摘 要

太赫兹技术在当代引起了研究的热潮，在许多领域都扮演着重要的角色。太赫兹天线是一种利用太赫兹波进行数据通信与传输、信号传感和检测的收发器件，目前的仍处于实验室阶段，如何能让太赫兹天线满足现实生活的需要是一个非常有价值的研究方向。本文中选取了开口谐振环结构作为天线的基本单元，利用其良好的太赫兹波段传输特性，设计了一款新型的开口谐振环太赫兹天线。并使用全波电磁场数值计算的方法对开口谐振环结构参数与谐振频率之间的关系进行了探索。

本文主要的研究内容包括：（1）300GHz双面开口谐振环天线的设计；（2）开口谐振环结构参数对天线性能的影响，主要通过反射系数-频率关系图反映；（3）扩尺结构下2.45GHz微带天线的实现。基于以上研究内容，本文最终设计出一款谐振频率在300GHz左右的双面三开口谐振圆环结构的阵列天线，并且探究了SRRs中环数、开口宽度、环间间隙宽度和开口环宽度四个参数对天线谐振频率的影响，并成功将其扩尺为谐振频率2.45GHz的微带天线。

关键词： 太赫兹；开口谐振环；微带天线；反射系数

Abstract

Terahertz technology in the contemporary cause of the research boom, in many areas have played an important role. The terahertz antenna is a transceiver device that utilizes terahertz waves for data communication and transmission, signal sensing and detection. It is still in the laboratory stage. How to make the terahertz antenna meet the needs of real life is a very valuable research direction. In this paper, the Split-Ring Resonators structure is selected as the basic unit of the antenna, and a new type of resonant ring terahertz antenna is designed by using its good terahertz band transmission characteristic. And the relationship between the structural parameters of Split-Ring Resonators and the resonant frequency is explored by using the numerical calculation method of full wave electromagnetic field.

The main research contents of this paper include: (1) the design of 300GHz double-sided resonant ring antenna; (2) the influence of structural parameters of the Split-Ring Resonators on the performance of the antenna, mainly through the reflection coefficient - frequency diagram; (3) Implementation of 2.45GHz Microstrip Antenna. Based on the above research, this paper designs an array antenna with a resonant frequency of about 300GHz, and explores the four parameters of ring number, opening width, inter-ring gap width and opening ring width in SRRs On the antenna resonant frequency, and successfully extended to the resonant frequency of 2.45GHz microstrip antenna.

Key Words： Terahertz；Split-Ring Resonators；microstrip antenna；Reflection coeffic

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究背景及发展现状 2

1.2.1 太赫兹波传输特性 2

1.2.2 太赫兹天线发展现状 3

1.3 本文的主要研究内容及章节安排 4

第2章　开口谐振环太赫兹天线原理 5

2.1 天线的基本性能参数 5

2.1.1 方向图与方向性系数 5

2.1.2 天线增益 6

2.1.3 电压驻波比 7

2.1.4 天线的阻抗 8

2.2 开口谐振环设计参数对太赫兹传输特性的影响 9

2.3 开口谐振环（SRRs）天线的电磁仿真计算 10

2.3.1 电磁仿真软件FEKO 10

2.3.2 文献仿真验算 10

2.3.3 天线缩尺有效性的验证 14

2.4 本章小结 14

第3章 双面多开口谐振环太赫兹阵列天线的设计 15

3.1 阵列天线模型的设计 15

3.2 结构参数对天线性能的影响 16

3.2.1 开口环环数对天线性能的影响 16

3.2.2 开口宽度对天线性能的影响 18

3.2.3 开口环环宽对天线性能的影响 19

3.2.4 开口环之间间隙宽度对天线性能的影响 20

3.3 阵列天线扩尺为2.45GHz的实物设计 20

3.4 本章小结 23

第4章 总结与展望 24

4.1 总结 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着科技的不断进步，人们对各个领域的探索在不断拓展和加深。在电磁波领域，人们渐渐打开了太赫兹波段的大门。太赫兹（Terahertz）一词最早由弗莱明（Fleming）于1974年提出，太赫兹波段指的是频率处于0.1-10THz的电磁波，此波段对应的波长范围是30-3000μm。由于频率上它要高于微波而低于红外线，能量大小则处于电子和光子之间，在此交叉过渡区，使用光学理论抑或是微波理论来处理研究都算不上完全地适合，所以在上世纪九十年代以前人们对太赫兹的研究寥寥无几，也因而被称为“太赫兹空白”，不过这也间接地表明了在这一波段有着足够的开发前景。在近二十年中，由于相关技术的提升为探索太赫兹波段提供了有力的条件，人们真正开始重视对太赫兹波段的研究，甚至渐渐形成了太赫兹研究热潮。并且，在许多国家专门为太赫兹技术确立了研究地位并制定了研究战略，如美国与日本相继在2004年、2005年将太赫兹技术评定为“改变未来世界的十大技术”之一和“国家支柱十大重点战略目标”之首，重视程度可见一斑。而我国政府在2005年11月召开的“香山科技会议”上，专门讨论太赫兹事业在我国的发展方向，并制定了太赫兹技术在我国的发展规划。最终，此次大会完成了一个主题报告，报告名为《THz科学技术的新发展》。

在近些年对太赫兹的探索中，人们发现太赫兹波的特点可归为以下几类：高透射性、低能量性、吸水性、瞬态性、相干性及指纹光谱等。其中以低能量性为例，太赫兹波能量很小，基本不会对物质产生破坏作用，相较于X射线技术具有一定性能上的优势。此外，太赫兹波段涵盖了许多生物大分子的振动和转动共振频率。基于此，对太赫兹波技术的研究将对多个领域的技术发展造成深远的影响，这就包括宽带通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器、无标记基因检查、细胞成像、无损检测、生化物检查、菌种优选等领域^[1]。