一种基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线

1.本发明涉及移动通信技术领域，尤其是涉及一种基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线。


背景技术：

2.随着现代移动通信业务的快速发展，无线频谱资源越来越匮乏，无线信号间的干扰概率大幅增加，利用更高频段的太赫兹频带通信将有效缓解日益紧张的频谱资源和当前无线系统的容量限制。太赫兹辐射是频率介于微波和红外线之间的电磁波，其频谱范围为0.1-10thz。与微波通信相比，太赫兹通信传输容量更大、保密性更好、抗干扰能力更强。与光通信相比，太赫兹通信的光子能量低，对沙尘烟雾的穿透性好，可以在恶劣的环境下保证通信的可靠性。然而，要实现太赫兹频段在通信领域的有效应用，与之相关的太赫兹天线、滤波器等功能器件的开发必不可少。
3.微带天线由于其低剖面、小尺寸、加工简单和易于集成等特点，在无线通信系统中具有显著优势。然而，目前单一频段的微带天线无法满足通信系统多频段工作和高传输速率的要求，并且微带天线基板的表面波损耗限制天线增益的进一步提升。
4.光子晶体基板具有频率带隙特性，频率带隙范围内的电磁波将受到束缚而不能任意传播，从而有效减弱微带天线基板对电磁波的吸收，降低天线的表面波损耗，提高天线的增益。然而，在太赫兹天线基板中引入空气孔光子晶体并未显著提高天线增益和实现多频段工作，太赫兹微带天线存在频段单一和表面波损耗引起天线性能恶化的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线。太赫兹微带天线存在频段单一和表面波损耗引起天线性能恶化的问题，本发明提出一种聚酰亚胺矩形介质柱光子晶体的多频高增益太赫兹微带天线，该天线通过设置两种不同材料的介质基板，改变天线的电磁谐振，使天线具有多个谐振频率，实现天线的多频段工作。
6.申请人并且在第二介质基板层中嵌入5
×
5周期排列的具有较小介电常数的聚酰亚胺矩形介质柱光子晶体，抑制沿第二介质基板传播的表面波，增加天线的电磁波辐射功率，降低天线的回波损耗，提高天线的增益。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明的目的是提供一种基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线，该天线包括接地板、第二介质基板、第一介质基板、辐射贴片，其中具体地：
9.接地板粘附在第二介质基板下，所述第二介质基板中设置光子晶体结构；
10.第一介质基板通过半固化片粘接在所述第二介质基板上；
11.辐射贴片刻蚀在第一介质基板上，所述辐射贴片匹配连接有四分之一阻抗转换器和50ω微带传输线，所述四分之一阻抗转换器的两端分别与辐射贴片和50ω微带传输线连
接。
12.进一步地，所述第二介质基板为介电常数为11.9、损耗角正切值为0.00025的高阻硅基板。
13.进一步地，所述第二介质基板的长度为260um，宽度为300um，高度为35um。
14.进一步地，所述第一介质基板为介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027的聚酰亚胺基板。
15.进一步地，所述第一介质基板与所述第二介质基板的尺寸相同。
16.进一步地，所述光子晶体结构包括5
×
5周期排列的矩形介质柱。
17.进一步地，所述矩形介质柱为介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027的聚酰亚胺矩形介质柱，矩形介质柱高度与所述第二介质基板相同。
18.进一步地，所述辐射贴片包括矩形贴片、两个圆形贴片、第一缝隙和第二缝隙；
19.所述矩形贴片设于所述第一介质基板的中央位置，两个圆形贴片分别对称地设于所述矩形贴片的两个直角位置，所述第一缝隙和所述第二缝隙对称开设于所述矩形贴片中部位置。
20.进一步地，所述矩形贴片长度为120um，宽度为115um；
21.所述圆形贴片的半径为30um；
22.所述第一缝隙和所述第二缝隙尺寸相同，且两个缝隙基于所述矩形贴片的几何中心呈中心对称分布。
23.进一步地，该天线的工作频段包括：0.35thz-0.369thz、0.568thz-0.59thz、0.679thz-0.704thz。
24.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.1)本技术方案中的天线，在矩形辐射贴片上部两边加载两个圆形贴片，增加天线的辐射面积，提高天线的阻抗带宽，并设置两种不同材料的基板调控天线的电磁谐振频率，实现天线的多频段工作，且利用光子晶体介质基板的频率带隙特性，减弱微带天线基板对电磁波的吸收，降低天线表面波损耗，提高天线的增益。
26.2)本技术方案中天线在三个thz频段满足稳定工作要求，且三个频段均有较高增益，天线结构简单新颖，易于实现，整体上本天线具有低损耗、高辐射性能、尺寸小、易于集成的特点。
附图说明
27.图1为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线的结构示意图。
28.图2为本技术方案所提供的第二介质基板结构示意图。
29.图3为均质基板天线和本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线(光子晶体基板天线)的回波损耗s11参数图。
30.图4为均质基板天线和本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线(光子晶体基板天线)的增益参数图。
31.图5为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.36thz时的e面和h面辐射方向图。
32.图6为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.58thz时的e面和h面辐射方向图。
33.图7为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.692thz时的e面和h面辐射方向图。
34.图中标号所示：
35.1、接地板，2、第二介质基板，3、第一介质基板，4、辐射贴片，5、四分之一阻抗转换器，6、50ω微带传输线，7、第一缝隙，8、第二缝隙，9、圆形贴片，10、光子晶体结构，11、矩形贴片。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
37.如图1和图2所示，本发明中的一种基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线的结构包括：接地板1、第二介质基板2、第一介质基板3、辐射贴片4、四分之一阻抗转换器5、50ω微带传输线6、第一缝隙7、第二缝隙8、圆形贴片9、光子晶体结构10，矩形贴片11。
38.接地板1为矩形的金属接地板，长度为260um，宽度为300um；所述接地板1粘附在第二介质基板2下方，所述第二介质基板2的材料是介电常数为11.9、损耗角正切值为0.00025的高阻硅，长度为260um，宽度为300um，高度为35um；所述第二介质基板2中嵌入光子晶体结构10；所述光子晶体结构10包括5
×
5周期排列的矩形介质柱，矩形介质柱的材料是介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027的聚酰亚胺，其长度为12.5um，宽度为25um，高度为35um。
39.第一介质基板3用半固化片粘接在第二介质基板2的上方，所述第一介质基板3的材料是介电常数为3.5、损耗角正切值为0.0027的聚酰亚胺，长度为260um，宽度为300um，高度为15um；辐射贴片4刻蚀在所述第一介质基板3的上表面，所述辐射贴片4包括矩形贴片11、两个圆形贴片9、第一缝隙7和第二缝隙8，所述矩形贴片11设置在所述第一介质基板的上表面中央，所述两个圆形贴片9分别对称地设置在所述矩形贴片11的上部两边，所述第一缝隙7和第二缝隙8位于矩形贴片11两侧；所述辐射贴片4中的矩形贴片11长度为120um，宽度为115um；所述圆形贴片9半径为30um；所述第一缝隙7由半圆环形两侧各添加一个矩形组成，其半圆环形内半径为9um，外半径为12um，矩形长度为12um，宽度为3um；所述第一缝隙7和第二缝隙8尺寸、形状均相同，且与第二缝隙8同矩形贴片11中心对称。所述辐射贴片4下部中间设置所述四分之一阻抗转换器5和50ω微带传输线6，所述的四分之一阻抗转换器5长度为50um，宽度为10um，所述的50ω微带传输线6的长度为20um，宽度为34um。
40.本实施例中的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线，通过50ω微带线和四分之一阻抗变换器对天线进行馈电，使得馈电端口和辐射贴片阻抗匹配，两个圆形贴片增加了天线的辐射面积，提高了天线的阻抗带宽，设置两种不同材料的基板调控天线的电磁谐振频率，使天线具有三个工作频段，且在第二介质基板中嵌入聚酰亚胺矩形介质柱光子晶体，减少了表面波损耗，显著提高了天线的增益。本实施例通过对天线各个尺寸参数的优化，使其具有低损耗、高辐射性能、尺寸小、易于集成的特点。
41.本实施例中，利用cst电磁仿真软件对天线的辐射参数性能进行了验证。
42.图3为均质基板天线和本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线(光子晶体基板天线)的回波损耗s11参数图。回波损耗是信号反射功率与输入功率的比值，天线的回波损耗低于-10db即为天线适合工作的频段。如图3所示，从均质基板天线和基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线的回波损耗s11参数图可以看出光子晶体基板天线与均质基板天线相比谐振频率有所偏移，光子晶体基板天线具有三个谐振频率，一个在较低频率，即0.36thz附近，其回波损耗在-10db以下的工作频段为0.35thz～0.369thz，回波损耗最低可达到-31.4db；第二个谐振频率在0.58thz附近，其回波损耗在-10db以下的工作频段为0.568thz～0.59thz，回波损耗最低可达到-19.3db；还有一个在较高频率即0.692thz附近，其回波损耗在-10db以下的工作频段为0.679thz～0.704thz，回波损耗最低可达到-64.1db，相比均质基板天线对应谐振频率的-17.9db回波损耗有明显的改善，降低了46.2db。
43.图4为均质基板天线和本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线(光子晶体基板天线)的增益参数图。如图4所示，可以看到加载聚酰亚胺矩形介质柱光子晶体基板的天线增益的提升是明显的。均质基板天线在谐振频率0.352thz、0.566thz和0.678thz的增益分别为5.1dbi、3.1dbi和5.84dbi。光子晶体基板天线在谐振频率0.36thz、0.58thz和0.692thz的增益分别为6.28dbi、4.84dbi和7.66dbi，较均质基板天线分别增加了1.18dbi、1.74dbi和1.82dbi
44.图5为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.36thz时的e面和h面辐射方向图。如图5所示，从太赫兹微带天线在0.36thz时的e面和h面辐射方向图可知其在0.36thz时的增益为6.28dbi。e面指最大辐射方向与电场方向组成的方向图切面，h面指最大辐射方向与磁场方向组成的方向图切面。
45.图6为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.58thz时的e面和h面辐射方向图。如图6所示，从太赫兹微带天线在0.58thz时的e面和h面辐射方向图可知其在0.58thz时的增益为4.84dbi。
46.图7为本技术方案所提供的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线在谐振频率为0.692thz时的e面和h面辐射方向图。如图7所示，从太赫兹微带天线在0.692thz时的e面和h面辐射方向图可知其在0.692thz时的增益为7.66dbi。
47.本实施例中的基于光子晶体基板的多频高增益太赫兹微带天线，具有三个工作频段，其回波损耗在-10db以下的工作频段分别为0.35thz～0.369thz、0.568thz～0.59thz和0.679thz～0.704thz，谐振频率分别是0.36thz、0.58thz和0.692thz，回波损耗最低分别可达到-31.4db、-19.3db和-64.1db，其增益高、回波损耗小，能够很好满足天线在太赫兹频段的多频带工作要求。
48.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。