作者 / 林斌 厦门大学嘉庚学院(福建 漳州 363105)
*基金项目：福建省中青年教师教育科研项目(编号：JAT160646)
林斌(1984-)，男，硕士，讲师，研讨方向：微波射频器材规划、太赫兹波段器材规划。
摘要：太赫兹技能运用范畴的不断扩展，要求太赫兹波段天线具有更强的辐射特性和更宽的作业频段。本文运用三维突变介电常数陶瓷基板作为天线介质基板，创造性地将矩形环嵌套阵元天线和矩形阵列结构相结合，规划了一款太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线，制造了天线样品进行测验。测验成果表明，该款天线的作业中心频率为1.032THz，回波损耗最小值为-42.34dB，天线作业频带规模为0.873～1.476THz，肯定作业带宽为0.603THz，相对作业带宽为51.34%。该款天线在尺度紧缩方面有较大优势，具有较为富余的功能冗余，是现在已知的作业带宽最大的太赫兹波段天线，有望得到广泛运用。
导言
太赫兹波的波长大于30微米而小于3毫米，频率高于微波而低于红外波。1THz对应的光子能量约为4.14 mcV，宇宙射线的大部分能量都坐落太赫兹波段[1-2]。因为科学家们遭到对太赫兹波进行勘探的设备的约束，因而在上世纪80年代曾经，太赫兹技能的开展非常缓慢，太赫兹波并未遭到人们广泛地开发和运用，因而太赫兹波段被人们称为“太赫兹空白”(terahertz gap)。从上世纪80年代至今，因为科学家们在太赫兹辐射源发生设备以及对太赫兹辐射进行勘探的设备上均得到了打破，因而太赫兹技能在这几十年得到了史无前例的开展[3-4]。
太赫兹波具有许多绝无仅有的特别功能，首要，太赫兹波的能量极低，与现在人们用来进行勘探的X光射线比较简直能够忽略不计，特别将太赫兹波用在活体检测上，简直不会对检测方针构成任何损伤，因而，将太赫兹波用在医学检测上具有宽广的市场前景;其次太赫兹波频率很高，假如将太赫兹技能运用在通讯范畴，将会使传输速度向前跨过一大步，使通讯技能开展迈上一层新的台阶;将太赫兹技能运用在卫星通讯范畴，鉴于外太空近似真空、没有水分的环境，这将会使传输速度大大添加，因而，太赫兹通讯技能有着巨大的运用潜力;太赫兹波穿透才能极强，特别在非极性液体和一些介电资料的透视成像上表现出的作用极佳，假如再与太赫兹波超高的频率特性结合在一起，可将其作为现阶段人们所具有的成像技能的一种强有力的弥补，可用于污染源长途检测与定位，并可在机场、车站等人流量密布的公共场合的危险物品检测范畴大显神通[5-7]。
太赫兹波段天线是收发太赫兹波的要害器材，其功能决议着太赫兹波段设备的功能好坏。太赫兹波段天线规划中需求完成的功能方针是：天线尺度小于太赫兹设备的尺度，最好控制在200μm×200μm以内;天线谐振频率为1THz左右;回波损耗值小于-10dB时，天线的带宽大于0.1THz，天线最低回波损耗值小于-15dB;天线能够全向辐射;天线功能冗余较为富余，能够在各种电磁环境中确保太赫兹电磁波的传输质量[8-9]。
1 矩形环嵌套天线
矩形环嵌套天线是一种简略、高效的宽频带天线，其结构如图1所示。矩形环嵌套天线的外圈最大的矩形环在馈电后可作为金属线圈天线发生辐射，此刻内圈金属矩形环能够部分吸收外圈矩形环的辐射能量，生成感应电流，发生感应辐射。内外圈矩形环的巨细不同，所发生的辐射的频率也不同，从外到内，四个矩形环的辐射频率逐步进步，多个矩形环在不同频率的馈电辐射和感应辐射相叠加，使矩形环嵌套天线具有较宽的作业频段。
2 三维突变介电常数陶瓷基板
三维突变介电常数陶瓷基板是一种全新结构的陶瓷介质基板，其介电常数能够沿着基板长、宽、高三维逐突改变，结构如图2所示，图中数字表明某块小陶瓷块的介电常数。在阵列天线规划中运用这种新式基板后，每个阵元天线的介质基板参数都不相同，因而每个阵元天线的谐振频点不同。当不同阵元天线的谐振频点较为挨近时，它们的辐射和作业频带会彼此叠加，构成一个辐射强度和作业带宽都较大的作业频带，然后进步阵列天线的功能冗余。
3 太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线结构规划
规划中运用的天线基板为低损耗太赫兹波段透波三维突变介电常数陶瓷基板，其结构如图2所示，其由7层8行8列共448个小陶瓷块组成，图2中的数字表明某块小陶瓷块的相对介电常数，小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽、高三维突变;相对介电常数最小的小陶瓷块坐落基板最高层左上角，其相对介电常数为18;相对介电常数最大的小陶瓷块坐落基板最低层右下角，其相对介电常数为58;小陶瓷块的相对介电常数依照从左到右、从上到下、从高究竟的次序逐步添加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为2。天线基板的形状为矩形，基板全体尺度是160mm×160mm，厚度为70mm。
太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线结构如图3所示，天线包含贴覆在基板反面的天线接地板和贴覆在基板正面的矩形环嵌套阵列辐射贴片。天线接地板为全金属接地结构，矩形环嵌套阵列辐射贴片运用矩形阵列结构作为根本阵列排布结构，8行8列共64个矩形环嵌套小天线依照矩形阵列结构摆放组成天线阵列。单个矩形环嵌套小天线的作业带宽尽管较大，可是辐射强度较弱，多个矩形环嵌套小天线依照矩形阵列结构摆放组成天线阵列，能够让它们的辐射相叠加，进一步增强天线的辐射强度。
每个矩形环嵌套小天线的巨细为20mm×20mm，它由四个矩形环嵌套构成，每个矩形环的线宽为1mm，四个矩形环的巨细分别为16mm×16mm、12mm×12mm、8mm×8mm、4mm×4mm。每个矩形环嵌套小天线的最大矩形环的底边中心方位设有馈电点。
4 太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线样品的制造与测验
依据上文所描绘的规划方案，咱们成功运用磁控溅射工艺制造出了太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线样品。咱们对天线样品的作业功能进行了测验，成果如图4和图5所示。
由图4可知，该款天线的作业中心频率为1.032 THz，回波损耗最小值为-42.34dB，天线作业频带规模为0.873～1.476THz，肯定作业带宽为0.603THz，相对作业带宽为51.34%。由图5可知，天线方向图的电面分为两个部分，有用作业视点规模超越300°;天线方向图的磁面可在360°规模内全向作业，天线全体具有全向作业才能。实测成果显现，现有太赫兹设备所提出的各项功能要求该款天线均能够满意。
5 定论
本文针对不断开展的太赫兹运用技能对太赫兹波段天线提出的功能要求，运用太赫兹波段三维突变介电常数陶瓷基板作为天线介质基板，将矩形环嵌套阵元天线和矩形阵列结构相结合，规划了一款太赫兹波段三维突变介电常数阵列天线。运用矩形环嵌套天线作为阵元天线，经过外圈矩形环的馈电辐射和内圈矩形环的感应辐射相叠加，能够确保天线有较大的作业带宽。将矩形环嵌套天线依照矩形阵列结构摆放，能够使多个矩形环嵌套天线的辐射相叠加，增强天线对太赫兹电磁波的收发才能。运用三维突变介电常数陶瓷介质基板，能够进一步增强天线的辐射强度和作业带宽，进步阵列天线的功能冗余。
咱们制造了天线样品，并对其辐射特性和方向图特性进行了测验。该款天线尺度仅为160mm×160mm，在尺度紧缩方面具有共同的优势，能够放进各种毫米量级的太赫兹设备里;该款天线作业带宽高达0.603 THz，相对作业带宽高达51.34%，是现在已知的作业带宽最大的太赫兹波段天线，具有超强的频段兼容性;该款天线回波损耗最小值低达-42.34dB，且在0.947～1.292THz频带内，天线的回波损耗都低于-20dB，天线功能冗余较为富余，在太赫兹波技能范畴具有很大的运用潜力。
参考文献：
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本文来源于《电子产品世界》2017年第12期第37页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
