CN106229644B - 一种多频太赫兹缝隙天线及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种多频太赫兹缝隙天线及其制备方法和用途，包括介质衬底、辐射贴片和馈电端口，在辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙；采用同轴馈电和微带线馈电两种馈电方法，微带线与辐射贴片之间有一个宽为＝2μm的缝隙；本发明的优点是：两个不同的馈电端口共同实现了天线的多频特性，在微带线馈电端口的谐振频率为240GHz，在同轴馈电端口实现在300GHz与640GHz两个频段的工作；通过修改天线辐射贴片的大小可以实现天线谐振频率的变化，满足不同领域的需求；该天线结构简单，各项性能指标稳定，具有一定的抗干扰特性，对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。

Description

一种多频太赫兹缝隙天线及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，特别是一种多频太赫兹天线。

背景技术

天线是无线通信领域的重要器件，广泛运用于无线通信领域、物联网领域、航天以及军事领域等各个方面，凡是利用电磁波来发射和接受信息的地方都有天线的身影。而随着科技的不断发展，微波频段已经无法为高速的发展提供足够的带宽，这时就有很大科学家与研究人员将目光投向了还未使用的太赫兹频段，这也使得太赫兹的各种应用成为了当下的一个热门研究目标。

太赫兹的频段位于微波与红外波段之间，频率范围是0.1THz～10THz。太赫兹辐射具有比微波更短的波长，它适合于极大信号带宽的实现；由于太赫兹的频率较高，可以作为通讯的载体实现高速的无线传输；太赫兹辐射的方向性很好，可以运用在战场上实现保密通信。

最早报道利用在贴片天线的贴片上加载缝隙实现双频或多频天线的文献是1995年IET Microwaves,Antennas&Propagation杂志第142卷3期225页发表的“双频带缝隙贴片天线”，参见：S Maci,G B Gentili,P Piazzesl,et al.Dual-band slot loaded patchantenna[J].IEE Proc.-Microwave Antennas Propagation,1995,142(3):225～232.，文中报道了一种在贴片天线的贴片上加载缝隙实现双频性能的应用。2011年，Lee,K.F.等人在贴片天线的贴片上加载“U”型辐射缝隙实现双频和多频性能的应用，参见：Lee,K.F.,Luk,K.M.,Mak,K.M.,&Yang,S.L.S.(2011).On the use of U-slots in the design ofdual-and triple-band patch antennas.IEEE Antennas and Propagation Magazine,53(3),60–74.。2015年，Naresh Kμmar Darimireddy等在矩形天线上加载“U”型缝隙并使用多层介质层，使得天线在多个频段上性能满足要求，实现了多频的特性。将缝隙贴片天线设计工作在太赫兹频段上，可以实现天线的微型化和信息的高速传输。在通信中使用太赫兹天线时，该THz天线可以获得高于10Gbit/s的传输速度，与目前的技术相比提升了近百倍。

当前，基于新的结构THz缝隙贴片天线引起了极大的兴趣，设计出同时具有在三个不同频段工作特性的THz天线成为了研究的重点，其能够良好的用于通信系统和无线传输系统的应用。

发明内容

本发明的目的是解决目前THz天线频段单一或在多个频段上同时工作存在相互之间干扰大、回波损耗较大以及方向性增益差的问题，提供一种结构相对简单并且成本较低的多频太赫兹缝隙天线，同时提供了一种该天线的制备方法及用途。该天线采用了价格低廉的Arlon Cuclad 250GT材料作为衬底，在辐射贴片上引入的新式辐射缝隙也使得天线在高频处产生了谐振频率，微带线与辐射贴片之间的缝隙使得同一天线在多个频段上同时工作相互之间干扰降低，两各馈电端口的同时馈电也使得该天线可以在多个THz频段实现正常工作。

本发明的技术方案是：

一种多频太赫兹缝隙天线，包括介质衬底、辐射贴片和馈电端口，在辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙；介质衬底是介电常数2.5、正切值损耗为0.0018的Arlon Cuclad 250GT(tm)材料；矩形辐射贴片印刷在衬底的正面；天线的馈电方式是同轴馈电和微带线馈电两种馈电方法，同轴馈电端口与天线的中心点的距离为S₁＝60.3μm，微带线的宽度为L₃＝30μm，微带线与辐射贴片之间有一个宽为S₂＝2μm的缝隙。

进一步的，矩形辐射贴片上引入两个“CE”型缝隙。

进一步的，所述的介质衬底大小为为L_S×L_S×H＝660μm×660μm×40μm；矩形辐射贴片的大小为W×L＝310μm×287μm。

进一步的，两个缝隙位于贴片的两侧，“CE”型辐射缝隙的尺寸为：L₁＝180μm，L₂＝170μm，W₁＝50μm，W₂＝37.5μm，d＝10μm，S＝75μm。

一种多频太赫兹缝隙天线的制备方法，步骤如下：

1)在大小为660μm×660μm×40μm的Arlon Cuclad 250GT(tm)介质衬底的正面印刷矩形辐射贴片，矩形辐射贴片的大小为310μm×287μm；

2)在上述的矩形辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙，两个缝隙位于贴片的两侧，“CE”型辐射缝隙的尺寸为：L₁＝180μm，L₂＝170μm，W₁＝50μm，W₂＝37.5μm，d＝10μm，S＝75μm，在“E”型辐射缝隙端印刷微带线并与矩形贴片保持2μm的距离，在衬底的背面印刷接地板，接地板覆盖在整个衬底的背面。

3)将上述制备的天线进行打孔，为天线接入同轴馈电端口和微带线馈电端口。

一种多频太赫兹缝隙天线的用途，用在工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统，该天线在多个频段上同时用于信息高速传输。

本发明的优点和有益效果是：

本发明提供一种结构相对简单并且成本较低的多频太赫兹缝隙天线，该天线采用了价格低廉的Arlon Cuclad 250GT材料作为衬底，在辐射贴片上引入的新式辐射缝隙也使得天线在高频处产生了谐振频率，微带线与辐射贴片之间的缝隙使得同一天线在多个频段上同时工作相互之间干扰降低，两各馈电端口的同时馈电也使得该天线在多个THz频段满足设计要求，其中3个频段分别是234GHz～245GHz、291GHz～306GHz和632GHz～656GHz，从低到高最大方向性增益分别是6.45dB、7.38dB和10.50dB。

附图说明

图1为该THz天线的正视图和侧视图的结构示意图。

图中：1为介质衬底 2为辐射贴片(铜)贴片是印刷在衬底的表面的接地板印刷在衬底的背面

图2为该THz天线的回波损耗S₁₁值。

图中：Port1为同轴馈电端口 Port2为微带线馈电端口

图3为该THz天线在谐振频率为240GHz时的EH面方向图。

图中，实线为E面方向图 虚线为H面方向图

图4为该THz天线在谐振频率为300GHz时的EH面方向图。

图中，实线为E面方向图 虚线为H面方向图

图5为该THz天线在谐振频率为640GHz时的EH面方向图。

图中，实线为E面方向图 虚线为H面方向图

具体实施方式

实施例：

由附图1可知，本发明多频太赫兹缝隙天线，包括介质衬底1、辐射贴片2和馈电端口，在辐射贴片2上引入“CE”型辐射缝隙；介质衬底1是介电常数2.5、正切值损耗为0.0018的Arlon Cuclad 250GT(tm)材料，尺寸为L_S×L_S×H＝660μm×660μm×40μm；矩形辐射贴片2印刷在衬底1的正面，其大小为W×L＝310μm×287μm；天线的馈电方式是同轴馈电和微带线馈电两种馈电方法，同轴馈电端口与天线的中心点的距离为S₁＝60.3μm，微带线的宽度为L₃＝30μm，微带线与辐射贴片之间有一个宽为S₂＝2μm的缝隙。

本发明在矩形辐射贴片上引入了“CE”型缝隙，改变了电流路径使得天线在高频处产生了一个谐振频率，在微带线与辐射贴片2之间引入缝隙可以降低微带线馈电与同轴馈电之间的干扰，并产生一个低频的谐振频率。

本发明多频太赫兹缝隙天线的制备步骤如下：

1)在大小为660μm×660μm×40μm的Arlon Cuclad 250GT(tm)介质衬底的正面印刷矩形辐射贴片，矩形辐射贴片的大小为310μm×287μm；

2)在上述的矩形辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙，两个缝隙位于贴片的两侧，“CE”型辐射缝隙的尺寸为：L₁＝180μm，L₂＝170μm，W₁＝50μm，W₂＝37.5μm，d＝10μm，S＝75μm，在“E”型辐射缝隙端印刷微带线并与矩形贴片保持2μm的距离，在衬底的背面印刷接地板，接地板覆盖在整个衬底的背面；

3)将上述制备的天线进行打孔，为天线接入同轴馈电端口和微带线馈电端口。

本发明多频太赫兹缝隙天线的应用，用在工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统，该天线具有在多个频段上同时可用与信息高速传输的特点。

图2为该太赫兹缝隙天线的回波损耗结果图，图中表明：该太赫兹缝隙天线一共有三个谐振频率，分别是240GHz、300GHz和640GHz，其中240GHz的谐振频率是馈电端口Port2得到的，300GHz与640GHz的谐振频率由馈电端口Port1得到。

图3为该太赫兹缝隙天线在谐振频率为240GHz时的EH面方向图，图中表明：该太赫兹缝隙天线在谐振频率为240GHz时，天线辐射主方向在0°，最大增益为6.45dB，3dB半功率波束的宽度为-40°～40°。

图4为该太赫兹缝隙天线在谐振频率为300GHz时的EH面方向图，图中表明：该太赫兹缝隙天线在谐振频率为300GHz时，天线辐射主方向在0°，最大增益为7.38dB，3dB半功率波束的宽度为-41°～40°。

图5为该太赫兹缝隙天线在谐振频率为640GHz时的EH面方向图，图中表明：该太赫兹缝隙天线在谐振频率为640GHz时，天线辐射主方向在-54°和54°，最大增益分别为10.47dB和10.50dB，3dB半功率波束的宽度为-97°～-18°和21°～100°。

Claims (3)

1.一种多频太赫兹缝隙天线，其特征在于：包括介质衬底、辐射贴片和馈电端口，在辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙；介质衬底是介电常数2.5、正切值损耗为0.0018的ArlonCuclad 250GT(tm)材料；矩形辐射贴片印刷在衬底的正面；天线的馈电方式是同轴馈电和微带线馈电两种馈电方法，同轴馈电端口与天线的中心点的距离为S₁＝60.3μm，微带线的宽度为L₃＝30μm，微带线与辐射贴片之间有一个宽为S₂＝2μm的缝隙；

所述的矩形辐射贴片上引入一“CE”型缝隙；

两个缝隙位于贴片的两侧，“CE”型辐射缝隙的尺寸为：L₁＝180μm，L₂＝170μm，W₁＝50μm，W₂＝37.5μm，d＝10μm，S＝75μm；

其中L₁为“C”型辐射缝隙左侧缝隙的长度与“E”型辐射缝隙右侧缝隙的长度；L₂为“C”型辐射缝隙内侧缝隙的长度；W₁为“E”型辐射缝隙上下两端缝隙的长度；W₂为“E”型辐射缝隙中部缝隙的长度；d为“E”型辐射缝隙中部辐射缝隙的宽度；S为“C”、“E”型辐射缝隙之间的间距。

2.根据权利要求1所述多频太赫兹缝隙天线，其特征在于：所述的介质衬底大小为为L_S×L_S×H＝660μm×660μm×40μm；矩形辐射贴片的大小为W×L＝310μm×287μm；

其中L_S为介质衬底的边长；H为介质衬底的厚度；W为矩形辐射贴片的长度；L为矩形辐射贴片的宽度。

3.一种多频太赫兹缝隙天线的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)在大小为660μm×660μm×40μm的Arlon Cuclad 250GT(tm)介质衬底的正面印刷矩形辐射贴片，矩形辐射贴片的大小为310μm×287μm；

2)在上述的矩形辐射贴片上引入“CE”型辐射缝隙，两个缝隙位于贴片的两侧，“CE”型辐射缝隙的尺寸为：L₁＝180μm，L₂＝170μm，W₁＝50μm，W₂＝37.5μm，d＝10μm，S＝75μm，在“E”型辐射缝隙端印刷微带线并与矩形贴片保持2μm的距离，在衬底的背面印刷接地板，接地板覆盖在整个衬底的背面；

3)将上述制备的天线进行打孔，为天线接入同轴馈电端口和微带线馈电端口；

其中L₁为“C”型辐射缝隙左侧缝隙的长度与“E”型辐射缝隙右侧缝隙的长度；L₂为“C”型辐射缝隙内侧缝隙的长度；W₁为“E”型辐射缝隙上下两端缝隙的长度；W₂为“E”型辐射缝隙中部缝隙的长度；d为“E”型辐射缝隙中部辐射缝隙的宽度；S为“C”、“E”型辐射缝隙之间的间距。