一种应用近零折射率超材料改善增益平坦度的太赫兹天线的制作方法

本申请涉及太赫兹天线和通信，尤其是一种应用近零折射率超材料改善增益平坦度的太赫兹天线。

背景技术：

1、通信数据量需求的激增对通信系统的容量及速率都提出更高的需求，超宽带太赫兹通信成为解决问题的重要技术。太赫兹天线作为通信系统中的关键器件之一，其性能好坏直接影响系统的通信容量和质量。

2、由于太赫兹通信带宽很宽，系统对天线的带宽提出了更高的设计要求。其次，在宽带信道设计中，良好的信道增益带宽平坦度是信道宽带性能的保证，所以设计具有超宽带、增益平坦度高性能的天线至关重要。此外，随着通信系统的集成化程度越来越高，天线与收发前端的集成也是必然趋势。如现有专利一种太赫兹波片载-波导-喇叭转换天线(cn103762416b)，因喇叭天线是三维结构，需设计复杂的过渡结构用于连接，集成化程度不高。因此，超宽带、增益平坦度好且易于集成的太赫兹天线结构意义重大。

技术实现思路

1、基于上述背景，本申请公开了一种应用在太赫兹通信系统中的超宽带天线装置。本发明中的天线是一种加载了近零超材料(zero-index-media，简称zim)结构的对跖vivaldi天线，其工作在太赫兹频段，且具有良好的增益平坦度。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种基于近零折射率超材料的超宽带太赫兹天线，其包括：天线辐射臂、介质基板、近零折射率超材料结构、天线馈电结构；

4、所述的天线辐射臂分成两部分，分别位于介质基板的上下两面；所述的近零折射率超材料结构位于介质基板的上表面，同时关于天线形成渐变槽的轴线对称分布；天线馈电结构位于远离天线辐射臂形成开口的一侧；

5、所述天线辐射臂，用于传输行波电流并形成电磁辐射，其位于介质基板上下面的两部分天线金属层结构形成渐变槽形状，使电流在天线上传导时形成辐射信号；

6、所述的介质基板，用以支撑位于其上下面的天线金属层结构；

7、所述的近零折射率超材料结构，用于将介质中的电磁波垂直出射起到汇聚作用，使辐射的电磁波保持良好的方向性，从而起到提升天线装置整体增益，改善增益平坦度的效果；

8、所述天线馈电结构用于实现超宽带馈电效果，同时使天线辐射臂和光电太赫兹通信系统发射前端的光电二极管形成集成。

9、进一步的，天线辐射臂由位于介质基板上下面的两块金属贴片组成，两块金属贴片关于介质基板短边的中轴线对称；

10、所述金属贴片开槽线沿天线端射方向呈指数渐变规律；

11、所述金属贴片在其开槽曲线所形成面的一侧边缘加载了椭圆形贴片边缘。

12、进一步的，超材料结构由周期性电磁结构单元排列组成，其结构位于天线介质基板的上表面，关于天线形成渐变槽的轴向线对称分布，同时也位于该天线形成辐射的电场所在的开口方向。

13、进一步的，天线馈电结构由接地共面波导、渐变微带线、平行双线三部分级联构成；

14、所述接地共面波导用于实现和光电太赫兹通信系统发射前端的光电二极管集成；

15、所述的渐变微带线和平行双线组成渐变过渡型传输线能实现宽带馈电效果。

16、进一步的，所述超材料结构由周期形式的单层金属单元构成，金属单元所在衬底的材料和厚度与天线使用的衬底一致；单层金属单元设计为金属材质的图案，通过调节金属单元的图案形状，图案的尺寸、以及图案中线条的线宽将金属单元设计在特定的频段；并能够调节超材料结构的相对介电常数。

17、进一步的，所述超材料结构具有近零折射率特性；在对超材料结构进行设计时，使用全波电磁仿真软件cst对其建模并进行仿真获取，以确保设计得到的超材料结构具有近零折射率特性。

18、进一步的，所述超材料结构的近零折射率特性频响范围在太赫兹频段。

19、与现有技术相比，本发明所述的天线装置包括天线辐射臂部分、介质基板、近零折射率超材料结构、馈电结构。所述的天线辐射臂分为两部分，分别位于介质基板的上下面；对跖结构的辐射臂形成了渐变开槽，用于传输行波电流并形成电磁辐射，实现信号从导波结构到自由空间的无线传输。所述的近零折射率超材料结构，位于介质基板的上表面，关于天线形成渐变槽的轴线对称分布，其响应频段对应于原始天线增益平坦度差的频段，从而在该频段实现电磁波的汇聚效果，从而提升超宽带天线整体的增益平坦度。所述的天线介质基板用于支撑位于两侧的天线辐射臂，介质基板材质具有较低的介电常数且可用于微纳工艺过程。所述的天线馈电结构由接地共面波导、渐变微带线、平行双线三部分级联构成，用于实现宽带馈电效果，同时使天线便于和太赫兹光电二极管形成平面集成。上述提出的超宽带太赫兹天线装置，加载了近零折射率超材料结构，通过汇聚特定频段的电磁波提升了超宽带天线的增益平坦度；采用接地共面波导到微带线的过渡馈电结构，不仅能实现天线的宽带化设计，而且其结构便于和光电太赫兹通信系统的发射前端集成。

技术特征：

1.一种基于近零折射率超材料的超宽带太赫兹天线，其特征在于，包括：天线辐射臂、介质基板、近零折射率超材料结构、天线馈电结构；

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述的天线工作在太赫兹频段，频率高于100ghz。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，天线辐射臂由位于介质基板上下面的两块金属贴片组成，两块金属贴片关于介质基板短边的中轴线对称；

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，介质基板材料为石英玻璃。

5.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，超材料结构由周期性电磁结构单元排列组成，其结构位于天线介质基板的上表面，关于天线形成渐变槽的轴向线对称分布，同时也位于该天线形成辐射的电场所在的开口方向。

6.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，天线馈电结构由接地共面波导、渐变微带线、平行双线三部分级联构成；

7.根据权利要求5所述的超材料结构，其特征在于，所述超材料结构由周期形式的单层金属单元构成，金属单元所在衬底的材料和厚度与天线使用的衬底一致；单层金属单元设计为金属材质的图案，通过调节金属单元的图案形状，图案的尺寸、以及图案中线条的线宽将金属单元设计在特定的频段；并能够调节超材料结构的相对介电常数。

8.根据权利要求5所述的超材料结构，其特征在于，所述超材料结构具有近零折射率特性；在对超材料结构进行设计时，使用全波电磁仿真软件cst对其建模并进行仿真获取，以确保设计得到的超材料结构具有近零折射率特性。

9.根据权利要求8所述的近零折射率超材料，其特征在于，所述超材料结构的近零折射率特性频响范围在太赫兹频段。

技术总结
本发明提出了一种应用近零折射率超材料改善天线增益平坦度的太赫兹天线，包括天线辐射臂、介质基板、近零折射率超材料结构、天线馈电结构；天线辐射臂用于传输行波电流并形成电磁辐射，实现信号从导波结构到自由空间的无线传输；介质基板用于支撑两侧的天线辐射臂；近零折射率超材料结构用于汇聚发散的电磁波，产生高指向性辐射效应实现天线增益提升；馈电结构用于实现宽带馈电效果，同时使天线便于和太赫兹光电二极管形成平面集成。上述提出的太赫兹天线装置，采用加载近零折射率电磁超材料结构，在没有增加天线剖面高度的情况下，在特定带宽的内提升天线波束的指向性，从而改善天线增益的平坦度，最终达到提升太赫兹点对点通信质量的效果。

技术研发人员：郦小艳,郭程,何通,徐魁文,余显斌
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13