太赫兹天线（二）

钟旻

摘要：文章叙述了太赫兹通信天线的新发展，包括光电导天线，芯片上天线和超材料、超平面的应用等，并给出了一些具体例子。

关键词：太赫兹；光电导天线；芯片上天线；超材料；超平面；衬底集成波导

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.001

中图分类号：TN 822          文献标志码：A            文章编码：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

上一讲所介绍的传统型天线，仍不能完全满足未来6G等对利用太赫兹通信电路的要求，例如，平面电路广泛采用的微带贴片天线，天线效率较低，每个单元增益仅一至数分贝，甚至为负值，相对带宽（通频带上下限频率差与中心频率之比）仅百分之一左右，天线效率也欠佳，此外，在天线的可重构（工作频率、多波束、波束扫描等）方面也难以提供更多、更大的灵活性。

光电导天线是利用光致电导效应，用一束光脉冲或两束不同频率的连续波激光作用于光电器件，将光转换为太赫兹频率的电磁波，既可作为太赫兹源，又可作为辐射太赫兹波的天线，并因其具有高强度、高辐射效率和宽带响应性能而成为太赫兹技术生要的组成部分。

此外，利用太赫兹工作波长极短的特点，以及相应出现的亚波长技术，即电路尺寸远小于太赫兹波长的技术，可进一步制作出芯片上天线，更好地实现与其他射频电路集成。但芯片天线也面临若干技术的挑战。

石墨烯等新材料的出现和超材料、超平面和衬底集成波导的理论与技术的成果，为太赫兹天线集成芯片化开辟了新的有效的途径。

1   光电导天线（Photoconductive

Antenna，PCA）[1]-[7]

1.1 基本原理与构成

太赫兹波光电导天线（PCA）原理如图1所示。通常是在由III-V族化合物加工而得到的半绝缘高电阻Si-GaAs做的衬底上，外延生长出一层GaAs半导体薄膜。在此薄膜上沉积出金属电极，并加上偏置电压；二电极间接一偶极子，将波长为800 nm或1 100～1 550 nm的激光用飞秒（1 ps或更高）脉冲调制后，照射偶极子间隙处的半导体薄膜，激光光子被半导体薄膜材料吸收，当光子能量大于半导体导带与价带之间的能带带隙时，便将载流子（电子）从价带激发到导带，而价带出现空穴，形成空穴-电子对，成为自由载流子，然后它们被偏置产生的电场加速，载流子电荷的运动便是电流，称为光生电流，简称光电流。载流子的速度和加速度越大，产生的光电流也越大。光电流在流动和变化以及之后的消失、再生的过程中，便产生一太赫兹电磁脉冲辐射。

理论与实验证明，太赫兹频率的电磁脉冲由光生载流子电流随时间变化的速度产生（ ～ ）。又因电子的运动速度比空穴的快，在太赫兹脉冲的形成中起主导作用；太赫兹脉冲形状（特性）与载流子的寿命长短有关，长寿命的载流子造成太赫兹脉冲后沿拖尾拉长，频谱带宽变窄，故应选择电子-空穴短寿命的材料，以在PCA的反射和传输方向形成太赫兹电磁波，具有宽带性能。所谓载流子寿命，是指电子-空穴对从产生到复合的时间。为了获得所需的短载流子寿命，半导体薄膜必须具有晶体缺陷。这些缺陷可以在膜生长后通过离子注入产生，或者通过低温生长产生。研究表明，低温（200 ～ 300℃）下加工出来的GaAs（LT-GaAs）等材料具有短寿命载流子的特性。

1.2 天線几何形状拓扑及半导体材料

为了获得更大的带宽和高THz辐射功率，如图2所示的领结形天线结构获得了广泛的应用。

为便于理解和研究，可将图1和图2的光导天线，用图3的等效电路来表示。激光照射间隙处的半导体材料产生的光电流，等效为一电流源，其内阻抗（Zs）的实部为光敏电阻，其虚部则表示半波长的偶极子和领结形天线对于太赫兹频率所具有的谐振特性：而辐射太赫兹波性能等效为太赫兹天线的负载阻抗（Za）。

偶极子的谐振频率可认为是所产生的太赫兹波的中心频率，可用下面的近似公式计算：

（1）

式中，为偶极子长度（谐振器长度，理论上为太赫兹半波长）；为光速（3×108 m/s）；为谐振波长；为基片介质相对介电常数，大都采用砷化镓，其中，LT-GaAs，因其具有载流子寿命超短，电子迁移率和击穿强度高等优点。该材料的性能如表1所示。

当太赫兹频率定为1 THz时，利用上式可求得偶极子长度为114 μm。对于领结形天线，考虑到两端的边缘效应，的实际长度会更短些（86 μm）。

表2中，暗电阻是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。光敏电阻的暗阻越大，暗电流越小；而亮阻越小，亮电流则越大大。如此光敏电阻的灵敏度就高。信噪声比是指用于THz PCA实际研发时信号对噪声比所取得技术突破的性能标志。

PCA除采用偶极子和领结形天线外，还有螺线型、交指型、双偶极子型和光栅型、圆形和蝴蝶型等THz光电导天线，如图4所示，它们各有特点。偶极子、领结形和螺线PCA仍为研发的主流。偶极子结构较简单，但带宽较窄，相对带宽约2%，所能获得的太赫兹功率也较低；领结形PCA则优于偶极子，可提供较宽的带宽和太赫兹辐射功率。对于螺线包括对数螺线PCA，因螺线具有宽带特性，是行波型天线，构成PCA所获得的增益、效率和带宽等性能方面均较好的表现。

为了更高的方向性和增益，可将太赫兹介质透镜与PCA组合，如图5所示。据一研究成果报导，工作于200～600 GHz的PCA，加介质透镜前后，天线效率分别为22～62%和54～67%；天线增益分别为<5 dB和13～20 dB。加入介质透镜的作用是显著的。

PCA的性能，除上面通常所讲天线增益、方向性、带宽和效率外，太赫兹大辐射功率及激光对太赫兹功率转换比也是十分重要的问题。上述单个光导天线，一般输出太赫兹功率为微瓦级，而功率转换比低于1%。

1.3 PCA阵列

为获得更强大的太赫兹辐射功率，基本途径是在图5所示的介质透镜与PCA组合的基础上，采用微透镜阵列产生的光泵与PCA阵列和透镜的组合。以

图6（a）为例，其中使用更大口径的半球形（鱼眼）介质天线，口面上安放由3×3对数螺旋线阵元构成的PCA阵列；再使用微透镜阵列，将入射的激光分割、聚焦形成与PCA阵元对应的3×3激光波束，分别照射PCA各阵元。PCA每一阵元为对数螺旋线，激光照射区加上等离子体光栅，用以传播表面等离子激元（SPP）波（见《数字通信世界》2023年第12期“太赫兹射频器件与电路（三）”），此结构的对数螺旋天线称混合天线，研究表明，它便于光泵波束与太赫兹辐射的耦合，能增加光对太赫兹的功率转换效率（见图6（b））。微透镜阵列是一组由玻璃或半导体材料构成的微型平凸形抛物面透镜，透镜间相距数十至数百微米，可对入射光波进行均匀化和成形（聚焦）等处理，见图7。

据几何光学原理，在介质透镜的输出方向上，将是PCA各阵元产生的太赫兹脉冲的叠加，得到强的太赫兹辐射。

据研究，每太赫兹阵元辐射的输出功率，与偏置电压和激光泵浦功率有关，增加光泵功率和偏压，可增加辐射的太赫兹功率。这些单元的合成具有相应的增强效果。图8给出了总的太赫兹辐射功率与偏置在不同光泵功率值的关系曲线。例如，在0.1～2 THz的频率范围内，当光泵功率为320 mW、偏置电压为100 V时，获得的太赫兹辐射功率约为1.9 mW，功率转换比为0.59%。而单元PCA与介质透镜组合，在同样的频率范围内，对于光泵功率和偏置电压分别为20 mW和40 V时产生的太赫兹辐射功率仅为100 μW，功率转换比为0.5%。

另一例子是采用图9所示的大面积等离子体光电导发射天线。与图6（a）同理，之所以采用等离子体天线，是为了增强太赫兹辐射单元附近的光载流子浓度，并能更快地加速光载流子，强化偶极子矩，提高光泵效率，从而提高光-太赫兹功率的转换效率。天线分别采用了LT-GaAs和Si-GaAs作为衬底。结果，获得图10所示的太赫兹辐射功率随直流偏置的关系曲线。从中可见，以Si-GaAs为衬底的等离子光导天线较采用LT-GaAs的为优。在0.1～5 THz频率范围内，当偏置为15 V、光泵功率为240 mW时，采用Si-GaAs为衬底的天线，得到的太赫兹辐射功率为3.8 mW。其功率转换比达1.58%。还有研究报道通过嵌入LT–GaAs衬底内部的三维等离子体接触电极的等离子体PCA，可获得高达7.5%的功率转换比，这是迄今创纪录的水平。

1.4 太赫兹连续波的产生

以上介绍的PCA产生的是太赫兹脉冲辐射，若需得到太赫兹连续波的辐射，将两列频率相差为太赫兹频率的激光，同时入射到中心安装有光混频器的PCA，混频后将得到的太赫兹波经介质透镜聚焦后输出，如图11所示。

关于光混频原理，在太赫兹射频器件与电路（二）（《数字通信世界》2023年11月）已有介绍，这里进一步说明如下。

图11（a）是两列频差为的激光电场，二者叠加得到图11（b）的波形，其差拍频率即为。据电磁场理论知，激光功率与其电场幅度的平方成正比，故得图11（c）的瞬时功率波形。这两路激光功率被混频器中的半导体材料（如GaAs）吸收，产生频率为的交流电流，称为光生电流，此电流馈送到天线，便产生连续的太赫兹辐射，如图11（d）所示。

2   芯片上天线（简称片上天线）[8]-[16]

为满足下一代无线设备的高性能连接要求，如超高速、大容量流媒体、物联网（IoT）之间的批量数据交换，各种通信设备/智能手机与全息视频会议等，促使太赫兹频谱的利用（如6G）提到日程上来。为便于用户携带和使用，将无线通信电路乃至系统集成到芯片中，已经在继续推进，不断提高其集成化水平。其中太赫兹电路当然是不可或缺的，包括各种太赫兹天线和天线阵列（见图12）。天线尺寸与工作波长密切相关，一方面，由于太赫兹波长比微波-毫米波低端短得多，有利于在芯片上实现；另一方面，芯片上实现太赫兹天线也面临诸多挑战，其中，传统使用的材料和天线样式不能沿用下去，如以往常用的导体如银，随着工作频率的升高，其“趋肤效应”更加严重，即电流越会被挤压到导体表面，这意味着其导电率的下降，传输电磁波的效率随着下降；再加上电路尺寸带来的局限和加工工艺的困难，在天线增益、效率和功率电平等关键性能上难以满足系统指标的要求，需要在材料、元件构成等另辟蹊径。

近年来，利用超材料（MTM）、超表面（MTS）和衬底集成波导（SIW）技术，在系统集成（SoC）的芯片中，实现了高性能天线。这些技术可獲得更小的尺寸、更宽的带宽，以及更好的辐射特性等优点。此外，它们还能抑制天线中激发的表面波，减小其辐射。这些技术适用于各种高介电常数电介质，硅、石墨烯、聚酰亚胺、GaAs等，用作衬底可减少导电层中的损耗，从而有助于提高天线性能。

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

2.1.1 材料的分类

目前已经发现的材料，按照其介电常数（）和磁导率（）的正负关系，可有四种不同的组合（见图13（a）），在第一象限中为双正材料（DPS），也称为右手材料，如介质材料；第二象限为单负材料（）（ENG），包括某些等离子体材料等，第三象限中的材料两者皆负（）（DNG），其折射率也为负（n<0），这类材料又称为左手材料，是自然界不存在的，只能通过人工来实现。第四象限是导磁率为负（）的单负材料（MNG）。如某些铁磁材料。当光线从空气入射到这些不同的材料时，在界面上所引起的折射和反射如图13（b）所示。对于一般材料，折射光与入射光位于法线的两侧，电磁波在这种材料中传播时电场、磁场与波矢量方向满足右手螺旋关系，能量与相位的传播方向相同（前向波）故称右手材料；而对于双负材料，折射光与入射光出现在法线的同一侧，电磁波在这种材料中传播时电场、磁场与波矢量方向满足左手螺旋关系，能量与相位的传播方向相反（后向波），故称左手材料。在理想情况下，等离子体和铁磁材料界面上只有反射分量而无折射分量。

广义地说，所谓超材料，包含有三种：一是SNG（单负）超材料，具有负介电常数（）或负磁导率（）；二是DNG（双负）超材料，同时具有负介电常数和负磁导率，又称负折射率材料（n<0）或左手材料；三是ZIM（零指数材料），其具有零介电常数或零磁导率。此外，EBG（阻止电磁波传播的电磁带隙）和AMC（人工磁导体）通常也被视为超材料。

2.1.2 某些超材料的构成

在单负材料中，利用如图14（a）所示的结构，即用铜、铝、金或银做成细导线的周期性排列，当线间距离p远小于工作波长时，在平行于导线电场的作用下，在某一频率范围内呈等离子体态，具有负介电常数。

如上所述，构成超材料的基本单元处于亚波长尺度，并按照一定的周期结构在三维空间中进行排列，因此在宏观上可以认为超材料是等效均匀媒质，可以采用等效介电常数εeff和等效磁导率μeff来描述超材料的电磁属性。根据电磁学，这种结构的等效介电常数为：

（2）

（3）

式中，为等离子频率；为丢弃频率（dumping frequency）；为光速；如图14（a）中所示。这里要说明，等离子体频率（plasma frequency）是指等离子体内的某种扰动引发正负电荷的分离，使等离子体粒子产生集体振荡，相应的振荡频率称为等离子体频率。正负电荷分离时，离子由于质量大，可视为固定不动，而电子会在静电力的作用下产生简谐振荡，称为等离子体振荡。在冷等离子体（即忽略电子热运动影响）中，振荡频率为。据上式可画出图14（b）给出的等效介电常数实部与角频率的关系曲线。由图14（d）可见，当时，，即低于等离子体角频率的区域处获得了负的介电常数。至于负的导磁率，可以通过图15（a）的方形开口环谐振器（SRR）来产生。

当一外部时变磁场垂直于环面时，就会在内外环上产生电流，而在二环的间隙处积累电荷。注意到，由于SRR的尺寸约或更小，因此是一种亚波长谐振器，就是说，SRR单元可在比环长、宽度大得多的波长下产生谐振，可用一稳态LC电路来描述，其谐振角频率为：

（4）

式中，L为二环的电感；C是环间电容。谐振频率可通过改变环的尺寸或开口电容（环的线宽和间隙大小）来调节。根据电磁学，其等效磁导率为：

（5）

式中，是与图中所给出的几何尺寸有关的函数。利用上式可求得导磁率实部与角频率的关系曲线，如图15（c）所示。由图可见，在高于谐振频率的区域，出现了导磁率的负值。

再来看图13第三象限中的负折射率超材料，它们是自然界不存在的，只能通过人工来实现。将图16中的自然界存在的物质与人工材料比较知，前者由原子或分子构成并按某种方式排列；后者由基本单元周期性排列构成，基本单元或称为细胞，其大小明显小于光波的波长。通常情况下，这些人工制备的基本单元按特定的周期或准周期形式堆叠或在平面上排列起来，组成单个的超材料。

据此思路，可将图14（a）、15（a）组合排列成如图17所示的周期性结构。其中，SRR谐振器要调谐到低于细导线构成的等离子体频率。这样，众多的细导线排列结构产生负介电常数、众多的开口环排列结构产生负导磁率，就综合形成双负的左手材料。图17（a）的SRR是方形的，而图17（b）是圆形的。实际上还有许多可供利用的、产生负导磁率的几何尺寸更小的基本单元（细胞），如图18所示。

值得注意的是，随着希尔伯特分形曲线除数的增加，单元细胞的尺寸随之减小，这有利于在一定空间内排列更多单元，或使构成所需人工材料尺寸更小。

实际应用中发现，利用细导线和开口谐振环所构成的双负材料，损耗较大而带宽甚窄，为解决此二问题，进一步研究出右手/左手混合成的传输线（CRLH-TL）结构。先看双正材料的传输线，在高频率域，传输线通常用分布参数来表示，即截取传输线的一小段，当忽略传输线损耗时，一小段长度（可视为基本单元）传输线相当于一电感，而上下线段之间呈现一电容，故等效为低通电路，如图19（a）所示。完整的传输线就是将这些小段的分布参数等效电路逐一链接起来即可（见图20）。图中，基本单元的尺寸p=（工作波长）。

在图21（a）中，由交指电容构成，与交指电容并联的折线电感通过大电容接地构成，而连接交指电容的传输线分布参数的已存在；在图21（b）中，从最上面的微带与串联电感之间的间隙电容组成串臂支路，而串联电感的短线通過大电容虚拟接地，构成并联电感，并联电容由微带传输线分布参数电容提供。在图21（c），中间二微带线段电感各为，线段之间的间隙电容为，微带段中间连接地面的短线为，微带段与地面之间的电容为，这样可得图21（c）下方的等效电路。

理论上，几何尺寸和材料均匀的无耗传输线，具有宽带性能而损耗很低，因此所构成的CRLH-TL较由SRR与细导线构成的双负材料为优。

再来说超表面，它是超材料的二维面型结构。超表面在以下几个方面表现出巨大的优势：首先，超表面具有亚波长厚度，因此其在体积和重量上要远小于三维超材料，这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镜和聚焦透镜，其厚度要远小于基于传统三维超材料的透镜天线；其次，在太赫兹、红外以及可见光波段加工具有三维立体结构的超材料具有很大的挑战性，而超表面由于只具有单层或者两至三层金属结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加工微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度还是成本均远小于三维超材料，因此有力地促进了超表面在太赫兹天线及其他器件中的应用。

利用超材料、超表面的独有特性，可以开发出体积小、性能卓越、低成本的太赫兹天线。其优点一是所实现的天线尺寸更小，便于用巨大量阵元构成天线阵，获得高增益和支持大功率辐射，二是获得更大带宽，支持高速、大容量信息传送。三是可改进的辐射特性，提高天线效率，四是实现多频带功能。以下将举例说明。

2.1.3 衬底集成波导

衬底集成波导（Substrate-Integrated Waveguide，SIW）（也称为后壁波导或层压波导）是一种合成的在电介质中形成的矩形电磁波导，用密集排列的金属化柱或通孔连接衬底的上下金属板。这种波导可以轻松地以低成本大规模生产制造使用通孔技术，其中柱墙由通孔组成栅栏。

微带和共面线是一种平面型传输线，适合应用于平面电路，在集成电路中用作级间连接和匹配等。随着工作频率的升高，特别是当进入毫米波频率高端和太赫兹频段时，其传输损耗（包括插入损耗和辐射损耗）严重增加，它们便难以胜任。可取而代之的一种新型结构便是衬底集成波导，其基本组成如圖22所示。

图22（a）中，SIW由两面覆盖有金属层的薄介电基板组成，上层的金属板有两排金属通孔穿过介质层连接到下面的金属板，所嵌入两排平行的金属通孔限定了波传播区域，即电磁波只能在两排金属通孔之间的介质内传输，类似于在矩形金属波导填充介质中的传播，而介质厚度可以做得很薄，适用于与其他平面电路的集成。在图22（b）中，d为通孔的直径，s为二相邻通孔中心之间的距离，a为两排通孔中心之间的距离，ae为等效距离。

2.1.4 超材料和超表面在构造片上太赫兹天线中的应用

（1）例一：一种利用互补开口环谐振器（CSRR）加载的微带贴片天线的构成如图23所示。图23（a）是方形贴片、CSRR和接地板的配置关系。图23（b）是所采用的CSRR图形。图23（c）是用CSRR加载后天线的等效电路。图23（d）使用CSRR加载微带贴片天线前后的对比。

研究表明，构成左手器件时，作为超材料基本单元的SRR或CSRR数目不限，可为一个或多个。通过设计CSRR的谐振频率与原贴片天线谐振频率相同，将贴片天线尺寸减少后，由于CSRR的加载作用，其谐振频率与加载前的贴片谐振频率基本相同，结果加载后的贴片天线面积仅为加载前的1/4，小型化的效果是明显的。

（2）例二：图24是一种基于超材料和衬底集成波导技术的片上天线。该天线由五层组成：顶部和底部基板是由聚酰亚胺和铝的堆叠层，其余为辐射贴片、接地板和馈线。四个方形辐射贴片置于50 μm的聚酰亚胺衬底上，而馈线是在50 μm底部聚酰亚胺层，通过设计简单的方形微带线来构成，这些微带线彼此连接，以便由一波导端口进行激励。接地面夹在顶部和底部聚酰亚胺之间，蚀刻在该接地板上的耦合方形槽精确地放置在贴片下方，以优化从底部馈线到顶部辐射贴片的电磁信号传输。为提高性能，在不增加天线尺寸的前提下，采用了超材料和衬底波导集成技术，在每贴片表面上，刻出五道线槽，其包络呈纺椎形，又在基片四周边缘开出贯穿整个贴片的金属通孔，通过中间接地平面将顶部和底部基板彼此连接贯通，如此可减小介质损耗。贴片开槽和通孔分别等效为串联左手电容（CL）并联左手电感（LL），连接微带线的分布参数等效为串联右手电感（LR）和并联右手电容（CR）。理论证明，采用MTM技术可扩大天线等效口面，提升辐射性能。

所提出的基于超材料的芯片的总体尺寸天线为1×1×0.1 mm3。图24显示了在顶层、中间层和底层上所有的组件配置；图25则是各部分的分列图。

该天线工作于0.600～0.622 THz，带宽22 GHz （相对带宽3.6%），带内天线增益平均值为1.5 dBi，天线效率平均值为60% ，获得了较佳的性能。

（3）例三：0.41～0.47 THz芯片上天线。图26是一种利用超表面（MTS）构成的、工作于0.41～0.47 THz的片上天线。所提出的天线是在电薄（50 μm）、相对介电常数为12.9的砷化镓（GaAs）衬底上，再用铝制作厚度为0.35 μm的贴片。超表面是通过在顶层制作的11×11圆形贴片阵列上，在圆形贴片上雕刻槽线（见图26（a）上方），以及在阵列中间一行制作金属化通孔来实现。

在图26（a）中，槽线利用接地板上的窄缝相互连接。位于中央的每一贴片的中心用一金属化通孔贯通到基片底部，以形成射频通道。GSG口为接地-信号-接地端口，所有金属化通孔经接地面窄缝连接（见图26（c））。当太赫兹信号从馈电口输入时，其电磁能量经通孔耦合到与其连接的MTS贴片，然后经槽线到达其余的贴片，产生电磁辐射。

与图24开槽贴片类似，贴片中不同长度的槽线，等效为左手串联电容，而金属化通孔则等效为左手并联电感；由于这种电路结构，不可避免地引进了附加寄生参数，即串联右手电感和并联右手电容。前者是不可避免的表面电流所产生；后者则是贴片与接地板间的间隙所产生。这样便得到图26（d）所示的等效电路。

本例中，天线的尺寸是8.6×8.6×0.05 mm3，频率范围是0.41～0.47 THz。天线的平均增益为10 dBi，效率＞60%，表明其性能甚佳。

（4）例四：利用超表面和衬底集成波导技术的芯片上阵列天线，如图27所示。

所提出的片上天线尺寸为0.8×0.8×0.13 mm3，天线由几个堆叠层组成，其中包括Cu-SiO2-Cu-SiO2-Al-GaAs-Cu，顶层由2×4矩形铜贴片阵列组成。贴片上蚀刻有一排亚波长圆形槽。使用贴片边缘处的邻近耦合来激励天线，这类似于间隙耦合贴片。这里是利用微带共面波导馈线，通过将馈线旁边的两侧接地来创建。馈线被夹在中间两个氧化硅层之间，其下面是一带有铝片的层，彼此之间被狭窄的间隙隔开。该层的作用类似于部分反射层表面。铝片的外周布满了排列密集排列的金属通孔将其连接到接地平面，入射电磁波穿过铝层间隙在接地平面处产生反射。

GaAs衬底的厚度使得接地面的反射波相移与铜贴片表面反射的波同相。通过这种设置，铝表面加工为多个单元周期性排列成人工磁导体（AMC），以接近零度的反射相位完全反射入射波（见图27（c））。此设计可显着增强天线的方向性。圆形槽横跨矩形贴片就像微型谐振器一样，辐射太赫兹频段的能量。该天线是在GaAs基板上实现的，厚度为100 μm，介电常数为12.94。

图27 （c）AMC的作用

所提出的衬底集成波导结构减少了衬底损耗、辐射泄露和不利影响表面波传播的影响，这是通过仔细选择金属通孔的直径和间距来实现的。亚波长圆形槽变换阵列成超表面，使天线具有扩大有效孔径面积的作用，其结果是增强天线的辐射增益和效率。此外，插槽还改善了阻抗匹配和天线带宽。

该天线工作频带为450～500 GHz，相对带宽10.52%，最大增益7.4 dBi，平均增益6.5 dBi，比无超表面技术改善2.7 dBi，天线效率最大值为70%，平均值65%，改善12%。

对于上面涉及的人工磁导体（AMC），这里简要简明如下。众所周知。理想电导体表面切向电场为零，当平面波入射到其表面时，反射波的电场与入射波之间有180°的相位差。当金属作为天线的反射面时，天线与反射面之间的距离应为四分之一波长左右，用以增强半空间辐射。否则，由于反射波的电场反相，会大大削弱天线的辐射性能，而由电磁场理论中的对偶性原理知，平面波入射到理想磁导体表面时，入射波与反射波的电场是同相的，如果用理想磁导体做天线的反射面，就可以实现新型的低剖面天线。但理想磁导体在自然界中不存在。于是人工磁导体应运而生。

典型的人工磁导体的构成如图28所示。在图28（a）中，它是由单元金属片周期性排列、衬底（硅或砷化镓）和接地面组成，也可如图28（b）将接地面放在衬底上面。辐射元件位于AMC层之上。图28（c）是AMC单元俯视图。由理想电边界（相当于短路）和磁边界（相当于开路）得到周期性边界条件（PBC），据此求得优化的单元几何尺寸g、d。在设计的工作频带内。AMC呈现高阻抗，使表面波大为减弱，从而提高其辐射效率。

（5）例五：多频段芯片上天线。如上一讲所述，传统的微带贴片天线是利用二分之一波长微带线段，等效为一谐振器，利用贴片两端的边缘效应，产生垂直于贴片面方向的定向辐射。研究发现，根据MTM原理，以聚酰亚胺（εr ）为衬底，在微带金属贴片上刻蚀一圆环，此圆环也是一个谐振器，如图29（a）所示。图中给出了衬底、微带贴片和圆环的尺寸：衬底0.484×0.484×0.025 mm3，贴片0.318×0.236 mm2，圆环内、外径分别为0.08 mm和0.10 mm，微带传输馈线宽度0.067 mm。结果测量出有三个谐振频率点，用反射系数表征（反射波与入射波之比，通常取其模平方的分贝数，为负值），相应频点分别为500 GHz、600 GHz和880 GHz（见图29（b））。要说明，谐振时，在微带传输线上，将产生严重反射，即在谐振频率上因反射产生大的负值，故而在图29（b）中，出现反射系数随频率变化曲线的下陷。从贴片和圆环上电流的分布来看，红色表示电流强度最大，黄色次之，绿色较弱。电流分布与谐振器中的电磁场分布密切相关，图29c（i）是谐振频率为500 GHz时，电流多分布在贴片上，即谐振频率由贴片决定；图29c（ii）中电流分布在贴片和部分圆环上，表明諧振频率600 GHz由贴片和圆环互耦产生；图29c（iii）中电流主要分布在圆环上，即谐振频率880 GHz是圆环产生的。

天线仅采用传统的贴片时，为单频段工作，谐振频率480 GHz，增益5.95 dB，天线效率90%。加入刻蚀的圆环后，获得的三频段性能参数如表3所示。

3   结束语

本次讲座中，主要介绍了若干太赫兹光电导天线（PCA）的基本构成和工作原理，以及利用超材料、超平面及衬底集成波导来构成片上天线。太赫兹光电导天线（PCA）从理论到技术已甚为成熟，并在通信、传感、图像分析中有了实际的应用。如何进一步产生更大的辐射功率，以及进一步提高激光对太赫兹功率转换比，仍有许多工作要做。在利用超材料、超平面产生片上天线方面，从左右手超材料-传输线（CRLH MTM-TL）给出的多个示例，对其物理尺寸、频宽、材料、增益、辐射效率和辐射方向图等进行比较，所得结果表明，集成槽、交指电容、螺旋线和折线形短截线分支和通孔引入天线的设计中，可以更好地融入系统级的集成，并获得具有高性能和很宽的频带，有着广泛的应用前景。■

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