鐘旻

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

關(guān)鍵詞：太赫茲；光電導(dǎo)天線；芯片上天線；超材料；超平面；襯底集成波導(dǎo)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.001

中圖分類號：TN 822? ? ? ? ? 文獻標(biāo)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(tǒng)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(shù)分貝，甚至為負(fù)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(gòu)（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(dǎo)天線是利用光致電導(dǎo)效應(yīng)，用一束光脈沖或兩束不同頻率的連續(xù)波激光作用于光電器件，將光轉(zhuǎn)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(yīng)性能而成為太赫茲技術(shù)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(yīng)出現(xiàn)的亞波長技術(shù)，即電路尺寸遠小于太赫茲波長的技術(shù)，可進一步制作出芯片上天線，更好地實現(xiàn)與其他射頻電路集成。但芯片天線也面臨若干技術(shù)的挑戰(zhàn)。

石墨烯等新材料的出現(xiàn)和超材料、超平面和襯底集成波導(dǎo)的理論與技術(shù)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(dǎo)天線（Photoconductive

Antenna，PCA）[1]-[7]

1.1 基本原理與構(gòu)成

太赫茲波光電導(dǎo)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(dǎo)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(diào)制后，照射偶極子間隙處的半導(dǎo)體薄膜，激光光子被半導(dǎo)體薄膜材料吸收，當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體導(dǎo)帶與價帶之間的能帶帶隙時，便將載流子（電子）從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，而價帶出現(xiàn)空穴，形成空穴-電子對，成為自由載流子，然后它們被偏置產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)作用；太赫茲脈沖形狀（特性）與載流子的壽命長短有關(guān)，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(yīng)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(chǎn)生到復(fù)合的時間。為了獲得所需的短載流子壽命，半導(dǎo)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(chǎn)生，或者通過低溫生長產(chǎn)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?fù)浼鞍雽?dǎo)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(lǐng)結(jié)形天線結(jié)構(gòu)獲得了廣泛的應(yīng)用。

為便于理解和研究，可將圖1和圖2的光導(dǎo)天線，用圖3的等效電路來表示。激光照射間隙處的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的光電流，等效為一電流源，其內(nèi)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(lǐng)結(jié)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(fù)載阻抗（Za）。

偶極子的諧振頻率可認(rèn)為是所產(chǎn)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(zhì)相對介電常數(shù)，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(yōu)點。該材料的性能如表1所示。

當(dāng)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(lǐng)結(jié)形天線，考慮到兩端的邊緣效應(yīng)，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(huán)境）時的電阻值。光敏電阻的暗阻越大，暗電流越??；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(fā)時信號對噪聲比所取得技術(shù)突破的性能標(biāo)志。

PCA除采用偶極子和領(lǐng)結(jié)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(dǎo)天線，如圖4所示，它們各有特點。偶極子、領(lǐng)結(jié)形和螺線PCA仍為研發(fā)的主流。偶極子結(jié)構(gòu)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(lǐng)結(jié)形PCA則優(yōu)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(shù)螺線PCA，因螺線具有寬帶特性，是行波型天線，構(gòu)成PCA所獲得的增益、效率和帶寬等性能方面均較好的表現(xiàn)。

為了更高的方向性和增益，可將太赫茲介質(zhì)透鏡與PCA組合，如圖5所示。據(jù)一研究成果報導(dǎo)，工作于200～600 GHz的PCA，加介質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)換比也是十分重要的問題。上述單個光導(dǎo)天線，一般輸出太赫茲功率為微瓦級，而功率轉(zhuǎn)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(zhì)透鏡與PCA組合的基礎(chǔ)上，采用微透鏡陣列產(chǎn)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(zhì)天線，口面上安放由3×3對數(shù)螺旋線陣元構(gòu)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(yīng)的3×3激光波束，分別照射PCA各陣元。PCA每一陣元為對數(shù)螺旋線，激光照射區(qū)加上等離子體光柵，用以傳播表面等離子激元（SPP）波（見《數(shù)字通信世界》2023年第12期“太赫茲射頻器件與電路（三）”），此結(jié)構(gòu)的對數(shù)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(zhuǎn)換效率（見圖6（b））。微透鏡陣列是一組由玻璃或半導(dǎo)體材料構(gòu)成的微型平凸形拋物面透鏡，透鏡間相距數(shù)十至數(shù)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(jù)幾何光學(xué)原理，在介質(zhì)透鏡的輸出方向上，將是PCA各陣元產(chǎn)生的太赫茲脈沖的疊加，得到強的太赫茲輻射。

據(jù)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(guān)，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(yīng)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(guān)系曲線。例如，在0.1～2 THz的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)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(zhuǎn)換比為0.59%。而單元PCA與介質(zhì)透鏡組合，在同樣的頻率范圍內(nèi)，對于光泵功率和偏置電壓分別為20 mW和40 V時產(chǎn)生的太赫茲輻射功率僅為100 μW，功率轉(zhuǎn)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(dǎo)發(fā)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(zhuǎn)換效率。天線分別采用了LT-GaAs和Si-GaAs作為襯底。結(jié)果，獲得圖10所示的太赫茲輻射功率隨直流偏置的關(guān)系曲線。從中可見，以Si-GaAs為襯底的等離子光導(dǎo)天線較采用LT-GaAs的為優(yōu)。在0.1～5 THz頻率范圍內(nèi)，當(dāng)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(zhuǎn)換比達1.58%。還有研究報道通過嵌入LT–GaAs襯底內(nèi)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(zhuǎn)換比，這是迄今創(chuàng)紀(jì)錄的水平。

1.4 太赫茲連續(xù)波的產(chǎn)生

以上介紹的PCA產(chǎn)生的是太赫茲脈沖輻射，若需得到太赫茲連續(xù)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(jīng)介質(zhì)透鏡聚焦后輸出，如圖11所示。

關(guān)于光混頻原理，在太赫茲射頻器件與電路（二）（《數(shù)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(jù)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(dǎo)體材料（如GaAs）吸收，產(chǎn)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(chǎn)生連續(xù)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(shè)備的高性能連接要求，如超高速、大容量流媒體、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）之間的批量數(shù)據(jù)交換，各種通信設(shè)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(tǒng)集成到芯片中，已經(jīng)在繼續(xù)推進，不斷提高其集成化水平。其中太赫茲電路當(dāng)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(guān)，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(xiàn)；另一方面，芯片上實現(xiàn)太赫茲天線也面臨諸多挑戰(zhàn)，其中，傳統(tǒng)使用的材料和天線樣式不能沿用下去，如以往常用的導(dǎo)體如銀，隨著工作頻率的升高，其“趨膚效應(yīng)”更加嚴(yán)重，即電流越會被擠壓到導(dǎo)體表面，這意味著其導(dǎo)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(guān)鍵性能上難以滿足系統(tǒng)指標(biāo)的要求，需要在材料、元件構(gòu)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(dǎo)（SIW）技術(shù)，在系統(tǒng)集成（SoC）的芯片中，實現(xiàn)了高性能天線。這些技術(shù)可獲得更小的尺寸、更寬的帶寬，以及更好的輻射特性等優(yōu)點。此外，它們還能抑制天線中激發(fā)的表面波，減小其輻射。這些技術(shù)適用于各種高介電常數(shù)電介質(zhì)，硅、石墨烯、聚酰亞胺、GaAs等，用作襯底可減少導(dǎo)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(jīng)發(fā)現(xiàn)的材料，按照其介電常數(shù)（）和磁導(dǎo)率（）的正負(fù)關(guān)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(zhì)材料；第二象限為單負(fù)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(fù)（）（DNG），其折射率也為負(fù)（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(xiàn)。第四象限是導(dǎo)磁率為負(fù)（）的單負(fù)材料（MNG）。如某些鐵磁材料。當(dāng)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(cè)，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(guān)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(fù)材料，折射光與入射光出現(xiàn)在法線的同一側(cè)，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(guān)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(fù)）超材料，具有負(fù)介電常數(shù)（）或負(fù)磁導(dǎo)率（）；二是DNG（雙負(fù)）超材料，同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，又稱負(fù)折射率材料（n<0）或左手材料；三是ZIM（零指數(shù)材料），其具有零介電常數(shù)或零磁導(dǎo)率。此外，EBG（阻止電磁波傳播的電磁帶隙）和AMC（人工磁導(dǎo)體）通常也被視為超材料。

2.1.2 某些超材料的構(gòu)成

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

如上所述，構(gòu)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(jié)構(gòu)在三維空間中進行排列，因此在宏觀上可以認(rèn)為超材料是等效均勻媒質(zhì)，可以采用等效介電常數(shù)εeff和等效磁導(dǎo)率μeff來描述超材料的電磁屬性。根據(jù)電磁學(xué)，這種結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)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(nèi)的某種擾動引發(fā)正負(fù)電荷的分離，使等離子體粒子產(chǎn)生集體振蕩，相應(yīng)的振蕩頻率稱為等離子體頻率。正負(fù)電荷分離時，離子由于質(zhì)量大，可視為固定不動，而電子會在靜電力的作用下產(chǎn)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(jù)上式可畫出圖14（b）給出的等效介電常數(shù)實部與角頻率的關(guān)系曲線。由圖14（d）可見，當(dāng)時，，即低于等離子體角頻率的區(qū)域處獲得了負(fù)的介電常數(shù)。至于負(fù)的導(dǎo)磁率，可以通過圖15（a）的方形開口環(huán)諧振器（SRR）來產(chǎn)生。

當(dāng)一外部時變磁場垂直于環(huán)面時，就會在內(nèi)外環(huán)上產(chǎn)生電流，而在二環(huán)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(huán)長、寬度大得多的波長下產(chǎn)生諧振，可用一穩(wěn)態(tài)LC電路來描述，其諧振角頻率為：

（4）

式中，L為二環(huán)的電感；C是環(huán)間電容。諧振頻率可通過改變環(huán)的尺寸或開口電容（環(huán)的線寬和間隙大小）來調(diào)節(jié)。根據(jù)電磁學(xué)，其等效磁導(dǎo)率為：

（5）

式中，是與圖中所給出的幾何尺寸有關(guān)的函數(shù)。利用上式可求得導(dǎo)磁率實部與角頻率的關(guān)系曲線，如圖15（c）所示。由圖可見，在高于諧振頻率的區(qū)域，出現(xiàn)了導(dǎo)磁率的負(fù)值。

再來看圖13第三象限中的負(fù)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(xiàn)。將圖16中的自然界存在的物質(zhì)與人工材料比較知，前者由原子或分子構(gòu)成并按某種方式排列；后者由基本單元周期性排列構(gòu)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(zhǔn)周期形式堆疊或在平面上排列起來，組成單個的超材料。

據(jù)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(jié)構(gòu)。其中，SRR諧振器要調(diào)諧到低于細導(dǎo)線構(gòu)成的等離子體頻率。這樣，眾多的細導(dǎo)線排列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)、眾多的開口環(huán)排列結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)導(dǎo)磁率，就綜合形成雙負(fù)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(chǎn)生負(fù)導(dǎo)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(shù)的增加，單元細胞的尺寸隨之減小，這有利于在一定空間內(nèi)排列更多單元，或使構(gòu)成所需人工材料尺寸更小。

實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，利用細導(dǎo)線和開口諧振環(huán)所構(gòu)成的雙負(fù)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(jié)構(gòu)。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(shù)來表示，即截取傳輸線的一小段，當(dāng)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(dāng)于一電感，而上下線段之間呈現(xiàn)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(shù)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(gòu)成，與交指電容并聯(lián)的折線電感通過大電容接地構(gòu)成，而連接交指電容的傳輸線分布參數(shù)的已存在；在圖21（b）中，從最上面的微帶與串聯(lián)電感之間的間隙電容組成串臂支路，而串聯(lián)電感的短線通過大電容虛擬接地，構(gòu)成并聯(lián)電感，并聯(lián)電容由微帶傳輸線分布參數(shù)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(gòu)成的CRLH-TL較由SRR與細導(dǎo)線構(gòu)成的雙負(fù)材料為優(yōu)。

再來說超表面，它是超材料的二維面型結(jié)構(gòu)。超表面在以下幾個方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的超材料具有很大的挑戰(zhàn)性，而超表面由于只具有單層或者兩至三層金屬結(jié)構(gòu)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。

利用超材料、超表面的獨有特性，可以開發(fā)出體積小、性能卓越、低成本的太赫茲天線。其優(yōu)點一是所實現(xiàn)的天線尺寸更小，便于用巨大量陣元構(gòu)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(xiàn)多頻帶功能。以下將舉例說明。

2.1.3 襯底集成波導(dǎo)

襯底集成波導(dǎo)（Substrate-Integrated Waveguide，SIW）（也稱為后壁波導(dǎo)或?qū)訅翰▽?dǎo)）是一種合成的在電介質(zhì)中形成的矩形電磁波導(dǎo)，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(dǎo)可以輕松地以低成本大規(guī)模生產(chǎn)制造使用通孔技術(shù)，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(yīng)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(dāng)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(yán)重增加，它們便難以勝任?？扇《囊环N新型結(jié)構(gòu)便是襯底集成波導(dǎo)，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(zhì)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(qū)域，即電磁波只能在兩排金屬通孔之間的介質(zhì)內(nèi)傳輸，類似于在矩形金屬波導(dǎo)填充介質(zhì)中的傳播，而介質(zhì)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?fù)字行闹g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(gòu)造片上太赫茲天線中的應(yīng)用

（1）例一：一種利用互補開口環(huán)諧振器（CSRR）加載的微帶貼片天線的構(gòu)成如圖23所示。圖23（a）是方形貼片、CSRR和接地板的配置關(guān)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(gòu)成左手器件時，作為超材料基本單元的SRR或CSRR數(shù)目不限，可為一個或多個。通過設(shè)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(jié)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(dǎo)技術(shù)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(shè)計簡單的方形微帶線來構(gòu)成，這些微帶線彼此連接，以便由一波導(dǎo)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(yōu)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(dǎo)集成技術(shù)，在每貼片表面上，刻出五道線槽，其包絡(luò)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(zhì)損耗。貼片開槽和通孔分別等效為串聯(lián)左手電容（CL）并聯(lián)左手電感（LL），連接微帶線的分布參數(shù)等效為串聯(lián)右手電感（LR）和并聯(lián)右手電容（CR）。理論證明，采用MTM技術(shù)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(nèi)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(gòu)成的、工作于0.41～0.47 THz的片上天線。所提出的天線是在電?。?0 μm）、相對介電常數(shù)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(xiàn)。

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(jīng)接地面窄縫連接（見圖26（c））。當(dāng)太赫茲信號從饋電口輸入時，其電磁能量經(jīng)通孔耦合到與其連接的MTS貼片，然后經(jīng)槽線到達其余的貼片，產(chǎn)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(lián)電容，而金屬化通孔則等效為左手并聯(lián)電感；由于這種電路結(jié)構(gòu)，不可避免地引進了附加寄生參數(shù)，即串聯(lián)右手電感和并聯(lián)右手電容。前者是不可避免的表面電流所產(chǎn)生；后者則是貼片與接地板間的間隙所產(chǎn)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(dǎo)技術(shù)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(dǎo)饋線，通過將饋線旁邊的兩側(cè)接地來創(chuàng)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(chǎn)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(shè)置，鋁表面加工為多個單元周期性排列成人工磁導(dǎo)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(shè)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(xiàn)的，厚度為100 μm，介電常數(shù)為12.94。

圖27 （c）AMC的作用

所提出的襯底集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)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(shù)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(dǎo)體（AMC），這里簡要簡明如下。眾所周知。理想電導(dǎo)體表面切向電場為零，當(dāng)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(dāng)金屬作為天線的反射面時，天線與反射面之間的距離應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體做天線的反射面，就可以實現(xiàn)新型的低剖面天線。但理想磁導(dǎo)體在自然界中不存在。于是人工磁導(dǎo)體應(yīng)運而生。

典型的人工磁導(dǎo)體的構(gòu)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(dāng)于短路）和磁邊界（相當(dāng)于開路）得到周期性邊界條件（PBC），據(jù)此求得優(yōu)化的單元幾何尺寸g、d。在設(shè)計的工作頻帶內(nèi)。AMC呈現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)，產(chǎn)生垂直于貼片面方向的定向輻射。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)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(huán)，此圓環(huán)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(huán)的尺寸：襯底0.484×0.484×0.025 mm3，貼片0.318×0.236 mm2，圓環(huán)內(nèi)、外徑分別為0.08 mm和0.10 mm，微帶傳輸饋線寬度0.067 mm。結(jié)果測量出有三個諧振頻率點，用反射系數(shù)表征（反射波與入射波之比，通常取其模平方的分貝數(shù)，為負(fù)值），相應(yīng)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(chǎn)生嚴(yán)重反射，即在諧振頻率上因反射產(chǎn)生大的負(fù)值，故而在圖29（b）中，出現(xiàn)反射系數(shù)隨頻率變化曲線的下陷。從貼片和圓環(huán)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(guān)，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(huán)上，表明諧振頻率600 GHz由貼片和圓環(huán)互耦產(chǎn)生；圖29c（iii）中電流主要分布在圓環(huán)上，即諧振頻率880 GHz是圓環(huán)產(chǎn)生的。

天線僅采用傳統(tǒng)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(huán)后，獲得的三頻段性能參數(shù)如表3所示。

3? ?結(jié)束語

本次講座中，主要介紹了若干太赫茲光電導(dǎo)天線（PCA）的基本構(gòu)成和工作原理，以及利用超材料、超平面及襯底集成波導(dǎo)來構(gòu)成片上天線。太赫茲光電導(dǎo)天線（PCA）從理論到技術(shù)已甚為成熟，并在通信、傳感、圖像分析中有了實際的應(yīng)用。如何進一步產(chǎn)生更大的輻射功率，以及進一步提高激光對太赫茲功率轉(zhuǎn)換比，仍有許多工作要做。在利用超材料、超平面產(chǎn)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(jié)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(shè)計中，可以更好地融入系統(tǒng)級的集成，并獲得具有高性能和很寬的頻帶，有著廣泛的應(yīng)用前景。■

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