

此外，利用太赫茲工作波長極短的特點，以及相應出現的亞波長技術，即電路尺寸遠小于太赫茲波長的技術，可進一步制作出芯片上天線，更好地實現與其他射頻電路集成。但芯片天線也面臨若干技術的挑戰。

石墨烯等新材料的出現和超材料、超平面和襯底集成波導的理論與技術的成果，為太赫茲天線集成芯片化開辟了新的有效的途徑。

1? ?光電導天線（Photoconductive

Antenna，PCA）[1]-[7]

1.1 基本原理與構成

太赫茲波光電導天線（PCA）原理如圖1所示。通常是在由III-V族化合物加工而得到的半絕緣高電阻Si-GaAs做的襯底上，外延生長出一層GaAs半導體薄膜。在此薄膜上沉積出金屬電極，并加上偏置電壓；二電極間接一偶極子，將波長為800 nm或1 100～1 550 nm的激光用飛秒（1 ps或更高）脈沖調制后，照射偶極子間隙處的半導體薄膜，激光光子被半導體薄膜材料吸收，當光子能量大于半導體導帶與價帶之間的能帶帶隙時，便將載流子（電子）從價帶激發到導帶，而價帶出現空穴，形成空穴-電子對，成為自由載流子，然后它們被偏置產生的電場加速，載流子電荷的運動便是電流，稱為光生電流，簡稱光電流。載流子的速度和加速度越大，產生的光電流也越大。光電流在流動和變化以及之后的消失、再生的過程中，便產生一太赫茲電磁脈沖輻射。

理論與實驗證明，太赫茲頻率的電磁脈沖由光生載流子電流隨時間變化的速度產生（ ～ ）。又因電子的運動速度比空穴的快，在太赫茲脈沖的形成中起主導作用；太赫茲脈沖形狀（特性）與載流子的壽命長短有關，長壽命的載流子造成太赫茲脈沖后沿拖尾拉長，頻譜帶寬變窄，故應選擇電子-空穴短壽命的材料，以在PCA的反射和傳輸方向形成太赫茲電磁波，具有寬帶性能。所謂載流子壽命，是指電子-空穴對從產生到復合的時間。為了獲得所需的短載流子壽命，半導體薄膜必須具有晶體缺陷。這些缺陷可以在膜生長后通過離子注入產生，或者通過低溫生長產生。研究表明，低溫（200 ～ 300℃）下加工出來的GaAs（LT-GaAs）等材料具有短壽命載流子的特性。

1.2 天線幾何形狀拓撲及半導體材料

為了獲得更大的帶寬和高THz輻射功率，如圖2所示的領結形天線結構獲得了廣泛的應用。

為便于理解和研究，可將圖1和圖2的光導天線，用圖3的等效電路來表示。激光照射間隙處的半導體材料產生的光電流，等效為一電流源，其內阻抗（Zs）的實部為光敏電阻，其虛部則表示半波長的偶極子和領結形天線對于太赫茲頻率所具有的諧振特性：而輻射太赫茲波性能等效為太赫茲天線的負載阻抗（Za）。

偶極子的諧振頻率可認為是所產生的太赫茲波的中心頻率，可用下面的近似公式計算：

（1）

式中，為偶極子長度（諧振器長度，理論上為太赫茲半波長）；為光速（3×108 m/s）；為諧振波長；為基片介質相對介電常數，大都采用砷化鎵，其中，LT-GaAs，因其具有載流子壽命超短，電子遷移率和擊穿強度高等優點。該材料的性能如表1所示。

當太赫茲頻率定為1 THz時，利用上式可求得偶極子長度為114 μm。對于領結形天線，考慮到兩端的邊緣效應，的實際長度會更短些（86 μm）。

表2中，暗電阻是指光敏電阻器在無光照射（黑暗環境）時的電阻值。光敏電阻的暗阻越大，暗電流越小；而亮阻越小，亮電流則越大大。如此光敏電阻的靈敏度就高。信噪聲比是指用于THz PCA實際研發時信號對噪聲比所取得技術突破的性能標志。

PCA除采用偶極子和領結形天線外，還有螺線型、交指型、雙偶極子型和光柵型、圓形和蝴蝶型等THz光電導天線，如圖4所示，它們各有特點。偶極子、領結形和螺線PCA仍為研發的主流。偶極子結構較簡單，但帶寬較窄，相對帶寬約2%，所能獲得的太赫茲功率也較低；領結形PCA則優于偶極子，可提供較寬的帶寬和太赫茲輻射功率。對于螺線包括對數螺線PCA，因螺線具有寬帶特性，是行波型天線，構成PCA所獲得的增益、效率和帶寬等性能方面均較好的表現。

為了更高的方向性和增益，可將太赫茲介質透鏡與PCA組合，如圖5所示。據一研究成果報導，工作于200～600 GHz的PCA，加介質透鏡前后，天線效率分別為22～62%和54～67%；天線增益分別為<5 dB和13～20 dB。加入介質透鏡的作用是顯著的。

PCA的性能，除上面通常所講天線增益、方向性、帶寬和效率外，太赫茲大輻射功率及激光對太赫茲功率轉換比也是十分重要的問題。上述單個光導天線，一般輸出太赫茲功率為微瓦級，而功率轉換比低于1%。

1.3 PCA陣列

為獲得更強大的太赫茲輻射功率，基本途徑是在圖5所示的介質透鏡與PCA組合的基礎上，采用微透鏡陣列產生的光泵與PCA陣列和透鏡的組合。以

圖6（a）為例，其中使用更大口徑的半球形（魚眼）介質天線，口面上安放由3×3對數螺旋線陣元構成的PCA陣列；再使用微透鏡陣列，將入射的激光分割、聚焦形成與PCA陣元對應的3×3激光波束，分別照射PCA各陣元。PCA每一陣元為對數螺旋線，激光照射區加上等離子體光柵，用以傳播表面等離子激元（SPP）波（見《數字通信世界》2023年第12期“太赫茲射頻器件與電路（三）”），此結構的對數螺旋天線稱混合天線，研究表明，它便于光泵波束與太赫茲輻射的耦合，能增加光對太赫茲的功率轉換效率（見圖6（b））。微透鏡陣列是一組由玻璃或半導體材料構成的微型平凸形拋物面透鏡，透鏡間相距數十至數百微米，可對入射光波進行均勻化和成形（聚焦）等處理，見圖7。

據幾何光學原理，在介質透鏡的輸出方向上，將是PCA各陣元產生的太赫茲脈沖的疊加，得到強的太赫茲輻射。

據研究，每太赫茲陣元輻射的輸出功率，與偏置電壓和激光泵浦功率有關，增加光泵功率和偏壓，可增加輻射的太赫茲功率。這些單元的合成具有相應的增強效果。圖8給出了總的太赫茲輻射功率與偏置在不同光泵功率值的關系曲線。例如，在0.1～2 THz的頻率范圍內，當光泵功率為320 mW、偏置電壓為100 V時，獲得的太赫茲輻射功率約為1.9 mW，功率轉換比為0.59%。而單元PCA與介質透鏡組合，在同樣的頻率范圍內，對于光泵功率和偏置電壓分別為20 mW和40 V時產生的太赫茲輻射功率僅為100 μW，功率轉換比為0.5%。

另一例子是采用圖9所示的大面積等離子體光電導發射天線。與圖6（a）同理，之所以采用等離子體天線，是為了增強太赫茲輻射單元附近的光載流子濃度，并能更快地加速光載流子，強化偶極子矩，提高光泵效率，從而提高光-太赫茲功率的轉換效率。天線分別采用了LT-GaAs和Si-GaAs作為襯底。結果，獲得圖10所示的太赫茲輻射功率隨直流偏置的關系曲線。從中可見，以Si-GaAs為襯底的等離子光導天線較采用LT-GaAs的為優。在0.1～5 THz頻率范圍內，當偏置為15 V、光泵功率為240 mW時，采用Si-GaAs為襯底的天線，得到的太赫茲輻射功率為3.8 mW。其功率轉換比達1.58%。還有研究報道通過嵌入LT–GaAs襯底內部的三維等離子體接觸電極的等離子體PCA，可獲得高達7.5%的功率轉換比，這是迄今創紀錄的水平。

1.4 太赫茲連續波的產生

以上介紹的PCA產生的是太赫茲脈沖輻射，若需得到太赫茲連續波的輻射，將兩列頻率相差為太赫茲頻率的激光，同時入射到中心安裝有光混頻器的PCA，混頻后將得到的太赫茲波經介質透鏡聚焦后輸出，如圖11所示。

關于光混頻原理，在太赫茲射頻器件與電路（二）（《數字通信世界》2023年11月）已有介紹，這里進一步說明如下。

圖11（a）是兩列頻差為的激光電場，二者疊加得到圖11（b）的波形，其差拍頻率即為。據電磁場理論知，激光功率與其電場幅度的平方成正比，故得圖11（c）的瞬時功率波形。這兩路激光功率被混頻器中的半導體材料（如GaAs）吸收，產生頻率為的交流電流，稱為光生電流，此電流饋送到天線，便產生連續的太赫茲輻射，如圖11（d）所示。

2? ?芯片上天線（簡稱片上天線）[8]-[16]

為滿足下一代無線設備的高性能連接要求，如超高速、大容量流媒體、物聯網（IoT）之間的批量數據交換，各種通信設備/智能手機與全息視頻會議等，促使太赫茲頻譜的利用（如6G）提到日程上來。為便于用戶攜帶和使用，將無線通信電路乃至系統集成到芯片中，已經在繼續推進，不斷提高其集成化水平。其中太赫茲電路當然是不可或缺的，包括各種太赫茲天線和天線陣列（見圖12）。天線尺寸與工作波長密切相關，一方面，由于太赫茲波長比微波-毫米波低端短得多，有利于在芯片上實現；另一方面，芯片上實現太赫茲天線也面臨諸多挑戰，其中，傳統使用的材料和天線樣式不能沿用下去，如以往常用的導體如銀，隨著工作頻率的升高，其“趨膚效應”更加嚴重，即電流越會被擠壓到導體表面，這意味著其導電率的下降，傳輸電磁波的效率隨著下降；再加上電路尺寸帶來的局限和加工工藝的困難，在天線增益、效率和功率電平等關鍵性能上難以滿足系統指標的要求，需要在材料、元件構成等另辟蹊徑。

近年來，利用超材料（MTM）、超表面（MTS）和襯底集成波導（SIW）技術，在系統集成（SoC）的芯片中，實現了高性能天線。這些技術可獲得更小的尺寸、更寬的帶寬，以及更好的輻射特性等優點。此外，它們還能抑制天線中激發的表面波，減小其輻射。這些技術適用于各種高介電常數電介質，硅、石墨烯、聚酰亞胺、GaAs等，用作襯底可減少導電層中的損耗，從而有助于提高天線性能。

2.1 超材料（metamaterials，MTM）與超表面（metasurfaces，MTS）

2.1.1 材料的分類

目前已經發現的材料，按照其介電常數（）和磁導率（）的正負關系，可有四種不同的組合（見圖13（a）），在第一象限中為雙正材料（DPS），也稱為右手材料，如介質材料；第二象限為單負材料（）（ENG），包括某些等離子體材料等，第三象限中的材料兩者皆負（）（DNG），其折射率也為負（n<0），這類材料又稱為左手材料，是自然界不存在的，只能通過人工來實現。第四象限是導磁率為負（）的單負材料（MNG）。如某些鐵磁材料。當光線從空氣入射到這些不同的材料時，在界面上所引起的折射和反射如圖13（b）所示。對于一般材料，折射光與入射光位于法線的兩側，電磁波在這種材料中傳播時電場、磁場與波矢量方向滿足右手螺旋關系，能量與相位的傳播方向相同（前向波）故稱右手材料；而對于雙負材料，折射光與入射光出現在法線的同一側，電磁波在這種材料中傳播時電場、磁場與波矢量方向滿足左手螺旋關系，能量與相位的傳播方向相反（后向波），故稱左手材料。在理想情況下，等離子體和鐵磁材料界面上只有反射分量而無折射分量。

廣義地說，所謂超材料，包含有三種：一是SNG（單負）超材料，具有負介電常數（）或負磁導率（）；二是DNG（雙負）超材料，同時具有負介電常數和負磁導率，又稱負折射率材料（n<0）或左手材料；三是ZIM（零指數材料），其具有零介電常數或零磁導率。此外，EBG（阻止電磁波傳播的電磁帶隙）和AMC（人工磁導體）通常也被視為超材料。

2.1.2 某些超材料的構成

在單負材料中，利用如圖14（a）所示的結構，即用銅、鋁、金或銀做成細導線的周期性排列，當線間距離p遠小于工作波長時，在平行于導線電場的作用下，在某一頻率范圍內呈等離子體態，具有負介電常數。

如上所述，構成超材料的基本單元處于亞波長尺度，并按照一定的周期結構在三維空間中進行排列，因此在宏觀上可以認為超材料是等效均勻媒質，可以采用等效介電常數εeff和等效磁導率μeff來描述超材料的電磁屬性。根據電磁學，這種結構的等效介電常數為：

（2）

（3）

式中，為等離子頻率；為丟棄頻率（dumping frequency）；為光速；如圖14（a）中所示。這里要說明，等離子體頻率（plasma frequency）是指等離子體內的某種擾動引發正負電荷的分離，使等離子體粒子產生集體振蕩，相應的振蕩頻率稱為等離子體頻率。正負電荷分離時，離子由于質量大，可視為固定不動，而電子會在靜電力的作用下產生簡諧振蕩，稱為等離子體振蕩。在冷等離子體（即忽略電子熱運動影響）中，振蕩頻率為。據上式可畫出圖14（b）給出的等效介電常數實部與角頻率的關系曲線。由圖14（d）可見，當時，，即低于等離子體角頻率的區域處獲得了負的介電常數。至于負的導磁率，可以通過圖15（a）的方形開口環諧振器（SRR）來產生。

當一外部時變磁場垂直于環面時，就會在內外環上產生電流，而在二環的間隙處積累電荷。注意到，由于SRR的尺寸約或更小，因此是一種亞波長諧振器，就是說，SRR單元可在比環長、寬度大得多的波長下產生諧振，可用一穩態LC電路來描述，其諧振角頻率為：

（4）

式中，L為二環的電感；C是環間電容。諧振頻率可通過改變環的尺寸或開口電容（環的線寬和間隙大小）來調節。根據電磁學，其等效磁導率為：

（5）

式中，是與圖中所給出的幾何尺寸有關的函數。利用上式可求得導磁率實部與角頻率的關系曲線，如圖15（c）所示。由圖可見，在高于諧振頻率的區域，出現了導磁率的負值。

再來看圖13第三象限中的負折射率超材料，它們是自然界不存在的，只能通過人工來實現。將圖16中的自然界存在的物質與人工材料比較知，前者由原子或分子構成并按某種方式排列；后者由基本單元周期性排列構成，基本單元或稱為細胞，其大小明顯小于光波的波長。通常情況下，這些人工制備的基本單元按特定的周期或準周期形式堆疊或在平面上排列起來，組成單個的超材料。

據此思路，可將圖14（a）、15（a）組合排列成如圖17所示的周期性結構。其中，SRR諧振器要調諧到低于細導線構成的等離子體頻率。這樣，眾多的細導線排列結構產生負介電常數、眾多的開口環排列結構產生負導磁率，就綜合形成雙負的左手材料。圖17（a）的SRR是方形的，而圖17（b）是圓形的。實際上還有許多可供利用的、產生負導磁率的幾何尺寸更小的基本單元（細胞），如圖18所示。

值得注意的是，隨著希爾伯特分形曲線除數的增加，單元細胞的尺寸隨之減小，這有利于在一定空間內排列更多單元，或使構成所需人工材料尺寸更小。

實際應用中發現，利用細導線和開口諧振環所構成的雙負材料，損耗較大而帶寬甚窄，為解決此二問題，進一步研究出右手/左手混合成的傳輸線（CRLH-TL）結構。先看雙正材料的傳輸線，在高頻率域，傳輸線通常用分布參數來表示，即截取傳輸線的一小段，當忽略傳輸線損耗時，一小段長度（可視為基本單元）傳輸線相當于一電感，而上下線段之間呈現一電容，故等效為低通電路，如圖19（a）所示。完整的傳輸線就是將這些小段的分布參數等效電路逐一鏈接起來即可（見圖20）。圖中，基本單元的尺寸p=（工作波長）。

在圖21（a）中，由交指電容構成，與交指電容并聯的折線電感通過大電容接地構成，而連接交指電容的傳輸線分布參數的已存在；在圖21（b）中，從最上面的微帶與串聯電感之間的間隙電容組成串臂支路，而串聯電感的短線通過大電容虛擬接地，構成并聯電感，并聯電容由微帶傳輸線分布參數電容提供。在圖21（c），中間二微帶線段電感各為，線段之間的間隙電容為，微帶段中間連接地面的短線為，微帶段與地面之間的電容為，這樣可得圖21（c）下方的等效電路。

理論上，幾何尺寸和材料均勻的無耗傳輸線，具有寬帶性能而損耗很低，因此所構成的CRLH-TL較由SRR與細導線構成的雙負材料為優。

再來說超表面，它是超材料的二維面型結構。超表面在以下幾個方面表現出巨大的優勢：首先，超表面具有亞波長厚度，因此其在體積和重量上要遠小于三維超材料，這非常有助于器件的小型化，例如采用惠更斯表面原理的偏折透鏡和聚焦透鏡，其厚度要遠小于基于傳統三維超材料的透鏡天線；其次，在太赫茲、紅外以及可見光波段加工具有三維立體結構的超材料具有很大的挑戰性，而超表面由于只具有單層或者兩至三層金屬結構，因此采用標準的光刻流程便可輕易地加工微納尺度級別的超表面，無論是加工難度還是成本均遠小于三維超材料，因此有力地促進了超表面在太赫茲天線及其他器件中的應用。

利用超材料、超表面的獨有特性，可以開發出體積小、性能卓越、低成本的太赫茲天線。其優點一是所實現的天線尺寸更小，便于用巨大量陣元構成天線陣，獲得高增益和支持大功率輻射，二是獲得更大帶寬，支持高速、大容量信息傳送。三是可改進的輻射特性，提高天線效率，四是實現多頻帶功能。以下將舉例說明。

2.1.3 襯底集成波導

襯底集成波導（Substrate-Integrated Waveguide，SIW）（也稱為后壁波導或層壓波導）是一種合成的在電介質中形成的矩形電磁波導，用密集排列的金屬化柱或通孔連接襯底的上下金屬板。這種波導可以輕松地以低成本大規模生產制造使用通孔技術，其中柱墻由通孔組成柵欄。

微帶和共面線是一種平面型傳輸線，適合應用于平面電路，在集成電路中用作級間連接和匹配等。隨著工作頻率的升高，特別是當進入毫米波頻率高端和太赫茲頻段時，其傳輸損耗（包括插入損耗和輻射損耗）嚴重增加，它們便難以勝任。可取而代之的一種新型結構便是襯底集成波導，其基本組成如圖22所示。

圖22（a）中，SIW由兩面覆蓋有金屬層的薄介電基板組成，上層的金屬板有兩排金屬通孔穿過介質層連接到下面的金屬板，所嵌入兩排平行的金屬通孔限定了波傳播區域，即電磁波只能在兩排金屬通孔之間的介質內傳輸，類似于在矩形金屬波導填充介質中的傳播，而介質厚度可以做得很薄，適用于與其他平面電路的集成。在圖22（b）中，d為通孔的直徑，s為二相鄰通孔中心之間的距離，a為兩排通孔中心之間的距離，ae為等效距離。

2.1.4 超材料和超表面在構造片上太赫茲天線中的應用

（1）例一：一種利用互補開口環諧振器（CSRR）加載的微帶貼片天線的構成如圖23所示。圖23（a）是方形貼片、CSRR和接地板的配置關系。圖23（b）是所采用的CSRR圖形。圖23（c）是用CSRR加載后天線的等效電路。圖23（d）使用CSRR加載微帶貼片天線前后的對比。

研究表明，構成左手器件時，作為超材料基本單元的SRR或CSRR數目不限，可為一個或多個。通過設計CSRR的諧振頻率與原貼片天線諧振頻率相同，將貼片天線尺寸減少后，由于CSRR的加載作用，其諧振頻率與加載前的貼片諧振頻率基本相同，結果加載后的貼片天線面積僅為加載前的1/4，小型化的效果是明顯的。

（2）例二：圖24是一種基于超材料和襯底集成波導技術的片上天線。該天線由五層組成：頂部和底部基板是由聚酰亞胺和鋁的堆疊層，其余為輻射貼片、接地板和饋線。四個方形輻射貼片置于50 μm的聚酰亞胺襯底上，而饋線是在50 μm底部聚酰亞胺層，通過設計簡單的方形微帶線來構成，這些微帶線彼此連接，以便由一波導端口進行激勵。接地面夾在頂部和底部聚酰亞胺之間，蝕刻在該接地板上的耦合方形槽精確地放置在貼片下方，以優化從底部饋線到頂部輻射貼片的電磁信號傳輸。為提高性能，在不增加天線尺寸的前提下，采用了超材料和襯底波導集成技術，在每貼片表面上，刻出五道線槽，其包絡呈紡椎形，又在基片四周邊緣開出貫穿整個貼片的金屬通孔，通過中間接地平面將頂部和底部基板彼此連接貫通，如此可減小介質損耗。貼片開槽和通孔分別等效為串聯左手電容（CL）并聯左手電感（LL），連接微帶線的分布參數等效為串聯右手電感（LR）和并聯右手電容（CR）。理論證明，采用MTM技術可擴大天線等效口面，提升輻射性能。

所提出的基于超材料的芯片的總體尺寸天線為1×1×0.1 mm3。圖24顯示了在頂層、中間層和底層上所有的組件配置；圖25則是各部分的分列圖。

該天線工作于0.600～0.622 THz，帶寬22 GHz （相對帶寬3.6%），帶內天線增益平均值為1.5 dBi，天線效率平均值為60% ，獲得了較佳的性能。

（3）例三：0.41～0.47 THz芯片上天線。圖26是一種利用超表面（MTS）構成的、工作于0.41～0.47 THz的片上天線。所提出的天線是在電薄（50 μm）、相對介電常數為12.9的砷化鎵（GaAs）襯底上，再用鋁制作厚度為0.35 μm的貼片。超表面是通過在頂層制作的11×11圓形貼片陣列上，在圓形貼片上雕刻槽線（見圖26（a）上方），以及在陣列中間一行制作金屬化通孔來實現。

在圖26（a）中，槽線利用接地板上的窄縫相互連接。位于中央的每一貼片的中心用一金屬化通孔貫通到基片底部，以形成射頻通道。GSG口為接地-信號-接地端口，所有金屬化通孔經接地面窄縫連接（見圖26（c））。當太赫茲信號從饋電口輸入時，其電磁能量經通孔耦合到與其連接的MTS貼片，然后經槽線到達其余的貼片，產生電磁輻射。

與圖24開槽貼片類似，貼片中不同長度的槽線，等效為左手串聯電容，而金屬化通孔則等效為左手并聯電感；由于這種電路結構，不可避免地引進了附加寄生參數，即串聯右手電感和并聯右手電容。前者是不可避免的表面電流所產生；后者則是貼片與接地板間的間隙所產生。這樣便得到圖26（d）所示的等效電路。

本例中，天線的尺寸是8.6×8.6×0.05 mm3，頻率范圍是0.41～0.47 THz。天線的平均增益為10 dBi，效率＞60%，表明其性能甚佳。

（4）例四：利用超表面和襯底集成波導技術的芯片上陣列天線，如圖27所示。

所提出的片上天線尺寸為0.8×0.8×0.13 mm3，天線由幾個堆疊層組成，其中包括Cu-SiO2-Cu-SiO2-Al-GaAs-Cu，頂層由2×4矩形銅貼片陣列組成。貼片上蝕刻有一排亞波長圓形槽。使用貼片邊緣處的鄰近耦合來激勵天線，這類似于間隙耦合貼片。這里是利用微帶共面波導饋線，通過將饋線旁邊的兩側接地來創建。饋線被夾在中間兩個氧化硅層之間，其下面是一帶有鋁片的層，彼此之間被狹窄的間隙隔開。該層的作用類似于部分反射層表面。鋁片的外周布滿了排列密集排列的金屬通孔將其連接到接地平面，入射電磁波穿過鋁層間隙在接地平面處產生反射。

GaAs襯底的厚度使得接地面的反射波相移與銅貼片表面反射的波同相。通過這種設置，鋁表面加工為多個單元周期性排列成人工磁導體（AMC），以接近零度的反射相位完全反射入射波（見圖27（c））。此設計可顯著增強天線的方向性。圓形槽橫跨矩形貼片就像微型諧振器一樣，輻射太赫茲頻段的能量。該天線是在GaAs基板上實現的，厚度為100 μm，介電常數為12.94。

圖27 （c）AMC的作用

所提出的襯底集成波導結構減少了襯底損耗、輻射泄露和不利影響表面波傳播的影響，這是通過仔細選擇金屬通孔的直徑和間距來實現的。亞波長圓形槽變換陣列成超表面，使天線具有擴大有效孔徑面積的作用，其結果是增強天線的輻射增益和效率。此外，插槽還改善了阻抗匹配和天線帶寬。

該天線工作頻帶為450～500 GHz，相對帶寬10.52%，最大增益7.4 dBi，平均增益6.5 dBi，比無超表面技術改善2.7 dBi，天線效率最大值為70%，平均值65%，改善12%。

對于上面涉及的人工磁導體（AMC），這里簡要簡明如下。眾所周知。理想電導體表面切向電場為零，當平面波入射到其表面時，反射波的電場與入射波之間有180°的相位差。當金屬作為天線的反射面時，天線與反射面之間的距離應為四分之一波長左右，用以增強半空間輻射。否則，由于反射波的電場反相，會大大削弱天線的輻射性能，而由電磁場理論中的對偶性原理知，平面波入射到理想磁導體表面時，入射波與反射波的電場是同相的，如果用理想磁導體做天線的反射面，就可以實現新型的低剖面天線。但理想磁導體在自然界中不存在。于是人工磁導體應運而生。

典型的人工磁導體的構成如圖28所示。在圖28（a）中，它是由單元金屬片周期性排列、襯底（硅或砷化鎵）和接地面組成，也可如圖28（b）將接地面放在襯底上面。輻射元件位于AMC層之上。圖28（c）是AMC單元俯視圖。由理想電邊界（相當于短路）和磁邊界（相當于開路）得到周期性邊界條件（PBC），據此求得優化的單元幾何尺寸g、d。在設計的工作頻帶內。AMC呈現高阻抗，使表面波大為減弱，從而提高其輻射效率。

（5）例五：多頻段芯片上天線。如上一講所述，傳統的微帶貼片天線是利用二分之一波長微帶線段，等效為一諧振器，利用貼片兩端的邊緣效應，產生垂直于貼片面方向的定向輻射。研究發現，根據MTM原理，以聚酰亞胺（εr ）為襯底，在微帶金屬貼片上刻蝕一圓環，此圓環也是一個諧振器，如圖29（a）所示。圖中給出了襯底、微帶貼片和圓環的尺寸：襯底0.484×0.484×0.025 mm3，貼片0.318×0.236 mm2，圓環內、外徑分別為0.08 mm和0.10 mm，微帶傳輸饋線寬度0.067 mm。結果測量出有三個諧振頻率點，用反射系數表征（反射波與入射波之比，通常取其模平方的分貝數，為負值），相應頻點分別為500 GHz、600 GHz和880 GHz（見圖29（b））。要說明，諧振時，在微帶傳輸線上，將產生嚴重反射，即在諧振頻率上因反射產生大的負值，故而在圖29（b）中，出現反射系數隨頻率變化曲線的下陷。從貼片和圓環上電流的分布來看，紅色表示電流強度最大，黃色次之，綠色較弱。電流分布與諧振器中的電磁場分布密切相關，圖29c（i）是諧振頻率為500 GHz時，電流多分布在貼片上，即諧振頻率由貼片決定；圖29c（ii）中電流分布在貼片和部分圓環上，表明諧振頻率600 GHz由貼片和圓環互耦產生；圖29c（iii）中電流主要分布在圓環上，即諧振頻率880 GHz是圓環產生的。

天線僅采用傳統的貼片時，為單頻段工作，諧振頻率480 GHz，增益5.95 dB，天線效率90%。加入刻蝕的圓環后，獲得的三頻段性能參數如表3所示。

3? ?結束語

本次講座中，主要介紹了若干太赫茲光電導天線（PCA）的基本構成和工作原理，以及利用超材料、超平面及襯底集成波導來構成片上天線。太赫茲光電導天線（PCA）從理論到技術已甚為成熟，并在通信、傳感、圖像分析中有了實際的應用。如何進一步產生更大的輻射功率，以及進一步提高激光對太赫茲功率轉換比，仍有許多工作要做。在利用超材料、超平面產生片上天線方面，從左右手超材料-傳輸線（CRLH MTM-TL）給出的多個示例，對其物理尺寸、頻寬、材料、增益、輻射效率和輻射方向圖等進行比較，所得結果表明，集成槽、交指電容、螺旋線和折線形短截線分支和通孔引入天線的設計中，可以更好地融入系統級的集成，并獲得具有高性能和很寬的頻帶，有著廣泛的應用前景。■

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