摘 要

太赫兹技术被称为“改变未来世界的十大技术之一”，相对于其他低频段的天线来说，太赫兹天线更容易实现小型化、高增益等。现如今太赫兹天线已经有了各种各样的形式，像软表面天线、集成的喇叭天线、平面结构天线等，作为左手材料基本组成单元结构的开口谐振环，在天线研究优化设计领域具有十分重要的研究意义。本文的研究设计中我们将多开口谐振环结构的微带天线作为基本结构，首先通过学习太赫兹在大气中的传输特性，将300 GHz天线定为研究对象，在此基础上通过增加开口谐振环环数，设计了一款基于多开口谐振环阵列结构的太赫兹波段小型化微带天线。与传统天线结构相比，小型化天线的反射系数为-49.1 dB，相比传统天线减小了4.3 dB。

研究结果表明，在微带天线介质基板上面加载开口谐振环阵列结构可以有效的减小天线的谐振频率，使设计的天线与基础的微带天线尺寸相比减小10%，并且优化后微带天线的相对带宽相比于优化之前有了一定提高，天线的总体性能基本不变。

关键词：太赫兹天线；多开口谐振环； 微带天线 ；小型化

Abstract

Terahertz is called "one of the ten technologies that will change the future world". Compared with other low-frequency antennas, terahertz antennas are easier to achieve miniaturization and high gain.Nowadays, terahertz antenna has various forms, such as soft surface antenna, integrated horn antenna, planar structure antenna, etc. As the basic composition unit of left-handed material, the open resonant ring has a very important application prospect in the field of antenna research and optimization design.Study design in this article we will open more resonant loop structure as the basic structure of microstrip antenna, the first terahertz in atmospheric transmission characteristics by learning, to 300 GHz antenna as the research object, on this basis, by increasing the number of openings resonance inside, designed a model based on multiple openings resonance loop terahertz band miniaturized microstrip antenna array structure.Compared with the traditional antenna structure, the reflection coefficient of the miniaturized antenna is -49.1 dB, which decreases by 4.3 dB compared with the traditional antenna structure.

Research results show that the microstrip antenna dielectric substrate above load shedding resonance loop can effectively reduce the resonance frequency of the antenna array structure, make the design of antenna decreases by 10% over the base of the size of the microstrip antenna, and the optimized relative bandwidth of microstrip antenna before had certain increase, compared to optimize the overall performance of the antenna unchanged basically.

Key Words：Terahertz antenna; SRR; microstrip antenna; miniaturization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 微带天线 3

2.1 微带天线介绍 3

2.2 微带天线分析 4

2.2.1 微带天线的基本参数计算 4

2.2.2 微带天线的特性参数 4

2.2.3 微带天线的分析方法 6

2.4 本章小结 6

第3章 开口谐振环 7

3.1 开口谐振环结构及原理 7

3.2开口谐振环结构应用于天线设计 8

3.3本章小结 9

第4章 天线的优化仿真 10

4.1电磁仿真软件FEKO 10

4.2 太赫兹微带天线设计 10

4.2.1 太赫兹微带天线基本结构的仿真设计 12

4.2.2 不同环形的开口谐振环对微带天线性能的影响 13

4.2.3 不同环数的开口谐振环对天线性能的影响 13

4.2.4不同基板的开口谐振环对微带天线性能影响 15

4.3 本章小结 16

第5章 总结与展望 17

5.1本文结论 17

5.2展望 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

太赫兹波的频率范围在100 GHz ～10 THz，该波段位于微观光子学向宏观电子学的过渡区域，人们曾一度认为太赫兹波段不存在表面等离子激元^[1]（称为“太赫兹空白”）。现如今，随着其他科学技术的飞速发展，太赫兹脉冲就可以有稳定、可靠的激发光源，基于利用飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲，最高3 THz的太赫兹时域光谱技术可用于探测样品的折射率、介电系数、吸收系数和载流子浓度等参数。如今，太赫兹波段应用于无线通信系统虽然还在研究阶段，但是组成太赫兹时域光谱实验系统的太赫兹发射元件（谐振天线）必不可少。太赫兹天线指的是工作频段在太赫兹波段的天线，一般是在通信系统中作为收发天线存在，因为太赫兹天线具有较高的频率，导致其具有很短的波长，所以与太赫兹波段的天线相比，其他波段的各种天线的天线口径大，所以天线的体积也大，这样太赫兹天线的优点就充分显示出来了。相比于其他天线，太赫兹天线更易于实现载荷集成化、小型化等^[2]。使用太赫兹频段的天线进行信息传输，由于天线的载波频率相对很高，所以就导致信号带宽也相对很大，这样就使得天线信号传输速率有很大提高^[2]，节省了信息传输时间。

除此之外，由于太赫兹频段的电磁波在空气中传输时的衰减较小，所以抗干扰性也很好，所以信号在传输过程中一般不容易被其他干扰信号影响。总而言之，太赫兹波段的天线与其他频段的各种天线相比而言更容易实现小型化、高增益等。现如今太赫兹天线已经有了各种各样的形式，像软表面天线、集成的喇叭天线、平面结构天线等。随着太赫兹通信系统的飞速发展，太赫兹天线也逐渐转向高增益研究。相信未来在太赫兹波段的天线研究会越来越精进，其研究不仅有学术价值，更具有应用价值。

由于超材料本身是一种具有一些特殊性质的人造材料，科研人员发现由于超材料的基本组成单元的谐振频率调节起来相对简便，而且可达到太赫兹频段，所以近年来许多科研人员相继对超材料的太赫兹特性进行了研究，研究结果证实了这种材料的太赫兹传输特性良好^[3]，本文进行研究的开口谐振环结构（Split-ringResonator，SRR）是超材料的基本组成单元，对开口谐振环结构在天线设计方面的研究具有长远意义。

1.2 国内外研究现状

伴随着现在左手材料的飞速发展，各种不同的开口谐振环结构相继出现，左手材料特有的特性逐渐开始由单一化转变为多样化^[4]．近年来开口谐振环用于优化各种天线性能设计也逐渐发展起来，比如刘红喜等人提出的一种基于开口谐振环高增益端射天线设计，通过在传统Vivaldi天线渐变槽线前方加载SRR结构，使天线辐射前方形成特殊谐振功能的引向器，将天线辐射能量集中于端射方向，明显提高了天线端射方向增益,并通过仿真与实测进行了验证^[5]。

Kumud Ranjan Jha和G.Singh提出了一种基于双开口谐振环的太赫兹微带天线，他们所使用的介质基板的基板介电常数为2.08^[6]。因为谐振器之间的耦合有所增加，这样天线的增益就会更高，之后他们在这种理论的支持下提出了在天线贴片上加入金属谐振环，实验测试结果表明，该天线方向系数为22.6 dBi，相比于传统同尺寸的贴片天线，这种结构的天线更高。通过在天线结构中加入两个开口方向相同的谐振环结构，该天的谐振频率可以高达太赫兹波段，从而天线的增益就可以达到更高。2018年，孙烨，赵文美等人提出了一款基于开口谐振环阵列结构的小型化微带天线，该设计采用的是圆形单开口谐振环结构，通过在微带天线的接地板上刻蚀不同数量的开口谐振环阵列结构，使得天线的频率从5.8 GHz下降到5.16 GHz，从而成功实现了天线的小型化设计，使天线的尺寸减小为原来的37.52%，天线的传输性能却并未发生大的变化。Je Hyung Seo等人在理论依据上设计研究了在薄膜介质开口谐振环上的太赫兹电场分布规律，提出并且发表了SRR的共振频率随着材料厚度变化规律，从而为开口谐振环结构在太赫兹波段的应用研究提供理论依据^[7]。

1.3 本文研究内容

本文主要研究了基于开口谐振环结构的太赫兹波段的微带天线设计，通过对太赫兹波段的普通微带天线加载不同环形和不同数环数的开口谐振环阵列结构来优化天线性能，使其在一定的工作频率内达到综合性能较好，实现天线的小型化设计。之后又测试了天线的介质基板的材料对天线性能的影响。本文具体内容如下所示。

第一章是绪论部分，这部分内容主要介绍了太赫兹波段的研究现状与研究意义，微带天线的研究背景与意义和开口谐振环的研究与发展。除此之外，本章内容还对本次研究内容做了简单安排。

第二章主要介绍了微带天线的一些基础理论、性能参数和分析方法等。

第三章介绍了开口谐振环的工作原理以及开口谐振环的相关应用，通过对开口谐振环的研究了解开口谐振环的研究价值以及开口谐振环用于太赫兹天线的一些优点。

第四章主要对参考文献的微带天线结构进行验证仿真，以保证对电磁仿真软件的正确使用，在此基础上设计太赫兹波段的开口谐振环结构的微带天线设计，通过对比得到性能更好的天线结构，实现天线小型化。之后验证了微带天线的介质基板材料对于天线性能的影响。

第五章内容主要是得到结论与未来的工作展望。

第2章 微带天线

2.1 微带天线介绍

微带天线作为无线通信工程应用的天线之一，早在上个世纪50年代就被Deschamps教授提出来了，但是真正研制成功的微带天线却是20世纪70年代初期，在这之后科研人员又在其他方面进行了许许多多的实验，比如天线的馈电方式、基板材料等等，使得微带天线的发展更进一步。现如今天线通常应用于频率高于100 MHz(λlt;3 m)的低轮廓结构，它的组成结构是一个金属贴片与接地平面上一片薄层电介质表面及其端口组成^[8]。微带天线根据导体贴片结构不同，可以分为微带贴片天线、微带阵子天线和微带缝隙天线等三种结构^[9]。相对于普通微波天线而言，微带天线有以下优点：

1. 首先微带天线的质量较小，体积也不大，所以可以做共形天线；
2. 微带天线的制造成本很低，很容易进行大量生产；
3. 天线的散射截面较小；
4. 比较容易获得线极化和圆极化，只要改变馈电点就可以了；
5. 因为天线体积较小，所以比较适合组合式设计；
6. 微带天线的结构比较简单，因此天线的馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作而不影响其结构特性。

总之，微带天线相比于其他微波天线还有很多优点，但是除了以上各种好的方面以外，微带天线也有很多缺点^[9]，比如天线的频带相比于其他天线较窄，但是损耗较大导致它的增益较低、大多数微带天线只向半空间辐射；天线的最大增益受限制只有大约20 dB左右；因为天线的馈线与辐射源之间有一定的隔离差，所以天线的性能比较差等。

微带天线的贴片一般来说没有要求，可以是各种形状，但为了方便起见一般采用规则的矩形或者圆形，还可以是窄长条形的贴片阵子。如图2.1所示为几种微带天线结构。

图2.1 各种微带天线结构

2.2 微带天线分析

2.2.1 微带天线的基本参数计算

微带天线结构如图所示，其中L表示介质基板的长，W表示介质基板的宽， H表示基板的高，A表示贴片的长，B表示贴片的宽，介质基板的介电常数为ε。

图2.2 微带天线结构示意图

天线的工作频率决定它的工作频段范围，在设计矩形微带天线时,一般选定天线的扫频范围以及天线基板材料，通过计算得到天线尺寸，馈电方式一般有微带馈电、同轴线馈电及电磁耦合馈电^[10]。可以通过改变辐射贴片尺寸对天线谐振频率进行调节,对于工作频率为f的矩形微带天线，其辐射贴片的宽度为：

贴片的宽度为：

贴片的辐射缝隙为：

其中：

所以贴片的长为：

由以上公式（2.1）~（2.4）我们可以粗略的得到所需要的贴片基本参数，进而对天线进行建模。

2.2.2 微带天线的特性参数

天线的分析与设计主要的优化参数主要是天线的电路参数和辐射参数两种^[10]。天线性能的好坏主要由它的参数直接反映，微带天线作为天线的一种，其参数与天线参数一致主要包括以下两种性能参数：

1.天线的电路参数

天线的电路参数主要包括天线的输入阻抗、辐射阻抗和天线效率三个。天线的输入阻抗一般被定义为天线馈电端电压与馈电端电流的比值，一般使用槽线、微带线、或者波导等馈电系统与天线连接。天线的辐射阻抗在一定程度上表示天线作为辐射器件时辐射能力的大小，直接影响天线的辐射效率；而天线效率则被表示为天线的辐射功率与其总功率之间的比值，主要反映了天线的转换能力。

2.天线的辐射参数

微带天线的辐射参数主要有以下几个：

1. 方向图和方向性函数

所有的天线都有方向性，表示为天线在向不同方向辐射时的功率密度（场的强度）不同，或者在接收时对不同方向上入射的电磁波响应不同。一般来说，天线的方向由像花瓣一样的包络组成，把波瓣图中最大的瓣称为主瓣，其它比较小的则被称为旁瓣。方向图则是体现天线的辐射特性与其空间角度关系的图形。

（2）频带宽度

将天线中的各种性能参数不超过特定范围内的频率变化称之为天线的频带宽度。一般采用-3 dB频带宽度来表示。

（3）-3 dB波束宽度、第一零点波束宽度

天线中的-3 dB波束宽度（半功率波束宽度）被称为按半功率电平点夹角定义的波束宽度，而按主瓣两侧第一个零点夹角定义的波束宽度称之为第一零点波束宽度；在场强波瓣图中，半功率电平出现在的角度所对应的方向上，这里是的归一化值，其最大值为1。在场波瓣图中，凡是场点所在的距离远大于天线的波长以及尺寸时，天线的场波瓣图形状就与距离没有关系。这种波瓣图就比较符合远场条件。

（4）定向性系数D和天线的增益G

天线的定向性D和天线的增益G都是天线性能描述的重要参数。天线的定向性系数D描述的是在远场区的某一球面上最大功率辐射密度与它的平均辐射功率密度之比，这是一个大于或者等于1的无量纲比值。同时D也表示天线在方向上产生相同电场强度时，点源天线的总辐射功率与这个天线的辐射功率之比。

表示为：

天线的增益G是一个使用的参量，是以天线的输入功率为基点而定义的。增益G的值由于天线的损耗小于天线的定向性，表达式为：

(2.6)

其中天线效率因子。天线设计得性能越好，τ值越接近1。天线的理想增益的最大值为D。

（5）远场、近场、感应场区

感应场区，即电抗性的区域表示为r lt; λ/2π，近场区指的是 /λ的区域；

远场区是指/λ的区域，其中D是天线尺寸，r是待测天线和源天线之间的距离。

（6）反射系数与电压驻波比

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