基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线及系统

技术领域

本发明涉及太赫兹波导技术领域，具体涉及基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线及系统。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率范围在0.1～10THz的电磁波。THz的长波段与微波相重合，短波段与红外波相重合，与其它波段的电磁波相比，太赫兹因其位置的特殊性，在生物医学、安全检查和通信等领域都有着广阔的应用前景。

波导缝隙天线是一种能够辐射电磁波的器件，广泛应用于雷达、导航、通信等领域。相较于其它种类的天线，它的优点是口径分布易于控制，易于实现低旁瓣电平，效率高。现有的技术缺点在于：基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线性能好，但其金属壁较厚，难以做到低剖面，小型化，并且十分笨重，难以与平面电路集成。针对以上缺点，本发明的目的是设计一种低剖面、易与平面电路集成的太赫兹波导缝隙天线。

太赫兹天线是太赫兹无线通信系统最前端的关键组成部件，负责通信系统的信号收发。太赫兹天线是太赫兹无线通信系统辐射和检测太赫兹波不可或缺的一环，太赫兹天线相应的参数指标大大决定了整个系统的通信质量，例如带宽、容量、功率、时延等。此外，太赫兹天线的性能与数据传输速率、系统成像分辨率和检测系统的工作范围密切相关。

太赫兹波易被水汽吸收等性质限制了其使用场景。因此，太赫兹天线主要适用于大气层外的卫星通信和点对点、大容量和短距离的高速通信场景。同时为了获得足够的发射功率，以及满足太赫兹无线通信系统小型化、集成化的要求，发展易与平面电路集成的低剖面的太赫兹天线阵列具有一定的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线性能好，但其金属壁较厚，难以做到低剖面，小型化，并且十分笨重，难以与平面电路集成；本发明目的在于提供基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线及系统，在传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线基础上，进行结构上的改进，通过设置光子晶体结构层替换传统的金属波导以实现低剖面，并配置与光子晶体结构层匹配的辐射缝隙阵列和馈入缝隙，不仅实现太赫兹波的高效辐射，相对于传统的太赫兹波导缝隙天线，增益带宽更宽，剖面低，体积小；本方案从底部馈电，通过波导转换结构实现了波导垂直转接功能，既大大减少了馈电损耗，也便于安装测试。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线，包括：

波导缝隙线阵层，用于将太赫兹波辐射到外部空间；所述波导缝隙线阵层包括第一金属板，所述第一金属板上开设多个辐射缝隙构成辐射缝隙阵列；

光子晶体结构层，用于转换太赫兹波和传输太赫兹波；所述光子晶体结构层由多个硅圆柱体排列成阵列构成；所述光子晶体结构层铺设在波导缝隙线阵层表面；

标准波导层，用于馈入太赫兹波；所述标准波导层包括第二金属板，所述第二金属板上设置有馈入缝隙；所述光子晶体结构层铺设在标准波导层表面。

本方案工作原理：传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线性能好，但其金属壁较厚，难以做到低剖面，小型化，并且十分笨重，难以与平面电路集成，本发明目的在于提供基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线及系统，在传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线基础上，进行结构上的改进，通过设置光子晶体结构层替换传统的金属波导以实现低剖面，并配置与光子晶体结构层匹配的辐射缝隙阵列和馈入缝隙，不仅实现太赫兹波的高效辐射，相对于传统的太赫兹波导缝隙天线，增益带宽更宽，剖面低，体积小；本方案从底部馈电，通过波导转换结构实现了波导垂直转接功能，既大大减少了馈电损耗，也便于安装测试。

基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线的底层和顶层为金属层，中间层为由硅圆柱体组成的光子晶体结构层，利用MEMS工艺加工可得到数百微米高的硅柱和厚度很小的金属层；其总体剖面高度为数百微米。而传统的金属矩形波导缝隙天线想工作在同一频带的话，则需要按照WR-2标准矩形波导来设计。为了加工空心的长方体结构，四周的金属壁厚度难以做到很小，此时的金属壁厚度达到七百至八百微米，剖面高度将近二毫米。

此外，为了保证与外部馈电装置的连接固定，减少馈电损耗，天线的馈电端口处需要加载矩形波导法兰盘。对于基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线而言，其只需在底部加工数个定位孔就可以安装固定，与外部馈电装置建立连接，并进行馈电和测试，没有增加剖面高度。而对于传统的金属矩形波导缝隙天线，馈电端口处需要增加矩形波导法兰盘来保证馈电质量，使得其剖面高度进一步增大。

由于加工工艺和结构的不同，以及为了获得良好的实际馈电效果，基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线的剖面高度远小于传统的金属矩形波导缝隙天线。

进一步优化方案为，所述第一金属板和第二金属板均为矩形铜板，第二金属板的厚度d为300～600μm。

进一步优化方案为，多个硅圆柱体等间距排列成与第一金属板和第二金属板尺寸匹配的矩形阵列；

在所述矩形阵列的中心空出联通的第一矩形空间和第二矩形空间；

第一矩形空间的长边小于第二矩形空间长边；

第二矩形空间的短边联通在第一矩形空间长边中间位置。

进一步优化方案为，光子晶体阵列中相邻两硅圆柱体间的间距a为250μm～350μm；

第一矩形空间的长边l

第二矩形空间的长边l

进一步优化方案为，所述光子晶体为圆柱体结构，底面半径r为0.16a～0.20a，高h为160μm～280μm；所述光子晶体为硅材料。

进一步优化方案为，所述辐射缝隙阵列所在的位置与第二矩形空间所在位置对应；所述馈入缝隙所在的位置与第一矩形空间所在位置对应，所述馈入缝隙在标准波导层的竖直投影位于第一矩形空间的中心。

进一步优化方案为，所述辐射缝隙阵列包括排列方式相同的第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列；第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列均包括等距排列的3个辐射缝隙；

第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列分别排列在波导缝隙线阵层短边中线的两侧，且第一辐射缝隙列与第二辐射缝隙列错位排列，辐射缝隙阵列中相邻的辐射缝隙e1与辐射缝隙e2间的中心间距为λ

进一步优化方案为，所述辐射缝隙长dx为400～430μm，宽dy为20～50μm；

第一辐射缝隙列/第二辐射缝隙列中的辐射缝隙与波导缝隙线阵层短边中线之间的距离offset为40～70μm；

辐射缝隙阵列中距离波导缝隙线阵层短边最近的辐射缝隙g，辐射缝隙g的中心到波导缝隙线阵层短边的距离tx为1930～1980μm。

进一步优化方案为，所述馈入缝隙的长l为508μm～712μm，宽W为254μm～356μm。

本方案还提供一种太赫兹波导缝隙天线系统，包括上述的基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线及系统；在传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线基础上，进行结构上的改进，通过设置光子晶体结构层替换传统的金属波导以实现低剖面，并配置与光子晶体结构层匹配的辐射缝隙阵列和馈入缝隙，不仅实现太赫兹波的高效辐射，相对于传统的太赫兹波导缝隙天线，增益带宽更宽，剖面低，体积小；本方案从底部馈电，通过波导转换结构实现了波导垂直转接功能，既大大减少了馈电损耗，也便于安装测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线结构示意图；

图2为波导缝隙线阵层结构示意图；

图3为光子晶体结构层结构示意图；

图4为标准波导层结构示意图；

图5为太赫兹波导缝隙天线的回波损耗的频谱变化曲线示意图；

图6为太赫兹波导缝隙天线的实际增益的频谱变化曲线示意图；

图7为太赫兹波导缝隙天线的方向示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-波导缝隙线阵层，11-辐射缝隙，2-光子晶体结构层，21-硅圆柱体，22-第一矩形空间，23-第二矩形空间，3-标准波导层,31-馈入缝隙。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明中太赫兹波表示频率范围在0.1～10THz的电磁波。

天线增益G表示天线在最大辐射方向上远区某点的功率密度与输入功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比。方向性系数D定义为在最大辐射方向上远区某点的功率密度与辐射功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比。由于天线本身结构会导致损耗，输入功率与辐射功率并不相等。因此，天线增益可定义为方向性系数与天线辐射效率e

式中，P

驻波比S表示传输线上相邻的波腹电压振幅与波节电压振幅之比，反映的是馈源与天线之间的匹配情况。一般情况下，也可以用回波损耗作为指标；工程上往往要求驻波比小于等于2，对应回波损耗L

L

旁瓣电平SLL：旁瓣的最大值E

半功率波瓣宽度HP：主瓣最大方向两侧半功率点θ

传统基于金属波导的太赫兹波导缝隙天线性能好，但其金属壁较厚，难以做到低剖面，小型化，并且十分笨重，难以与平面电路集成；鉴于此，本发明提供以下实施例解决上述技术问题：

实施例1

本实施例提供基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线，如图1-图4所示，包括：

波导缝隙线阵层1，用于将太赫兹波辐射到外部空间；所述波导缝隙线阵层包括第一金属板，所述第一金属板上开设多个辐射缝隙11构成辐射缝隙阵列；

光子晶体结构层2，用于转换太赫兹波和传输太赫兹波；所述光子晶体结构层由多个硅圆柱体21排列成阵列构成；所述光子晶体结构层铺设在波导缝隙线阵层表面；

标准波导层3，用于馈入太赫兹波；所述标准波导层包括第二金属板，所述第二金属板上设置有馈入缝隙31；所述光子晶体结构层铺设在标准波导层表面。

太赫兹波从波导口馈入，实现了天线的外部馈电；中间层为光子晶体结构，引入了缺陷以实现波导转换和波导传输。顶层为辐射层，辐射缝隙按照等幅分布组成波导缝隙线阵，在波导中的太赫兹波通过缝隙线阵辐射到外部空间。

所述第一金属板和第二金属板均为矩形铜板，第二金属板的厚度d为300～600μm。

多个硅圆柱体21等间距排列成与第一金属板和第二金属板尺寸匹配的矩形阵列；

在所述矩形阵列的中心空出联通的第一矩形空间22和第二矩形空间23；

第一矩形空间的长边小于第二矩形空间长边；

第二矩形空间的短边联通在第一矩形空间长边中间位置。

光子晶体阵列中相邻两硅圆柱体间的间距a为250～350μm；

第一矩形空间的长边l

第二矩形空间的长边l

本实施例中第一矩形空间的长边l

所述光子晶体为圆柱体结构，底面半径r为0.16a～0.20a，高h为160μm～280μm，本实施例中高h为200μm；所述光子晶体为硅材料。

光子晶体结构层的晶格常数a为250～350μm和硅柱半径r为0.16a～0.20a，由此算出光子晶体带隙，确定光子晶体波导的工作频段。

所述辐射缝隙阵列所在的位置与第二矩形空间所在位置对应；所述馈入缝隙31所在的位置与第一矩形空间22所在位置对应，所述馈入缝隙31在标准波导层的竖直投影位于第一矩形空间22的中心。

所述辐射缝隙阵列包括排列方式相同的第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列；第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列均包括等距排列的3个辐射缝隙；

第一辐射缝隙列和第二辐射缝隙列分别排列在波导缝隙线阵层短边中线的两侧，且第一辐射缝隙列与第二辐射缝隙列错位排列，辐射缝隙阵列中相邻的辐射缝隙e1与辐射缝隙e2间的中心间距为λ

所述辐射缝隙长dx为400～430μm，宽dy为20～50μm；

第一辐射缝隙列/第二辐射缝隙列中的辐射缝隙与波导缝隙线阵层短边中线之间的距离offset为40～70μm；

辐射缝隙阵列中距离波导缝隙线阵层短边最近的辐射缝隙g，辐射缝隙g的中心到波导缝隙线阵层短边的距离tx为1930～1980μm。

所述馈入缝隙l为508μm～712μm，宽W为254μm～356μm；本实施例中馈入缝隙的长l为508μm，宽W为254μm。

本实施例提供的基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线，易于集成；相对于传统的太赫兹波导缝隙天线，增益带宽更宽，剖面低，体积小；该天线从底部馈电，通过波导转换结构实现了波导垂直转接功能，既大大减少了馈电损耗，也便于安装测试；在加工方面，本器件可用MEMS工艺加工，现有工艺十分成熟；该天线可在室温下正常工作，无需添加其他外界条件。

实施例2

本实施例提供基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线，其结构为典型的“三明治”结构，从上至下依次为波导缝隙线阵层、光子晶体结构层和标准波导层。

波导缝隙线阵层材料为铜，厚度d

光子晶体结构层，材料为硅，介电常数为11.9，折射率约为3.42，高度h为200μm。

标准波导层材料为铜，采用WR-2标准矩形波导(508μm×254μm)，厚度d为450μm，电导率为5.96×10

波导缝隙线阵层如图2所示，由辐射缝隙按照等幅分布组成，具体尺寸分别为：offset＝59.68μm，dx＝410μm，dy＝30μm，tx＝1955μm，λ

光子晶体结构层如图3所示，具体尺寸分别为：l

标准波导层如图4所示，采用WR-2标准矩形波导，具体尺寸分别为：l＝508μm，w＝254μm，c＝9200μm，k＝5300μm，d＝450μm。

本实施例用商业仿真软件CST MICROWAVE STUDIO 2023对天线结构进行模拟仿真。

如图5所示，当TE模式的太赫兹波从标准波导层馈入时，通过观察仿真软件中的S

如图6所示，天线在阻抗带宽内的增益大于12.8dBi。在360GHz时，天线获得13.3dBi的最大增益。

如图7所示，天线在360GHz处的半波角为11.7°，副瓣电平为-14.2dB。在整个阻抗带宽内，天线的半功率波瓣宽度小于12.2°，旁瓣电平小于-13.9dB。

该基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线，能够实现太赫兹波的高效辐射。

基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线的制作，采用MEMS工艺加工。

实施例3

本实施例提供一种太赫兹波导缝隙天线系统，包括实施例1的基于光子晶体的太赫兹波导缝隙天线。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。