顶加载分形光子晶体太赫兹波段天线设计

薄膜基质的相对介电常数为4，形状为矩形，尺寸是80 μm×40 μm，厚度为10 μm。天线由印刷在薄膜基质正面的辐射贴片和印刷在薄膜基质背面的分形光子晶体结构组成。

天线辐射贴片结构如图1所示。辐射贴片的基本结构是偶极子天线，在偶极子天线的顶端加上了光子晶体结构作为顶负载，利用它的孔隙结构得到较大的分布电容，提高偶极子天线的有效工作长度。

偶极子臂由尺寸为16 μm×8 μm的金属辐射臂和尺寸为24 μm ×40 μm的顶加载光子晶体结构组成。顶加载光子晶体结构划分为5行3列15个小正方形区域，每个小正方形区域的大小都为8 μm×8 μm，每个小正方形区域的中心是一个尺寸为4 μm×4μm的正方形开孔，每个小正方形区域的外围是金属辐射区。

分形光子晶体结构如图2所示，它由2行3列共6个2阶康托尔分形金属贴片组成，每个2阶康托尔分形金属贴片的尺寸为16 μm×16 μm。使用分形金属阵列光子晶体结构后，天线辐射贴片的部分辐射会被金属阵列吸收，激发出二次辐射，原辐射与二次辐射同相叠加，可以有效提高天线的辐射强度；同时，分形光子晶体结构将大大增加天线的工作带宽。

4 天线辐射性能仿真与分析

4.1 天线辐射性能仿真

本文使用时域有限差分法对天线的辐射性能进行了仿真，结果如图3所示。

从图3(a)可知，该款天线的工作中心频率为1.00 THz，回波损耗最小值为-31.61 dB，天线工作频带范围为0.917～1.052 THz，绝对工作带宽为0.135 THz，相对工作带宽为13.5%。从图3(b)可知，该款天线的H面和E面方向图都能够有效覆盖超过280°的角度范围，天线具有全向辐射特性。仿真结果显示，该款天线能够很好地满足现有太赫兹波段设备对于天线的性能要求。

4.2 薄膜基质参数变化对天线性能的影响

在天线实际制作过程中，由于制作工艺的不同，薄膜基质的相对介电常数εr会发生变化，这种变化对天线性能的影响情况需要详细讨论。在保持薄膜基质的厚度为10 μm不变的情况下，通过改变薄膜基质的εr值，进行了一系列的仿真计算，结果如图4所示。

从图4可知，当εr≥4时，随着相对介电常数的减小，天线的回波损耗最小值逐渐变小，天线工作带宽逐渐增大。这是因为当介电常数减小时，天线的品质因数随之减小，天线贮存的能量减少，天线将把更多的能量用于辐射，从而使天线工作带宽增大。因此，适当减小薄膜基质相对介电常数可以提高天线的性能。

但是，当相对介电常数减小较多(εr<4)时，继续减小相对介电常数将导致天线的回波损耗最小值逐渐变大，天线工作带宽逐渐变小，这说明当相对介电常数的变化较大时，天线的匹配会被破坏，天线的辐射性能和带宽性能都会变差。

5 天线样品性能测试

根据前文所述的设计方案，使用磁控溅射工艺制作出了天线样品，并对天线样品的辐射性能进行了实际测试，结果如图5所示。

对比图5和图3可知，天线辐射性能的实测结果和仿真结果相似。实测结果显示，该款天线的工作中心频率为0.98 THz，回波损耗最小值为-28.08 dB，天线工作频带范围为0.925～1.043 THz，绝对工作带宽为0.118 THz，相对工作带宽为12.04%，该款天线的H面和E面实测方向图都具有全向辐射特性。

6 结论

本文针对太赫兹设备对于天线的性能要求，使用物理、化学特性非常稳定、机械性能和耐高、低温性能都很好的PET薄膜基质作为天线的基质材料，将顶加载技术、分形结构、光子晶体结构结合在一起，设计了一款顶加载分形光子晶体太赫兹波段天线。本文使用时域有限差分法对天线性能进行了仿真分析，对天线性能随薄膜基质参数的变化情况做了详尽讨论，制作了天线样品，进行了实际测试。本款天线具有优良的物理机械性能，可在-70 ℃～150 ℃的温度范围内正常工作。天线尺寸很小，只有80 μm×40 μm×10 μm，可以放进各种微型太赫兹设备里。本款天线的工作中心频率为0.98 THz，天线回波损耗最小值低至-28.08 dB，天线工作带宽达到0.118 THz，实现了太赫兹波段天线的宽频化工作。本款天线具有辐射性能好、工作带宽大的优点，具有较大的性能冗余，在多种不可预知的恶劣环境下可以正常工作，在太赫兹波段设备中有望得到广泛应用。

参考文献

[1] 吴邵华，李林涛，孙兴，等.太赫兹器件与技术发展动态[J].云光技术，2016，48(1)：7-13.

[2] 董家蒙，彭晓昱，马晓辉，等.超宽带太赫兹时域光谱探测技术