基于双面多开口谐振环的THz微带天线优化设计

杨 靖，浦 实，敖建鹏，陶 灿，许泊炎

（武汉理工大学 理学院，武汉430070）

太赫兹波（0.1～10 THz），与微波相比，具有宽带宽和高传输速率的潜在优势，并且可以穿透低衰减的烟雾环境。这对于光波来说很难，正因如此，太赫兹通信逐渐成为未来通信的主流[1-2]。然而，如果没有一系列相关设备，太赫兹通信技术就不可能得到长足的发展。

1 太赫兹开口谐振环结构的研究现状

文献[3]提出基于光子晶体环形腔的四波长THz滤波器，该滤波器在光子晶体结构中引入2个环形腔，且环形腔内部各增加一个正方形介质柱，四周各引入一个散射介质柱。该滤波器性能优良，透过率高，品质因素值高，信道隔离度大，对于THz技术应用具有重要意义。文献[4]提出基于薄膜和双屏频率选择表面FSS（frequency selective surface）的0.34 THz带通滤波器，并利用等效电路模型分析了该滤波器的频率特性，结果较好。文献[5]提出基于方形开环谐振器SRR（split-ring resonator）的太赫兹微带天线，其方向性和增益可分别达到22.58 dBi和22.33 dB，整个工作频带的反射系数低于-10 dB。文献[6]展示了可调谐的太赫兹带阻滤波器，其具有超材料结构，由双层SRR和沿着间隙的一个柔性悬臂组成，通过改变悬臂的曲率半径该滤波器具有约0.32 THz的调谐范围。文献[7]设计了一种准全向平板超材料吸波体，该吸波体在 4.36～4.91 THz之间具有宽带强吸收；由于具有偏振不敏感和宽入射角的特性，该吸波体在科学技术领域具有广泛的应用前景。针对太赫兹探测器的低阻抗，文献[8]设计了具有1/4波匹配器的蝴蝶结天线和阻抗均为7 Ω的双U天线，讨论了影响响应机制的因素如螺旋的数量及其位置。

综上所述，由亚波长微结构组成的超材料结构被广泛应用于太赫兹器件的制造[9]。由于SRR的结构参数对谐振频率的影响巨大，基于SRR的设备很容易通过改变结构参数而获得调整和优化[10]。故在此着重讨论基于SRR的天线谐振频率的3个影响因素——谐振环宽度、环间间隙宽度、开口谐振环环数；据此给出基于双面多开口谐振环DSMSRR的太赫兹微带天线的优化设计。

2 微带天线的基本结构

受文献[11-12]初步结构的启发，提出的天线如图1所示。该天线由在电介质基板的不同侧面上对称印刷的2个多开口环谐振环组成。因天线谐振频率对应的波长比其自身的尺寸要大得多[11]，故有必要优化结构以获得良好的性能。

图1 天线的俯视图Fig.1 Top view of the antenna

3 太赫兹微带天线的优化

目标天线天线的比例缩小到适合300 GHz的太赫兹传输窗口。将文献[13-14]所提及的MSRR准静态分析方法用于指导初步结构的优化。根据该理论，谐振频率f为

式中：CMSRRs为总电容；为分流电阻；LMSRRs为总电感。这些值会随着结构参数值的变化而变化，关系式为

式中：N为谐振环的数量；C0为每单位长度的电容；ρ为填充比；t为谐振环的厚度。在工作中可以通过改变参数w，s，N等来优化天线。

3.1 谐振环宽度对天线性能的影响

如前所述，谐振器宽度w对CMSRRs和有直接影响，它和谐振器之间的空间比率也将影响和LMSRRs[15]。因此谐振器宽度的变化将使天线的谐振频率产生很大的差异。

通过MatLab计算，可得当w变小即环变窄时谐振频率降低的结论，然后使用3D电磁仿真软件CST 来模拟每个模型。设置 w 为 10，11，12 μm，其他参数见表1。

表1 仿真天线的结构参数Tab.1 Structural parameters of simulated antenna

图2 不同环宽下的Fig.2 at different ring widths

3.2 环间隙宽度对天线性能的影响

理论表明，当环间隙宽度s减小即谐振环之间的空间减小时，谐振频率将降低。根据经验，s分别选择为 4.67，5.67，6.67 μm，同时为突出 s的影响，w设定为 10 μm（而不是 12 μm），其它参数值见表1。在不同s下与频率的关系如图3所示。由图可见仿真结果与分析结果很吻合。

图3 不同环间隙宽度下的Fig.3 at different inter-ring gap width

3.3 开口谐振环环数对天线性能的影响

对于基于MSRR的微带天线，改变环数N将改变天线的匹配，而且匹配的差异也会影响谐振频率和天线的增益[17]。因此，在讨论N的影响之前，有必要分析天线的匹配。

根据电路理论，当天线的阻抗与负载阻抗相互共轭时，天线将实现最大功率利用。为此，一般来说，微带线馈线的阻抗应为50 Ω。当确定微带馈线的宽度和金属厚度（w＝10 μm，s＝4.67 μm）时，可以通过调整微带馈线的长度和MSRR与微带馈线的相对位置来进行阻抗匹配。完成匹配后，通过仿真得到不同N时与频率的关系图，如图4所示。 此外，当 N＝2，3，4 时，增益分别为 2.916，2.920，2.923 dB。

图4 不同环数时的参数Fig.4 at different number of rings

在此，选择300 GHz（适合大气传输的值）作为谐振频率，将通过仿真得到的初步结果按照以下步骤进行优化。

步骤1考虑到共振频率和天线的增益，取环数 N＝3；

步骤2选择 w＝12 μm，同理设定 s＝6.67 μm；

步骤3根据CST中的自动优化功能，可以稍微调整这些参数以获得更好的结果；

步骤4得到优化天线结构 （如图1所示），结构参数见表2。基板材料为Arlon，其尺寸设定为653 μm×430 μm×8.17 μm。

表2 优化天线的结构参数Tab.2 Optimizing antenna structural parameters

4 仿真结果

根据以上参数进行建模和仿真，优化天线的均匀电流分布如图5所示；参数与频率的关系如图6所示；辐射场如图7所示。可以得出结论，该优化天线实现了较好的全向性，而且谐振频率为300 GHz，在太赫兹的范围内。

图5 优化天线的电流分布Fig.5 Current distribution of optimized antenna

图6 优化天线的参数Fig.6 of optimized DSMSRRs antenna

图7 辐射图Fig.7 Radiation patterns

5 实物验证

制作的实物天线模型如图8所示，用以验证优化天线的可靠性。天线已按比例放大，以满足2.4 GHz谐振频率，便于测量。的仿真值和测量值如图9所示。由图可见测量结果与仿真结果能很好地匹配，由此证明优化天线的可靠性。

图8 实物天线模型Fig.8 Fabricated antenna model

图9 的仿真结果与测量结果Fig.9 Simulation results and measurement results of

6 结语

文中提出了基于DSMSRR的太赫兹微带天线的优化结构设计。通过准静态分析模型分析和一系列仿真，修改部分几何结构参数，有效地改变谐振频率，使目标天线满足太赫兹通信的要求；将优化天线按比例放大，制作实物天线并进行测量。测量结果与仿真结果吻合良好，验证了优化天线的可靠性。该优化天线具有良好的方位性，将应用于未来的Wi-Fi领域。