一种THz频段高效光子晶体微带天线分析

林若波

(揭阳职业技术学院机电工程系，广东揭阳522051)

现代无线通信技术的高速发展对天线提出更高的要求，希望系统天线低成本、高效率、小型化，特别是毫米波和微波技术，正处于高速发展阶段。而多媒体业务，包括电话、有线电视(CATV)、数字电视和Internet的快速和全面发展，对电路带宽和容量的要求急剧增加，对传输与接收技术提出更高的要求。THz频段是指位于0.1 THz到10 THz之间的频段，由于具有带宽宽、成本低、可靠性好和结构紧凑等优点，研究和探索太赫兹天线技术已成为新兴的研究领域［1］，在生物和医药、天文、大气和环境、成像和波谱、仪器和物性研究以及安全和国防等方面有很宽广的应用空间。THz波的频带很宽，在通信方面的应用，前景也无限［2］。中国科学院微电子研究所刘洪刚等在太赫兹核心器件研究方面取得进展，使得太赫兹波在公共安全、无损检测、射电天文、环境监测、宽带通信、空间探测、生物医学等方面具有更重要的应用前景［3］。

微带天线由于具有重量轻、体积小、剖面薄、散射截面小及易于制造等优点，引起众多科研人员的极大研究兴趣，广泛应用于现代通信系统。为了尽可能地提高微带天线的辐射效率，很多学者已取得了重大突破［4－8］。但由于微带天线增益很低，带宽也比较窄，使得其应用受到较大限制。近年来出现的PBG(Photonic Band Gap)光子带隙材料，也称光子晶体(Photonic Crystals)，为提高微带天线的整体性能提供了新的研究思路［9－10］。Singh and Tiwari［11－12］将光子晶体应用在 THz频段微带矩形贴片天线。Agi and Malloy［13］通过实验和计算研究了集成微带贴片天线和二维光子晶体衬底。最近，Nasser［14］已经尝试了将二维等离子体晶体材料应用于微带天线的设计中，已取得丰富的研究成果。光子晶体的应用研究已经成为最热门的前沿科研课题之一。

1 THz频段矩形微带天线的分析与设计

1.1 天线理论分析［15］

根据矩形微带天线的设计要求，辐射贴片的尺寸可根据公式估算

式中：c表示真空中的光速;f表示天线的工作频率;εr表示介质的相结介电常数;εe表示有效介电常数，且

式中：h表示介质层厚度;w表示微带贴片的宽度。为了抑制表面波辐射的产生，介质基片的最大厚度h应满足

天线工作在TM10模式，W方向一般取在中心点，即yf=0。输入阻抗等于50 Ω时的馈点位置可由公式计算

1.2 普通矩形微带天线模型仿真

为设计一款位于THz频段的微带天线，根据天线理论分析，本设计要求中心频率为0.1 THz，采用微带线馈电。这里选取1 000 μm ×1 000 μm ×100 μm 的基材，介质板材选用Rogers TMM10，相对介电常数εr=9.2，损耗正切 tanφ =0.002 2，辐射贴片天线尺寸 L=600 μm，W=395 μm，微带线尺寸 L1=270 μm，W1=50 μm，如图 1 所示。在HFSS12中仿真，在频率f=0.1 THz时，天线回波损耗为－19.45 dB，驻波比(VSWR≤2)的阻抗带宽为3.0%。

图1 矩形微带天线结构图和S(1，1)扫频分析结果

1.3 光子晶体带隙介质微带天线模型仿真

为提高增益，使用光子晶体带隙为介质进行优化。通过光子晶体的带隙及在光子晶体中制造各种缺陷，比如线缺陷或点缺陷，可以有效地抑制表面波的辐射，减少天线的回波损耗。本设计拟在介质中钻出周期性空气柱，改变介质的有效介电常数，同时使中心频率落在光子晶体禁带范围内。根据文献［16］报道，在2D光子晶体中，只要钻出三列孔就可以满足禁带要求。禁带的中心频率f0是PBG结构周期的函数，即与d相关，具体关系为

式中：f0为禁带中心频率;c为真空中的光速;d为孔之间的周期距离;εe为微带线的有效介电常数。取光子禁带中心频率f0=0.1 THz，可计算得出 d=60 μm。因此，从馈点处开始中，在光子晶体基底介质上钻出5×7空气孔PBG 结构［17］，空气孔半径 r=100 μm，L 方向孔距 d1=60 μm，W 方向孔距 d2=120 μm，微带线 L1=270 μm，W1=50 μm，如图2所示。在HFSS12中进行了仿真，天线的传输效能明显提高。图3仿真结果显示微带天线中心频率右移，在107 GHz的回波损耗达－41 dB，比原来减少约22 dB，驻波比(VSWR≤2)的阻抗带宽为4.1%，比原来提高1.1%。图4则显示天线在频率0.11 THz处远场辐射E平面和H平面的增益，最大增益天线辐射方向达到8.8 dB。

2 结果分析

结果分析内容如下：

1)光子晶体带隙能有效地抑制表面波的辐射。通过选择适当的孔径和孔距，使谐振频率点落在光子晶体禁带，能有效地将能量耦合到辐射场。由于光子晶体空气隙的引入，有效介电常数变小，导致工作频率稍微增大。空气孔半径越大，工作频率右移越明显。图5显示了不同孔径下天线的回波损耗，当空气孔半径r=15 μm时，回波损耗达－41 dB。图6显示了不同孔距下天线的回波损耗，当空气孔距d=60 μm时，回波损耗达－41 dB。

图4 0.11 THz时天线远场辐射在E面和H面的增益方向图

2)阻抗匹配也是影响天线性能的重要参数，微带线的宽度会影响天线的输入阻抗和回波损耗。图7显示了微带线在不同宽度下天线的回波损耗，当宽度W1=50 μm时，天线的回波损耗达到最小，天线性能最优。

图7 不同微带宽度下天线回波损耗扫频优化结果

3 结论

二维光子晶体带隙结构的应用研究是目前最热门的研究课题，它将广泛应用于THz/毫米波技术领域中。本文通过对一款0.1 THz矩形微带天线的设计与优化，引入光子晶体带隙结构，基于HFSS12.0软件进行仿真，结果显示天线的回波损耗从－19.45 dB降至－41 dB，带宽从3%增至4.1%，极大地抑制天线表面波的反射，降低了天线的回波损耗，提高了光子晶体微带天线的实用性，有效地提高天线的传输性能，对研究天线结构具有一定的参考价值。

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