林若波

(揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽522051)

現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)天線提出更高的要求，希望系統(tǒng)天線低成本、高效率、小型化，特別是毫米波和微波技術(shù)，正處于高速發(fā)展階段。而多媒體業(yè)務(wù)，包括電話、有線電視(CATV)、數(shù)字電視和Internet的快速和全面發(fā)展，對(duì)電路帶寬和容量的要求急劇增加，對(duì)傳輸與接收技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，研究和探索太赫茲天線技術(shù)已成為新興的研究領(lǐng)域［1］，在生物和醫(yī)藥、天文、大氣和環(huán)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(yīng)用空間。THz波的頻帶很寬，在通信方面的應(yīng)用，前景也無限［2］。中國科學(xué)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(jìn)展，使得太赫茲波在公共安全、無損檢測(cè)、射電天文、環(huán)境監(jiān)測(cè)、寬帶通信、空間探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等方面具有更重要的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，引起眾多科研人員的極大研究興趣，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)。為了盡可能地提高微帶天線的輻射效率，很多學(xué)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(yīng)用受到較大限制。近年來出現(xiàn)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(yīng)用在 THz頻段微帶矩形貼片天線。Agi and Malloy［13］通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(jīng)嘗試了將二維等離子體晶體材料應(yīng)用于微帶天線的設(shè)計(jì)中，已取得豐富的研究成果。光子晶體的應(yīng)用研究已經(jīng)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(shè)計(jì)

1.1 天線理論分析［15］

根據(jù)矩形微帶天線的設(shè)計(jì)要求，輻射貼片的尺寸可根據(jù)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(zhì)的相結(jié)介電常數(shù);εe表示有效介電常數(shù)，且

式中：h表示介質(zhì)層厚度;w表示微帶貼片的寬度。為了抑制表面波輻射的產(chǎn)生，介質(zhì)基片的最大厚度h應(yīng)滿足

天線工作在TM10模式，W方向一般取在中心點(diǎn)，即yf=0。輸入阻抗等于50 Ω時(shí)的饋點(diǎn)位置可由公式計(jì)算

1.2 普通矩形微帶天線模型仿真

為設(shè)計(jì)一款位于THz頻段的微帶天線，根據(jù)天線理論分析，本設(shè)計(jì)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(zhì)板材選用Rogers TMM10，相對(duì)介電常數(shù)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(shí)，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(jié)構(gòu)圖和S(1，1)掃頻分析結(jié)果

1.3 光子晶體帶隙介質(zhì)微帶天線模型仿真

為提高增益，使用光子晶體帶隙為介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)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(diǎn)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(shè)計(jì)擬在介質(zhì)中鉆出周期性空氣柱，改變介質(zhì)的有效介電常數(shù)，同時(shí)使中心頻率落在光子晶體禁帶范圍內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)［16］報(bào)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(jié)構(gòu)周期的函數(shù)，即與d相關(guān)，具體關(guān)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(shù)。取光子禁帶中心頻率f0=0.1 THz，可計(jì)算得出 d=60 μm。因此，從饋點(diǎn)處開始中，在光子晶體基底介質(zhì)上鉆出5×7空氣孔PBG 結(jié)構(gòu)［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(jìn)行了仿真，天線的傳輸效能明顯提高。圖3仿真結(jié)果顯示微帶天線中心頻率右移，在107 GHz的回波損耗達(dá)－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(yuǎn)場(chǎng)輻射E平面和H平面的增益，最大增益天線輻射方向達(dá)到8.8 dB。

2 結(jié)果分析

結(jié)果分析內(nèi)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(dāng)?shù)目讖胶涂拙?，使諧振頻率點(diǎn)落在光子晶體禁帶，能有效地將能量耦合到輻射場(chǎng)。由于光子晶體空氣隙的引入，有效介電常數(shù)變小，導(dǎo)致工作頻率稍微增大?？諝饪装霃皆酱?，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(dāng)空氣孔半徑r=15 μm時(shí)，回波損耗達(dá)－41 dB。圖6顯示了不同孔距下天線的回波損耗，當(dāng)空氣孔距d=60 μm時(shí)，回波損耗達(dá)－41 dB。

圖4 0.11 THz時(shí)天線遠(yuǎn)場(chǎng)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(shù)，微帶線的寬度會(huì)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(dāng)寬度W1=50 μm時(shí)，天線的回波損耗達(dá)到最小，天線性能最優(yōu)。

圖7 不同微帶寬度下天線回波損耗掃頻優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究是目前最熱門的研究課題，它將廣泛應(yīng)用于THz/毫米波技術(shù)領(lǐng)域中。本文通過對(duì)一款0.1 THz矩形微帶天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，引入光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)，基于HFSS12.0軟件進(jìn)行仿真，結(jié)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(shí)用性，有效地提高天線的傳輸性能，對(duì)研究天線結(jié)構(gòu)具有一定的參考價(jià)值。

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