CN102110888A - 利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，包括螺旋线和共面波导馈线，所述共面波导馈线包括衬底、信号线和接地平面，其中：接地平面和信号线分别刻蚀于衬底的一个面上，信号线的两侧设有接地平面，信号线的一端和螺旋线相连，另一端和外界应用系统相连。本发明采用MEMS工艺制作，具有结构简单、成本低、工作带宽较宽、能够单片集成等优点。

Description

利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线
技术领域
本发明涉及的是一种太赫兹电磁波的天线技术，尤其涉及的是一种利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线。
背景技术
太赫兹(THz)电磁波是指频率在0.1～10THz(波长为3000-30μm)范围内的电磁波。它在长波段与毫米波重合，而在短波段与红外线重合。是介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。THz电磁波在十九世纪二十年代已经引起了科学家的兴趣，但在二十世纪九十年代以前，由于缺乏有效的THz辐射源及检测技术，科学家对THz电磁波的电磁辐射性质的了解非常有限，以致该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近年来由于自由电子激光器和超快技术的发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的产生机理、检测术和应用技术的研究得到蓬勃发展。
THz技术之所以引起人们广泛的关注，是由于THz电磁波有它独自的特点，它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。THz技术在最近10年得到迅猛发展，并且在一些应用领域崭露头角。
随着近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高，所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短(飞秒)，THz辐射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有大的优势。国际上对THz有以下几点共识：THz辐射是一种新的、有很多独特优点的辐射源；THz技术为科学技术的创新、国民经济发展和国家安全等方面提供了一个非常诱人的机遇。
太赫兹雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性，因而太赫兹雷达可成为未来高精度雷达的发展方向，有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大作用。国际通讯联盟已指定200GHz的频段为下一步卫星间通讯之用。进一步的发展必定进入300GHz以上的范围，这实际上就是太赫兹通讯。
目前已有的THz天线有带偶极子天线的棱锥喇叭腔(被用于800GHz的频率即375μm的波长)、领结形偶极子天线(被用于28THz即10.6μm)、夹角反射器阵列天线、介质透镜平面天线、双偶极天线等。
微电子机械系统(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)技术的研究开发兴起于二十世纪八十年代中期，并逐渐成为国际研究的热点。这种新兴技术将光、机、电、材料、化学、控制、力学、生物等多项技术有机地结合起来，其目标是将信息获取、处理及执行单元集成在一起的一体化集成系统。这种新兴的技术能够使光机电元件微型化，并具有高精度、高可靠性、响应速度快等优点，成为继微电子技术后的又一次技术革命。
MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
在射频前端中天线的微型化是系统微型化的关键技术之一。采用微型化内置天线可以减小无线通信设备的体积，天线的微型化和集成化已经成为各研究机构的研究目标。MEMS天线具有重量轻、体积小、成本低、可以和集成电路兼容等优点，MEMS技术领域的研究人员正在对其进行广泛的研究，目前取得了多种可喜的应用成果，并且将在射频通信这个广阔的领域里与其他相关技术一起获得与时俱进的发展。MEMS天线的种类较多常见的有微带天线、缝隙天线、背腔印制天线、印刷偶极子天线等。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，应用于低成本、高传输速率的THz波段无线通信系统和THz波段成像系统。
技术方案：本发明包括螺旋线和共面波导馈线，所述共面波导馈线包括衬底、信号线和接地平面，其中：接地平面和信号线分别刻蚀于衬底的一个面上，信号线的两侧设有接地平面，信号线的一端和螺旋线相连，另一端和外界应用系统相连。
螺旋线用于向空间辐射信号和从空间接收信号，共面波导馈线用于传输螺旋线向空间辐射的信号和螺旋线从空间接收的信号。
所述螺旋线是圆柱形或圆锥形螺旋线，圆柱形螺旋线具有增益高的优点，而圆锥形螺旋线具有带宽较宽的优点。所述螺旋线是在衬底上利用聚焦离子束刻蚀金属丝制成，改变金属丝的形状生成。
所述螺旋线的螺旋半径是9～45μm，螺距是12～60μm，螺旋线的尺寸是影响螺旋天线性能的主要因素，改变螺旋线的半径和螺距，就可以改变螺旋天线的增益和工作频段。
所述接地平面和信号线之间的缝隙宽度是1～5μm，接地平面和信号线是同一层金属，厚度为0.2μm。
所述信号线的宽度是1～5μm，长度是100～200μm，宽度是螺旋线的金属丝的直径的1～2倍。
所述衬底是硅衬底，电阻率是2～4ohm/cm2，厚度是100～400μm。
信号线的宽度、信号线与接地平面之间缝隙的宽度、金属的厚度、衬底的介电常数和衬底的厚度决定了共面波导馈线的特征阻抗。
本发明工作时，制成的天线通过共面波导馈线与外界应用系统相连接。外界应用系统发射的信号由共面波导馈线端口进入天线，经共面波导传输至螺旋线，由螺旋线辐射到自由空间；同时需要接收的信号由每个THz螺旋天线的螺旋线进入天线，经共面波导进入应用系统。
有益效果：本发明采用MEMS工艺制作，具有结构简单、成本低、工作带宽较宽、能够单片集成等优点。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例1的输入端S参数示意图；
图3是实施例1的输入端电压驻波比示意图；
图4是实施例1的x-z平面的仿真辐射方向图；
图5是实施例1的y-z平面的仿真辐射方向图；
图6是实施例1的三维仿真辐射方向图；
图7是实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：本实施例采用Ansoft公司的HFSS(High Frequency StructureSimulator高频结构仿真器)三维电磁场仿真软件对本实施例的THz螺旋天线进行仿真。先在HFSS中建立一个THz螺旋天线模型。
本实施例通过以下步骤制备天线：第一步，在硅衬底2表面制作金属层，并腐蚀出设计所需要的图案；第二步，腐蚀掉准备制作螺旋线的金属丝下面的硅衬底2，并通过聚焦离子束刻蚀金属丝制作出设计所需要的螺旋线1。
如图1所示，本实施例包括螺旋线1和共面波导馈线，所述共面波导馈线包括硅衬底2、信号线3和接地平面4，其中：接地平面4和信号线3分别刻蚀于衬底2的一个面上，信号线3的两侧设有接地平面4，信号线3的一端和螺旋线1相连，另一端和外界应用系统相连。不同的应用系统可实现通信、雷达和成像等功能。螺旋线1用于向空间辐射信号和从空间接收信号，共面波导馈线用于传输螺旋线1向空间辐射的信号和螺旋线1从空间接收的信号。
螺旋线1是圆柱形螺旋线，圆柱形螺旋线具有增益高的优点，螺旋线1的螺旋半径为R＝36μm，螺距为D＝48μm，金属丝的直径R0＝1μm。
螺旋线1是在硅衬底上通过聚焦离子束刻蚀金属丝制成，改变金属丝的形状生成。
螺旋线1的尺寸是影响螺旋天线性能的主要因素，改变螺旋线1的半径和螺距，就可以改变螺旋天线的增益和工作频段。
接地平面4和信号线3之间的缝隙宽度是4.4μm。
信号线3的尺寸为宽度×厚度×长度＝2μm×0.2μm×100μm，接地平面4的厚度为0.2μm。所述硅衬底2的电阻率是2～4ohm/cm2，厚度是100～400μm。
信号线3的宽度、信号线3与接地平面4之间缝隙的宽度、金属的厚度、衬底2的介电常数和衬底2的厚度决定了共面波导馈线的特征阻抗。
将THz螺旋天线的共面波导馈线端口设为天线与应用系统相连接的端口，在1.5THz的频率下对天线的辐射性能进行仿真，并观察天线在1THz-2THz频率范围内的输入输出性能。
如图2所示，在1.5THz处S11反射系数大约为-16dB；如图3所示，THz螺旋天线输入端电压驻波比，VSWR电压驻波比大约为1.38；
如图4、图5和图6所示，THz螺旋天线x-z平面的仿真辐射方向图，在主辐射方向上天线的最大增益为9.3dB。通过以上结果可知，本实施例的THz喇叭天线在1.5THz频率下工作性能良好。
实施例2：如图7所示，本实施例中，螺旋线1是圆锥形螺旋线，螺旋线1从与信号线3相连的端部到与外界应用系统相连的端部，螺旋半径是渐变的，由36μm逐步增加到48μm，螺距是48μm，其他实施条件和实施例1相同。本实施例的THz喇叭天线在1.5THz频率下工作性能也是良好。

Claims (9)

1.一种利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于，包括螺旋线(1)和共面波导馈线，所述共面波导馈线包括衬底(2)、信号线(3)和接地平面(4)；其中：接地平面(4)和信号线(3)分别刻蚀于衬底(2)的一个面上，信号线(3)的两侧设有接地平面(4)，信号线(3)的一端和螺旋线(1)相连，另一端和外界应用系统相连螺旋线。
2.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于：所述螺旋线(1)垂直于衬底(2)。
3.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于：所述螺旋线(1)是圆柱形或圆锥形螺旋线。
4.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于：所述螺旋线(1)是在衬底(2)上利用聚焦离子束刻蚀金属丝制成。
5.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线(1)的螺旋半径是9～45μm，螺距是12～60μm。
6.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于，所述信号线(3)和其两侧的接地平面(4)之间的缝隙宽度是1～5μm。
7.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于，所述信号线(3)的长度是100～200μm，接地平面(4)和信号线(3)的厚度均为0.2μm，信号线(3)的宽度是1～5μm螺旋线。
8.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于：所述螺旋线(1)的金属丝的直径是的信号线(3)的宽度的0.5～1倍。
9.根据权利要求1所述的利用共面波导馈电的太赫兹螺旋天线，其特征在于，所述衬底(2)是硅衬底，电阻率是2～4ohm/cm2，厚度是100～400μm。
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