太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线的制作方法

本发明属于通信领域，具体涉及一种太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线。

背景技术：

太赫兹（terahertz，简称thz）波是介于微波与红外波段之间的电磁波段，其广义频率范围通常是指频率在0.1～10thz(波长在0.03～3mm)波段的电磁波。1thz对应的光子能量约为4.14mcv，在宇宙大爆炸过程中发射出的98%的光子能量都位于太赫兹的频率范围。由于科学家们受到对太赫兹波进行探测的设备的限制，因此在上世纪80年代以前，太赫兹技术的发展十分缓慢，太赫兹波并未受到人们广泛地开发和利用，因此太赫兹波段被人们称为“太赫兹空白”（terahertzgap）。从上世纪八十年代至今，由于科学家们在太赫兹辐射源产生设备以及对太赫兹辐射进行探测的设备上均得到了突破，因此太赫兹技术在这几十年得到了前所未有的发展。

太赫兹波拥有许多独特的优异性能，这些优异的性能是其他任意一种电磁波所不具备的。首先，太赫兹波的能量极低，与现在人们所用来进行探测的x光射线相比较起来几乎可以忽略不计，尤其将太赫兹波用在活体检测上，几乎不会对检测对象造成任何伤害，因此将太赫兹波用在医学检测上将具有广阔的市场前景。其次太赫兹波频率很高，通过香农信道容量公式我们可以清楚的知道，如果将太赫兹技术应用在通信领域，将会使传输速度向前跨越一大步，使通信技术发展迈上一层新的台阶。将太赫兹技术应用在卫星通信领域，鉴于外太空近似真空没有水分的环境，这将会使传输速度大大的增加，因此太赫兹通信技术有着巨大的应用潜力。太赫兹波穿透能力极强，尤其在非极性液体和一些介电材料的透视成像上表现出的效果极佳，如果再与太赫兹波超高的频率特性结合在一起，可将其作为现阶段人们所拥有的成像技术的一种强有力的补充，并可在机场、车站等人流量密集的公共场合的危险物品检测领域大显身手。

作为太赫兹电磁波的发射和接收装置，太赫兹波段天线的性能对太赫兹波段设备的性能有着决定性的影响。现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求是：尺寸较小，可以放进毫米数量级的太赫兹设备里，工作中心频率在1thz附近，回波损耗最小值小于-15db，绝对工作带宽大于0.1thz，相对工作带宽大于10%，天线有较大性能冗余，可以在各种不可预知的电磁环境中保证太赫兹电磁波的传输质量。

矩形环嵌套天线是一种简单高效的宽频带天线，外圈矩形环在馈电后产生辐射，内圈矩形环部分吸收外圈矩形环的辐射能量后，可以产生感应辐射。内外圈矩形环的大小不同，辐射的频率也不同，多个矩形环在不同频率的辐射相叠加，使矩形环嵌套天线拥有较宽的工作频段。多个矩形环嵌套天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，可以让它们的辐射相叠加，进一步增强天线的辐射强度。

三维渐变介电常数介质基板是一种介电常数可以沿着介质基板长、宽、高三维渐变的新型渐变介电常数陶瓷介质基板。使用三维渐变介电常数介质基板后，每个阵元天线的介质基板介电常数都不相同，阵列天线整体可以看作是多个介电常数不同的天线相叠加，每个天线的谐振频点不同，当多个谐振频点距离较近时，多个工作频带会叠加而形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带，从而提高阵列天线的性能冗余。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线。

本发明采用以下技术方案实现：一种太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线，其特征在于：包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的矩形环嵌套阵列辐射贴片；天线接地板为全金属接地结构，所述矩形环嵌套阵列辐射贴片由矩形环嵌套小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套小天线的大小为（20μm±1μm）×（20μm±1μm）。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套小天线由四个矩形环嵌套构成，每个矩形环的线宽为1μm±0.1μm，四个矩形环的大小分别为（16μm±0.2μm）×（16μm±0.2μm）、（12μm±0.2μm）×（12μm±0.2μm）、（8μm±0.2μm）×（8μm±0.2μm）、（4μm±0.2μm）×（4μm±0.2μm）。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构。

进一步的，所述矩形阵列结构至少包括8行8列共64个阵元小天线。

在本发明一实施例中，所述每个矩形环嵌套小天线的最大的矩形环的底边中心位置设有馈电点。

在本发明一实施例中，所述基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板。

在本发明一实施例中，所述基板由至少7层8行8列共448个小陶瓷块组成，小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽、高三维渐变；相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板最高层左上角，其相对介电常数为18；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板最低层右下角，其相对介电常数为58；小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下、从高到底的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为2。

在本发明一实施例中，所述基板的形状为矩形，基板总体尺寸是（160μm±1μm）×（160μm±1μm），厚度为70μm±1μm。

在本发明一实施例中，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。

本发明使用矩形环嵌套天线作为阵元天线，通过外圈矩形环的馈电辐射和内圈矩形环的感应辐射相叠加，获得较大的天线工作带宽；多个矩形环嵌套天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，多个阵元天线的辐射相叠加，进一步增强天线的辐射强度；使用三维渐变介电常数陶瓷介质基板，进一步增强天线的辐射强度和工作带宽，提高阵列天线的性能冗余，保证天线满足现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求。

附图说明

图1为本发明矩形环嵌套小天线的结构示意图。

图2为本发明一实施例的矩形环嵌套阵列辐射贴片的结构示意图。

图3为陶瓷基板相对介电常数取值示意图（图中数字表示某块小陶瓷块的相对介电常数）。

图4为本发明一实施例的回波损耗(s11)性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线，其包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的矩形环嵌套阵列辐射贴片；天线接地板为全金属接地结构，所述矩形环嵌套阵列辐射贴片由矩形环嵌套小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套小天线的大小为（20μm±1μm）×（20μm±1μm）。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套小天线由四个矩形环嵌套构成，每个矩形环的线宽为1μm±0.1μm，四个矩形环的大小分别为（16μm±0.2μm）×（16μm±0.2μm）、（12μm±0.2μm）×（12μm±0.2μm）、（8μm±0.2μm）×（8μm±0.2μm）、（4μm±0.2μm）×（4μm±0.2μm）。

在本发明一实施例中，所述矩形环嵌套阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构。

进一步的，所述矩形阵列结构至少包括8行8列共64个阵元小天线。

在本发明一实施例中，所述每个矩形环嵌套小天线的最大的矩形环的底边中心位置设有馈电点。

在本发明一实施例中，所述基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板。

在本发明一实施例中，所述基板由至少7层8行8列共448个小陶瓷块组成，小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽、高三维渐变；相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板最高层左上角，其相对介电常数为18；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板最低层右下角，其相对介电常数为58；小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下、从高到底的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为2。

在本发明一实施例中，所述基板的形状为矩形，基板总体尺寸是（160μm±1μm）×（160μm±1μm），厚度为70μm±1μm。

在本发明一实施例中，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝

参见说明书附图的图1、2，本发明一实施例上设有基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的矩形环嵌套阵列辐射贴片，天线接地板为全金属接地结构，矩形环嵌套阵列辐射贴片结构如图2所示。本发明实施例使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构，8行8列共64个矩形环嵌套小天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列。

每个矩形环嵌套小天线的大小为20μm±1μm×20μm±1μm，它由四个矩形环嵌套构成，每个矩形环的线宽为1μm±0.1μm，四个矩形环的大小分别为16μm±0.2μm×16μm±0.2μm、12μm±0.2μm×12μm±0.2μm、8μm±0.2μm×8μm±0.2μm、4μm±0.2μm×4μm±0.2μm。每个矩形环嵌套小天线的最大的矩形环的底边中心位置设有馈电点。

天线基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板，它由7层8行8列共448个小陶瓷块组成，小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽、高三维渐变；相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板最高层左上角，其相对介电常数为18；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板最低层右下角，其相对介电常数为58；小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下、从高到底的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为2。天线基板的形状为矩形，基板总体尺寸是160μm±1μm×160μm±1μm，厚度为70μm±1μm。其结构示意图参见图3。

本发明使用矩形环嵌套小天线作为阵元天线，通过外圈矩形环的馈电辐射和内圈矩形环的感应辐射相叠加，可以保证天线有较大的工作带宽。将阵元天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，可以使多个阵元天线的辐射相叠加，增强天线的辐射强度。使用三维渐变介电常数陶瓷介质基板，可以进一步增强天线的辐射强度和工作带宽，提高阵列天线的性能冗余。

说明书附图的图4给出了本发明实施例的回波损耗(s11)性能图。从图4可知，实测结果显示，该款天线的工作中心频率为1.032thz，回波损耗最小值为-42.34db，天线工作频带范围为0.873～1.476thz，绝对工作带宽为0.603thz，相对工作带宽为51.34%。实测结果显示，该款天线完全满足现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求，在尺寸压缩方面具有独特的优势，是目前已知的工作带宽最大的太赫兹波段天线，具有很好的性能冗余，在太赫兹波传输和处理领域具有广阔的应用前景。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。