太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于：該天線包括薄膜基質(zhì)、設(shè)在薄膜基質(zhì)正面的天線輻射貼片和設(shè)在薄膜基質(zhì)背面的矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述天線輻射貼片由相互對稱的兩條偶極子臂構(gòu)成。本實用新型的目的在于提供一種具有優(yōu)良的物理機械性能，耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，有較好的耐高、低溫性能，工作中心頻率在1THz附近，回波損耗最小值小于?15dB，絕對工作帶寬大于0.1THz，相對工作帶寬大于10％的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線。
【專利說明】
太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及一種太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)電磁波的頻率高于微波，低于可見光和紅外光，ITHz= 112Hz。太赫茲電磁波的福射性質(zhì)介于射頻電磁波和光波之間，近年來由于微型半導(dǎo)體技術(shù)、超快光電子技術(shù)的發(fā)展，太赫茲電磁波的波源問題得到了很好的解決，太赫茲技術(shù)表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。太赫茲輻射在物理、化學(xué)、生物學(xué)等多個基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以及寬頻通信、醫(yī)療檢測、國防工業(yè)、天文探索等多個高端技術(shù)領(lǐng)域都具有重大的科學(xué)價值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]用于發(fā)射和接收太赫茲電磁波信號的天線系統(tǒng)是太赫茲波段設(shè)備必不可少的組成部分。太赫茲波段設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，在多種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下工作的幾率較高，要求太赫茲波段天線具有優(yōu)良的物理機械性能，耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，有較好的耐高、低溫性能，要求天線工作中心頻率在ITHz附近，回波損耗最小值小于_15dB，絕對工作帶寬大于0.1THz，相對工作帶寬大于10%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種具有優(yōu)良的物理機械性能，耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，有較好的耐高、低溫性能，工作中心頻率在ITHz附近，回波損耗最小值小于-15dB，絕對工作帶寬大于0.1THz，相對工作帶寬大于10%的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線。
[0005]本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):一種太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:該天線包括薄膜基質(zhì)、設(shè)在薄膜基質(zhì)正面的天線輻射貼片和設(shè)在薄膜基質(zhì)背面的矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述天線輻射貼片由相互對稱的兩條偶極子臂構(gòu)成。
[0006]優(yōu)選地，所述偶極子臂包括金屬輻射臂和頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)。
[0007]優(yōu)選地，所述頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)包括5行3列共15個小正方形區(qū)域，每個小正方形區(qū)域的中心設(shè)有正方形開孔，每個小正方形區(qū)域的外圍是金屬輻射區(qū)。
[0008]優(yōu)選地，所述金屬輻射臂的尺寸為16μπιΧ8μπι;所述頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)中，每個小正方形區(qū)域的大小都為8μηι X 8μηι，正方形開孔的尺寸為4μηι X 4m。
[0009]優(yōu)選地，所述矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)包括3行3列共9個矩形金屬貼片;相鄰矩形金屬貼片之間以及最外側(cè)矩形金屬貼片和薄膜基質(zhì)的對應(yīng)邊沿之間，其行間距等距，列間距等距。
[0010]優(yōu)選地，所述矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)中，每個矩形金屬貼片的尺寸為16μπιΧ8μπι;第一行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)上邊沿的距離為4wii，第一行矩形金屬貼片與第二行矩形金屬貼片之間、第二行矩形金屬貼片與第三行矩形金屬貼片之間的距離都為4μι，第三行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)下邊沿的距離為4μπι;第一列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)左邊沿的距離為8μπι，第一列矩形金屬貼片與第二列矩形金屬貼片之間、第二列矩形金屬貼片與第三列矩形金屬貼片之間的距離都為8μπι，第三列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)右邊沿的距離為8μπι。
[0011]優(yōu)選地，所述太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線在相互對稱的兩條偶極子臂之間的對稱中心線上還開設(shè)有斷開間隙，在斷開間隙的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點。
[0012]優(yōu)選地，所述薄膜基質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)，其相對介電常數(shù)為4±5%。
[00?3] 優(yōu)選地，所述薄膜基質(zhì)的形狀為矩形，尺寸是80μηι± 4μηι X 40μηι± 2μηι，厚度為4μηι
土 Iym0
[0014]優(yōu)選地，所述天線輻射貼片和矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為銅、銀、或金。
[0015]較之現(xiàn)有技術(shù)而言，本實用新型的優(yōu)點在于:設(shè)計中使用頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)，可以大大增加天線的工作帶寬;使用矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，可以有效提高天線的輻射強度;使用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)，可以保證天線具有優(yōu)良的物理機械性能，耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，有較好的耐高、低溫性能。該天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可在各種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下正常工作，輻射性能好、工作帶寬大、易于集成，能夠滿足現(xiàn)有太赫茲波段設(shè)備對于天線的性能要求。
【附圖說明】
[0016]圖1是天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是天線背面的矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是圖1、圖2所示結(jié)構(gòu)的回波損耗(Sn)性能圖，圖中的橫坐標(biāo)表示頻率Frequency(GHz)，縱坐標(biāo)表不回波損耗數(shù)值The return loss value of the antenna(dB)。
[0019]標(biāo)號說明:I金屬福射臂、2頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)、3矩形金屬貼片、4天線饋電點、5
聚對苯二甲酸乙二酯薄膜基質(zhì)
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本【實用新型內(nèi)容】進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0021]—種太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，它包括薄膜基質(zhì)、設(shè)在薄膜基質(zhì)正面的天線輻射貼片和設(shè)在薄膜基質(zhì)背面的矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述天線輻射貼片由相互對稱的兩條偶極子臂構(gòu)成。
[0022]所述偶極子臂包括尺寸為16μηιΧ8μηι的金屬輻射臂I和尺寸為24μηιΧ40μηι的頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)2組成。
[0023]所述頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)2劃分為5行3列共15個小正方形區(qū)域，每個小正方形區(qū)域的大小都為8μ?? X 8μ??，每個小正方形區(qū)域的中心是一個尺寸為4μ?? X 4μπ?的正方形開孔，每個小正方形區(qū)域的外圍是金屬輻射區(qū)。
[0024]在偶極子臂的前端加上由金屬輻射區(qū)和正方形開孔組成的頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計，可以使光子晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光子帶隙頻率與天線的諧振頻率一致，這時光子帶隙將部分阻止天線在原諧振頻率的輻射能量，而使能量在臨近的頻率輻射，從而增加了天線輻射能量的頻率范圍，增大天線的工作帶寬。頂加載可以使天線頂部加上容性的頂負(fù)載，加大頂端對地分布電容，使頂端不再開路，頂端電流不再為零，增大了遠(yuǎn)場的輻射。天線頂端的對地分布電容可以等效成一段終端開路的傳輸線，使天線的有效工作長度增加。
[0025]所述矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)包括3行3列共9個矩形金屬貼片3，每個矩形金屬貼片3的尺寸為16μπιΧ8μπι;第一行矩形金屬貼片3與薄膜基質(zhì)上邊沿的距離為4μπι，第一行與第二行之間、第二行與第三行之間的距離都為4wii，第三行矩形金屬貼片3與薄膜基質(zhì)下邊沿的距離為4μπι;第一列矩形金屬貼片3與薄膜基質(zhì)左邊沿的距離為8μπι，第一列與第二列之間、第二列與第三列之間的距離都為8μι，第三列矩形金屬貼片3與薄膜基質(zhì)右邊沿的距離為8μπι。
[0026]使用矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)后，天線輻射貼片的部分輻射會被矩形金屬陣列吸收，激發(fā)出二次輻射，原輻射與二次輻射同相疊加，可以有效提高天線的輻射強度。
[0027]所述太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線在相互對稱的兩條偶極子臂之間的對稱中心線上還開設(shè)有斷開間隙，天線饋電點4最好位于斷開間隙的兩側(cè)。
[0028]所述薄膜基質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)5，其相對介電常數(shù)為4土5%，薄膜基質(zhì)的形狀優(yōu)先為矩形，尺寸最好是80μηι土4μηι X 40μηι± 2μηι，厚度最好為4μηι土 1μmD
[0029]使用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)5作為天線的基質(zhì)材料，保證了天線結(jié)構(gòu)可以耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，天線可在-70 0C到150 0C的溫度范圍內(nèi)正常工作，且高、低溫時對其機械性能影響很小。
[0030]所述天線輻射貼片和矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為銅、銀、或金。
[0031]下面給出本實用新型的一具體實施例:
[0032]參見圖1和圖2，本實施例上設(shè)有天線輻射貼片和矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，分別印刷于薄膜基質(zhì)的兩面。天線輻射貼片的結(jié)構(gòu)如圖1中所示，由相互對稱的兩條偶極子臂構(gòu)成，偶極子臂由尺寸為16μπιΧ8μπι的金屬輻射臂和尺寸為24μπιΧ40μπι的頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)組成。頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)劃分為5行3列15個小正方形區(qū)域，每個小正方形區(qū)域的大小都為8μ?? X 8μπι，每個小正方形區(qū)域的中心是一個尺寸為4μπι X 4μπι的正方形開孔，每個小正方形區(qū)域的外圍是金屬輻射區(qū)。矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)如圖2中所示，它由3行3列共9個矩形金屬貼片組成，每個矩形金屬貼片的尺寸為16μπιΧ8μπι;第一行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)上邊沿的距離為4μπι，第一行與第二行、第二行與第三行矩形金屬貼片之間的距離都為4μπι，第三行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)下邊沿的距離為4μπι;第一列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)左邊沿的距離為8μπι，第一列與第二列、第二列與第三列矩形金屬貼片之間的距離都為8μπι，第三列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)右邊沿的距離為8μπι。天線在相互對稱的兩條所述偶極子臂之間的對稱中心線上還開設(shè)有斷開間隙，天線饋電點最好位于斷開間隙的兩側(cè)。
[0033]薄膜基質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)，其相對介電常數(shù)為4±5%，薄膜基質(zhì)的形狀為矩形，尺寸是8(^!11±441]1\4(^1]1±241]1，厚度為441]1±141]1。
[0034]參見圖3，圖3給出了本實施例的回波損耗(Sn)性能圖。從圖3可以看出，實測結(jié)果顯示該款天線的工作中心頻率為0.98ΤΗζ，回波損耗最小值為-24.08dB，天線工作頻帶范圍為0.924?1.042THz，絕對工作帶寬為0.118THz，相對工作帶寬為12.04%。實測結(jié)果顯示，該款天線能夠滿足現(xiàn)有太赫茲波段設(shè)備對于天線的性能要求。
[0035]與用于太赫茲波段的常規(guī)天線比較，本實用新型具有以下突出的優(yōu)點和顯著的效果:天線使用物理、化學(xué)特性非常穩(wěn)定、機械性能和耐高、低溫性能都很好的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜基質(zhì)作為天線的基質(zhì)材料，保證了天線具有優(yōu)良的物理機械性能，耐油、耐稀酸、耐稀堿，耐大多數(shù)溶劑，有較好的耐高、低溫性能，可在-70 0C到150 0C的溫度范圍內(nèi)正常工作。天線尺寸很小，只有80μπι X 40μπι X 4μπι，可以放進(jìn)各種微型太赫茲設(shè)備里，天線回波損耗低，工作帶寬大，在多種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下可以正常工作，在太赫茲波段設(shè)備中有望得到廣泛應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1.一種太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:該天線包括薄膜基質(zhì)、設(shè)在薄膜基質(zhì)正面的天線輻射貼片和設(shè)在薄膜基質(zhì)背面的矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述天線輻射貼片由相互對稱的兩條偶極子臂構(gòu)成;所述偶極子臂包括金屬輻射臂和頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)包括5行3列共15個小正方形區(qū)域，每個小正方形區(qū)域的中心設(shè)有正方形開孔，每個小正方形區(qū)域的外圍是金屬輻射區(qū)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述金屬輻射臂的尺寸為16μπ?8μπ?;所述頂加載光子晶體結(jié)構(gòu)中，每個小正方形區(qū)域的大小都為8μ??X 8μπι，正方形開孔的尺寸為4μηι4μηι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)包括3行3列共9個矩形金屬貼片；相鄰矩形金屬貼片之間以及最外側(cè)矩形金屬貼片和薄膜基質(zhì)的對應(yīng)邊沿之間，其行間距等距，列間距等距。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)中，每個矩形金屬貼片的尺寸為16Μ?8μπι;第一行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)上邊沿的距離為4μπι，第一行矩形金屬貼片與第二行矩形金屬貼片之間、第二行矩形金屬貼片與第三行矩形金屬貼片之間的距離都為4μπι，第三行矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)下邊沿的距離為4μηι;第一列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)左邊沿的距離為8μηι，第一列矩形金屬貼片與第二列矩形金屬貼片之間、第二列矩形金屬貼片與第三列矩形金屬貼片之間的距離都為8μι，第三列矩形金屬貼片與薄膜基質(zhì)右邊沿的距離為8μπι。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:在相互對稱的兩條偶極子臂之間的對稱中心線上還開設(shè)有斷開間隙，在斷開間隙的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述薄膜基質(zhì)為聚對苯二甲酸乙二酯薄膜基質(zhì)；所述聚對苯二甲酸乙二酯薄膜基質(zhì)的相對介電常數(shù)為4 ±5%。8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述薄膜基質(zhì)的形狀為矩形，尺寸是80μηι 土 4μηι X 40μηι 土 2μηι，厚度為4μηι 土 Ιμπι。9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項所述的太赫茲波段薄膜光子晶體頂加載天線，其特征在于:所述天線輻射貼片和矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為銅、銀、或金。
【文檔編號】H01Q9/20GK205666328SQ201620289533
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】林斌, 林暢, 毛云海, 張宇, 蔡沅坤, 葉廣雅
【申請人】廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院