摘 要： 设计了一种新型光子晶体基底太赫兹天线，该天线采用光子晶体基板结构可以有效抑制表面波效应，增强向自由空间辐射的方向性，从而提高天线增益。使用Ansoft HFSS 13.0构建太赫兹光子晶体天线的物理模型并进行仿真，该天线工作频率为212 GHz，最大增益约为6.5 dB，并且具有小型化的特点。
关键词： 太赫兹；光子晶体；表面波
0 引言
太赫兹波是对一个特定波段电磁波的统称。它在电磁波谱中所处的位置决定了它具有很多特殊的性质。与微波相比，太赫兹波的传输容量更大，同时太赫兹波的波束更窄，方向性更好，可以对目标实现更准确的定位和探测更小目标。与光波相比，太赫兹波可以更好地穿透沙尘烟雾，具有更好的抗干扰能力和保密特性。所以在应用方面对微波以及红外光波等起着较强的互补作用。由于其比微波高1～4个数量级的带宽特性和比红外光波高的能量转换效率，在现代通信领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景[1-2]。由于大气中的水蒸气等极性分子对太赫兹波有着较强的吸收作用，所以太赫兹波主要应用于地面短距离太赫兹通信与外太空卫星之间的太赫兹通信。
太赫兹天线相比于微波波段的天线具有更小的结构，容易实现小型化设计[3]。但是太赫兹天线的加工精度要求高，装配要求精准，传输损耗较大，这些都是太赫兹天线应用于实际通信系统中需要面临的挑战。
1 理论分析
近年来，光子晶体结构与介质基底相结合是一个比较热点的应用方向。在介质层中周期性打孔或填充其他介质，按照某种形式的点阵周期排列即可形成具有光子晶体结构的介质基底，此种基底本质上是具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构[4]。光子晶体从被提出至今已有几十年，各国研究机构均高度重视对其研究，起初研究重点集中在光子带隙频率的计算方面，近几年主要研究任务逐渐转向光子晶体在现代生产技术的应用方面。因此，对光子晶体介质基底的研究及应用对光子晶体技术的应用与推广具有重大的意义与价值。
光子晶体介质基底具有频率带隙，频率落在带隙范围之内的电磁波将不能够在基底上传播。频率带隙的出现是由Bragg散射引起的，基底上具有周期性规律的光子晶体单元引起散射电磁波的相位具有周期变化规律。在某频段上，各结构单元所形成的散射电磁波进行相互
之间的反向叠加，从而导致散射电磁波的相互抵消，最终使得该频段的散射电磁波不能在介质基底上任意传播。同时光子晶体单元之间的距离L满足Bragg条件：L=λ/2（λ为光子晶体介质基底频率带隙所对应的导波波长）。通过把Maxwell方程组处理为时谐电磁场分量的本征值问题，再对本征值问题进行求解，就可以对频率带隙现象进行直观了解。在光子晶体介质基底中，光子晶体单元周期性势场的作用使得某些能量值之间的能级呈现连续的密度分布，而在其他能级则表现为无能量分布，光子晶体结构的周期性体现在构成光子晶体介质材料的介电常数
的周期性上，具体如下式所示：
随着光子晶体研究在理论和应用方面的不断进步以及太赫兹技术的发展，将光子晶体技术用于太赫兹天线设计已经越来越现实。本文设计了一种新型光子晶体基底太赫兹天线，实现了太赫兹天线与光子晶体结构的结合，从而有效抑制了太赫兹天线基底上的表面波效应[5-8]。
在微带天线中，能量辐射近似由三部分组成，一部分是由贴片直接辐射到自由空间，另一部分是先由贴片辐射到基底中，再由介质基底辐射到自由空间，还有一部分辐射是由基底中的表面波产生，实际上大部分能量首先是进入介质基底中。在基底加入光子晶体结构以后，所形成的阻带频率范围内的电磁波将受到束缚而不能任意传播，从而有效减弱基底对电磁波的吸收作用[9-10]，增加电磁波向自由空间的反射能量，从而提高天线的增益与方向性。
2 天线设计
对光子晶体介质基底太赫兹天线进行研究之前，首先对工作于212 GHz的普通基底太赫兹天线进行仿真，构建的天线模型如图1所示，其基底材料选用Neltec NY9220，尺寸为1 000 μm×1 000 μm×100 μm。由仿真结果可知天线谐振频点212 GHz处回波损耗为-20 dB，工作频率区间为207 GHz~217 GHz，轴向最大增益为5.6 dB，该普通基底天线的S参数、方向图分别如图2、图3所示。
接下来设计一种新型光子晶体基底太赫兹天线，并对其进行仿真实验。该天线所用矩形介质基底的尺寸为1 000 μm×1 000 μm×100 μm，基底材料为相对介电常数为2.2的Neltec NY9220，辐射贴片周边的介质基底中周期性排布着空气柱，空气柱的直径为50 μm，高度为70 μm，间距为90 μm。半圆形结构与矩形结构共同组成辐射贴片，其中半圆形结构的半径为225 μm，矩形结构的尺寸为450 μm×225 μm。该天线使用微带线进行馈电，馈电点位于辐射贴片的中心位置，微带线的宽为50 μm，介质基底的底部参考地尺寸约为1 000 μm×815 μm，所设计天线模型如图4、图5所示。
从天线模型示意图中可以看出，该天线具有小型化的特点。计算采用基于有限元法的Ansoft HFSS三维电磁场仿真软件，在仿真中，用无厚度的理想导体边界Perfect E代替有厚度的金属表面，这样可减少仿真占用的计算机资源，且误差很小，不影响结果分析。仿真过程中的激励端口使用波端口，收敛误差标准使用0.02，最大迭代次数设定为20，扫频范围设定为180 GHz~240 GHz。
3 结果分析
本文所设计的太赫兹光子晶体天线的谐振频点为212 GHz，工作频率处最大增益约为6.5 dB。该天线的S参数、驻波比、方向图、S参数随空气柱直径的变化关系以及S参数随空气柱高度的变化关系分别如图6~图10所示。
从图6中可以看到，该天线在谐振频点212 GHz处对应的回波损耗约为-42 dB，频率区间207 GHz~218 GHz内的回波损耗小于-10 dB，在180 GHz~240 GHz的S参数曲线表明该天线具有单频工作的特性。
从图7中可以看到，该天线在频率区间207 GHz~218 GHz内的驻波比均小于1.9，其中谐振频点212 GHz处的驻波比为1.02，相对带宽为5%。
从图8中可以看到，在太赫兹光子晶体天线的正上方，天线增益达到最大值，并且在工作频率212 GHz时对应增益约为6.5 dB，该天线的后瓣与旁瓣得到了有效抑制，并且具有很好的方向性。
从图9中可以看到，天线基底中周期性排布的空气柱的直径尺寸大小直接影响谐振频点的位置，空气柱直径为50 μm对应的谐振频点为212 GHz，空气柱直径减小到40 μm对应的谐振频点约为211 GHz，而空气柱直径增大到60 μm对应的谐振频点约为213 GHz。
从图10中可以看到，天线基底中周期性排布的空气柱的高度仅对谐振频点处回波损耗大小产生明显影响，而对谐振频点位置的影响却非常小，因此空气柱高度对谐振频点位置的影响可忽略不计。空气柱高度为70 μm对应谐振频点处回波损耗为-42 dB，空气柱高度减小到65 μm对应谐振频点处回波损耗约为-39 dB，而空气柱高度增大到75 μm对应谐振频点处的回波损耗同样约为-39 dB。
4 结论
本文设计了一种新型光子晶体基底太赫兹天线，该天线的工作频率为212 GHz，工作频率处最大增益约为6.5 dB。辐射贴片周边的介质基底中周期性排布空气柱以形成光子晶体结构的介质基底，介质基底材料选用相对介电常数2.2的Neltec NY9220。该天线应用光子晶体结构的介质基底一定程度上抑制了表面波效应，减小了天线的旁瓣与后瓣，使得天线具有很好的方向性。
参考文献
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[2] 许景周，张希成.太赫兹科学技术与应用[M].北京：北京大学出版社，2007.
[3] KRAUS J D， MARHEFKA R J.天线（第三版）[M].章文勋，译.北京：电子工业出版社，2004.
[4] 付云起，袁乃昌，温熙森.微波光子晶体天线技术[M].北京：国防工业出版社，2006.
[5] SINGH G. Design consideration for rectangular microstrip patch antenna on electromagnetic crystal substrate at terahertz frequency[J]. frequency. InfraredPhys. Technol， 2012，53（1）：17-22.
[6] JHA K R， RAO S V R K， SINGH G. Constructive interference in Yagi-Uda type printed terahertz antenna on photonic crystal substrate[C]. Sarnoff Symposium， IEEE， 2010：