基于雙面多開口諧振環的THz微帶天線優化設計

楊 靖，浦 實，敖建鵬，陶 燦，許泊炎

（武漢理工大學 理學院，武漢430070）

太赫茲波（0.1～10 THz），與微波相比，具有寬帶寬和高傳輸速率的潛在優勢，并且可以穿透低衰減的煙霧環境。這對于光波來說很難，正因如此，太赫茲通信逐漸成為未來通信的主流[1-2]。然而，如果沒有一系列相關設備，太赫茲通信技術就不可能得到長足的發展。

1 太赫茲開口諧振環結構的研究現狀

文獻[3]提出基于光子晶體環形腔的四波長THz濾波器，該濾波器在光子晶體結構中引入2個環形腔，且環形腔內部各增加一個正方形介質柱，四周各引入一個散射介質柱。該濾波器性能優良，透過率高，品質因素值高，信道隔離度大，對于THz技術應用具有重要意義。文獻[4]提出基于薄膜和雙屏頻率選擇表面FSS（frequency selective surface）的0.34 THz帶通濾波器，并利用等效電路模型分析了該濾波器的頻率特性，結果較好。文獻[5]提出基于方形開環諧振器SRR（split-ring resonator）的太赫茲微帶天線，其方向性和增益可分別達到22.58 dBi和22.33 dB，整個工作頻帶的反射系數低于-10 dB。文獻[6]展示了可調諧的太赫茲帶阻濾波器，其具有超材料結構，由雙層SRR和沿著間隙的一個柔性懸臂組成，通過改變懸臂的曲率半徑該濾波器具有約0.32 THz的調諧范圍。文獻[7]設計了一種準全向平板超材料吸波體，該吸波體在 4.36～4.91 THz之間具有寬帶強吸收；由于具有偏振不敏感和寬入射角的特性，該吸波體在科學技術領域具有廣泛的應用前景。針對太赫茲探測器的低阻抗，文獻[8]設計了具有1/4波匹配器的蝴蝶結天線和阻抗均為7 Ω的雙U天線，討論了影響響應機制的因素如螺旋的數量及其位置。

綜上所述，由亞波長微結構組成的超材料結構被廣泛應用于太赫茲器件的制造[9]。由于SRR的結構參數對諧振頻率的影響巨大，基于SRR的設備很容易通過改變結構參數而獲得調整和優化[10]。故在此著重討論基于SRR的天線諧振頻率的3個影響因素——諧振環寬度、環間間隙寬度、開口諧振環環數；據此給出基于雙面多開口諧振環DSMSRR的太赫茲微帶天線的優化設計。

2 微帶天線的基本結構

受文獻[11-12]初步結構的啟發，提出的天線如圖1所示。該天線由在電介質基板的不同側面上對稱印刷的2個多開口環諧振環組成。因天線諧振頻率對應的波長比其自身的尺寸要大得多[11]，故有必要優化結構以獲得良好的性能。

圖1 天線的俯視圖Fig.1 Top view of the antenna

3 太赫茲微帶天線的優化

目標天線天線的比例縮小到適合300 GHz的太赫茲傳輸窗口。將文獻[13-14]所提及的MSRR準靜態分析方法用于指導初步結構的優化。根據該理論，諧振頻率f為

式中：CMSRRs為總電容；為分流電阻；LMSRRs為總電感。這些值會隨著結構參數值的變化而變化，關系式為

式中：N為諧振環的數量；C0為每單位長度的電容；ρ為填充比；t為諧振環的厚度。在工作中可以通過改變參數w，s，N等來優化天線。

3.1 諧振環寬度對天線性能的影響

如前所述，諧振器寬度w對CMSRRs和有直接影響，它和諧振器之間的空間比率也將影響和LMSRRs[15]。因此諧振器寬度的變化將使天線的諧振頻率產生很大的差異。

通過MatLab計算，可得當w變小即環變窄時諧振頻率降低的結論，然后使用3D電磁仿真軟件CST 來模擬每個模型。設置 w 為 10，11，12 μm，其他參數見表1。

表1 仿真天線的結構參數Tab.1 Structural parameters of simulated antenna

圖2 不同環寬下的Fig.2 at different ring widths

3.2 環間隙寬度對天線性能的影響

理論表明，當環間隙寬度s減小即諧振環之間的空間減小時，諧振頻率將降低。根據經驗，s分別選擇為 4.67，5.67，6.67 μm，同時為突出 s的影響，w設定為 10 μm（而不是 12 μm），其它參數值見表1。在不同s下與頻率的關系如圖3所示。由圖可見仿真結果與分析結果很吻合。

圖3 不同環間隙寬度下的Fig.3 at different inter-ring gap width

3.3 開口諧振環環數對天線性能的影響

對于基于MSRR的微帶天線，改變環數N將改變天線的匹配，而且匹配的差異也會影響諧振頻率和天線的增益[17]。因此，在討論N的影響之前，有必要分析天線的匹配。

根據電路理論，當天線的阻抗與負載阻抗相互共軛時，天線將實現最大功率利用。為此，一般來說，微帶線饋線的阻抗應為50 Ω。當確定微帶饋線的寬度和金屬厚度（w＝10 μm，s＝4.67 μm）時，可以通過調整微帶饋線的長度和MSRR與微帶饋線的相對位置來進行阻抗匹配。完成匹配后，通過仿真得到不同N時與頻率的關系圖，如圖4所示。 此外，當 N＝2，3，4 時，增益分別為 2.916，2.920，2.923 dB。

圖4 不同環數時的參數Fig.4 at different number of rings

在此，選擇300 GHz（適合大氣傳輸的值）作為諧振頻率，將通過仿真得到的初步結果按照以下步驟進行優化。

步驟1考慮到共振頻率和天線的增益，取環數 N＝3；

步驟2選擇 w＝12 μm，同理設定 s＝6.67 μm；

步驟3根據CST中的自動優化功能，可以稍微調整這些參數以獲得更好的結果；

步驟4得到優化天線結構 （如圖1所示），結構參數見表2。基板材料為Arlon，其尺寸設定為653 μm×430 μm×8.17 μm。

表2 優化天線的結構參數Tab.2 Optimizing antenna structural parameters

4 仿真結果

根據以上參數進行建模和仿真，優化天線的均勻電流分布如圖5所示；參數與頻率的關系如圖6所示；輻射場如圖7所示。可以得出結論，該優化天線實現了較好的全向性，而且諧振頻率為300 GHz，在太赫茲的范圍內。

圖5 優化天線的電流分布Fig.5 Current distribution of optimized antenna

圖6 優化天線的參數Fig.6 of optimized DSMSRRs antenna

圖7 輻射圖Fig.7 Radiation patterns

5 實物驗證

制作的實物天線模型如圖8所示，用以驗證優化天線的可靠性。天線已按比例放大，以滿足2.4 GHz諧振頻率，便于測量。的仿真值和測量值如圖9所示。由圖可見測量結果與仿真結果能很好地匹配，由此證明優化天線的可靠性。

圖8 實物天線模型Fig.8 Fabricated antenna model

圖9 的仿真結果與測量結果Fig.9 Simulation results and measurement results of

6 結語

文中提出了基于DSMSRR的太赫茲微帶天線的優化結構設計。通過準靜態分析模型分析和一系列仿真，修改部分幾何結構參數，有效地改變諧振頻率，使目標天線滿足太赫茲通信的要求；將優化天線按比例放大，制作實物天線并進行測量。測量結果與仿真結果吻合良好，驗證了優化天線的可靠性。該優化天線具有良好的方位性，將應用于未來的Wi-Fi領域。