CN110707422A - 一种双曲超材料平面天线 - Google Patents
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Abstract
一种双曲超材料平面天线,包括接地板、双曲超材料结构层、基片以及辐射天线;所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成,形成在所述接地板上;在所述双曲超材料层上形成有所述基片;在所述基片上形成有所述辐射天线。所述双曲超材料平面天线结构易于生产和制造,能够有效提高平面天线的增益及抗干扰能力,易于与其他设备集成,并且不易损坏。
Description
技术领域
本发明涉及平面天线技术领域,尤其是涉及一种基于双曲超材料的太赫兹平面天线。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz、对应波长在3mm-30μm波段内的电磁波。其介于微波与红外可见光之间,处于电子学向光子学的过渡领域。太赫兹波通信具有非常大的潜力,相对于微波通信,太赫兹通信带宽更宽,因此通信传输的容量更大,速度更快;并且太赫兹通信具有更好的保密性及抗干扰能力,因此可以进行更加可靠安全的通信。相比于光通信,太赫兹波波长较长,具有更好的穿透沙尘烟雾的能力,可以实现全天候的工作。因此太赫兹波以极高的带宽在高保密卫星通信及无线通信上有着广阔的应用前景。
太赫兹天线是太赫兹无线通信系统中重要的器件之一,其中太赫兹平面天线因其尺寸小、质量轻、在大多数实际的太赫兹系统中很容易与其他平面器件集成、易于加工并且价格便宜,因而被广泛研究和使用。太赫兹平面天线由金属接地板,电介质基片,辐射单元以及馈源组成,可以看成是微波波段的平面天线按照频率比缩放而得。但与微波平面天线不同,太赫兹平面天线性能由于电介质基片在太赫兹波段下发生表面波激发和天然材料缺乏固有响应而显著退化,其辐射效率不高,因此天线增益整体不高,这也成为未来太赫兹无线通信系统发展的重大问题之一。
双曲超材料是一种由人工设计的微结构组成的材料,通过设计超材料的结构单元,使其对电场和磁场产生相应的谐振,从而可以有效地调控其有效介电常数ε和有效磁导率μ。双曲超材料结构具备良好的负折射、反Cerenkov辐射以及逆多普勒等诸多效应。目前,双曲超材料分为层状双曲超材料结构和纳米线双曲超材料结构。2014年,Caner Guclu等人在600nm波长提出将纳米颗粒和偶极子作为辐射单元放置在银-二氧化硅多层双曲超材料中,可实现纳米天线辐射特性增强100倍。同年,该组研究了在400THz波段银-硅多层双曲超材料附近偶极子阵列和贴片阵列的电磁波传播特性。在以上双曲超材料结构中,由于研究都在光波段,因而大多使用金属作为多层结构的一部分,但在太赫兹波段,金属由于其损耗过大将不再适用。此外,由于双曲超材料均是与复杂的辐射天线结构相结合,导致天线整体结构复杂,不易于加工,不易于与其他器件集成。
目前,提高太赫兹平面天线增益主要有三种处理方法:将天线放置于介质透镜上、将电介质基片厚度做得很薄、以及将电介质基片做成电磁带隙结构。相应的平面天线分别称为:透镜天线、薄膜天线和电磁带隙天线。但是这三种方法仍然存在着以下缺点:(1)透镜天线使得平面天线不再平面化,不易于与其他器件集成;(2)薄膜天线电介质基片太薄,容易损坏;(3)电磁带隙天线设计复杂,不易于加工。
发明内容
针对以上存在的技术问题,本申请提出了一种基于半导体-电介质多层双曲超材料的太赫兹高增益平面天线,利用了双曲超材料结构特性可将传播中的电磁波聚集,进而整体上提高了太赫兹平面天线的增益,同时,本申请的太赫兹平面天线易于与其他器件集成,不易损坏且制造方便。
本申请提出了一种双曲超材料平面天线,其包括接地板、双曲超材料结构层、基片以及辐射天线;所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成,形成在所述接地板上;在所述双曲超材料层上形成有所述基片;在所述基片上形成有所述辐射天线。
优选为,所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成,形成在所述接地板上的具体结构为:在所述接地板上形成一层半导体层,然后在所述半导体材料层上再形成一层电介质层;依次顺序,直至层叠至所述双曲超材料层所需的层数。
优选为,在工作频率范围内,所述双曲超材料层的等效介电常数εreff的平行分量ε||和垂直分量ε⊥为一正一负。
优选为,所述半导体层具有厚度tm,所述电介质层具有厚度td;所述双曲超材料结构层的总厚度远小于天线的工作波长,即∑(tm+td)<<λ。
优选为,在工作频率范围内,所述双曲超材料结构层中形成所述半导体层的半导体材料和形成所述电介质层的电介质材料,满足在工作频率范围内所述半导体材料和所述电解质材料具有介电常数实部为一负一正。
优选为,在工作频率范围内,所述电介质材料的介电常数实部为正,所述半导体材料的介电常数实部为负。
优选为,所述半导体层由锑化铟材料形成,所述电介质层由二氧化硅形成。
优选为,所述半导体层的厚度为tm=0.2μm~1μm。
优选为,所述电介质层的厚度为td=0.2μm~1μm。
优选为,所述电介质层的厚度和所述半导体层的厚度相等。
优选为,所述双曲超材料层的层数为4-8层。
优选为,所述辐射天线的共振频率范围为0.1-10THz。
优选为,所述辐射天线为领结形天线结构;所述辐射天线具有两个相互对称的三角形结构的天线单元;所述天线单元两个天线单元之间的长度L1=140μm,所述天线单元远离所述顶角一侧的宽度为W1=140μm,两个天线单元之间的间隙g=5μm。
与现有技术相比,针对太赫兹领域的特点,本申请从平面天线结构出发,结合特定结构的双曲超材料结构层,形成具有双曲超材料的平面天线结构。本发明的有益效果在于:
(1)所述双曲超材料平面天线较于现有的太赫兹波段的平面天线,能够实现天线的平面化结构,使其易于与其他相关器件相互集成;
(2)整体结构具有一定的厚度,且可以选择的半导体材料和电介质材料范围广,能够根据不同的使用环境形成具有一定厚度和强度的结构,不易损坏;
(3)本申请的双曲超材料平面天线的整体结构为层状结构,整体结构设计简单,易于生产加工;
(4)基于半导体层和介质层的双曲超材料层结构,使得本申请的所述双曲超材料平面天线能够在太赫兹波段内形成有效的提高平面天线的增益,同时获得优秀的抗干扰能力。
附图说明
附图1:本发明一种基于双曲超材料的太赫兹平面天线结构示意图。
附图2:锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构的等效介电常数的垂直分量与平行分量。
附图3:本发明领结形天线辐射单元示意图(俯视图)。
附图4:实施例1加载双曲超材料和未加载双曲超材料的天线回波曲线和天线方向图。
附图5:使用不同层数的双曲超材料的太赫兹平面天线回波曲线和天线方向图。
附图6:使用单层不同厚度的双曲超材料的太赫兹平面天线回波曲线和天线方向图。
具体实施方式
本说明书所提到的上、下、左、右等表示方向特征的词汇,只在于针对附图中的内容将技术方案阐述清楚,并不对本说明书中所记载的技术方案的方向产生实质性限定作用。即,可将上、下、左、右理解为,第一侧、第二侧、第三侧、第四侧,或者第一方向、第二方向、第三方向、第四方向,或者与此类似的解释。
如图1所示为太赫兹平面天线的结构示意图,其结构包括接地板1、双曲超材料结构层2、基片3、辐射天线4。所述接地板1由金属材料形成,所述金属材料优选为金、银、铜等,所述接地板1的厚度优选在100nm-200nm的范围内。
在所述接地板1上形成有所述双曲超材料结构层2,所述双曲超材料结构层2为由半导体层21与电介质层22交替叠加形成。其中,每个半导体层21的厚度为tm,每个所述电介质层22的厚度为td。优选为,在工作频率范围内,所述双曲超材料结构层2的总厚度远小于天线的工作波长λ,即∑(tm+td)《λ,此时,可通过有效介质理论(MIT)计算出其等效介电常数。所述双曲超材料层2的等效介电常数εreff的平行分量ε||和垂直分量ε⊥为一正一负,即(ε||>0且ε⊥<0)或者(ε||<0且ε⊥>0)。所述双曲超材料结构层2中,所述半导体层21由半导体材料形成,所述电介质层22由电介质材料形成。优选的半导体材料的等离激元频率应当在0.1-10THz范围,满足在太赫兹频段内所述半导体材料与所述电介质材料的介电常数实部为一负一正。由于所述电介质材料的介电常数的实部通常为正,因此优选所述半导体材料的介电常数实部为负。为了使得所述双曲超材料结构层2能够在太赫兹工作频段内提高所述平面天线整体的增益,所述半导体层21的厚度优选为0.2μm~1μm;所述电介质层22的厚度优选为0.2μm~1μm;所述双曲超材料层2的总层数优选为为4-8层。
在所述双曲超材料结构层2的上层形成有基片3,所述基片3由电介质材料形成。形成所述基片3的电介质材料可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得;其中,高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料或FR-4复合材料等。
在所述基片3的上层形成有辐射天线4,所述辐射天线4可以为长方形、领结形、对数周期形、螺旋形等平面天线结构,所述辐射天线4的尺寸应保证其在0.1-10THz的范围内能够形成共振。
通过对双曲超材料层2形成的多层材料结构,使得所述双曲超材料层2能够与辐射天线4形成平面化的结构,不仅易于生产加工,而且所述平面化的结构能够使得本申请的所述双曲超材料平面天线整体与其他器件之间的集成更为方便。此外,半导体层和介质层形成的双曲超材料层结构,能够有效提高平面天线的增益,同时还能够为平面天线带来优秀的抗干扰能力。
以下各实施例中的回波曲线图和天线方向图,均是通过本领域技术人员惯用的计算和仿真模型,仿真模拟获得的。具体为,根据各实例中具体选择的结构和材料的相应参数,经过本领域技术人员惯用的Drude模型在Matlab中进行计算,然后将得到的数据导入HFSS仿真软件,在HFSS仿真软件中根据所输入的数据建立常规的天线和双曲超材料的模型,获得回波曲线和天线方向图等仿真结果。
以下,通过具体的实施例进一步详细阐述本申请的技术方案。
实施例1
本实施例所涉及的双曲超材料太赫兹平面天线,其三维结构如附图1所示。其整体结构包括接地板1、双曲超材料结构层2、基片3、辐射天线4。所述接地板1为由金制成厚度均匀的金属层,其厚度为t2=200nm。所述双曲超材料结构层2由半导体层21与电介质层22交替叠加形成,所述半导体层21由锑化铟材料形成,其介电常数可由德鲁德模型(Drude模型)计算得来。所述锑化铟材料的介电常数在太赫兹频率一定范围内实部为负,且虚部较小,因此符合双曲超材料的设计要求,并且在太赫兹波段产生的损耗也较小。所述电介质层22由二氧化硅形成,其在太赫兹波段的介电常数为4。
在本实施例中,在所述接地板1上先形成一层半导体层21,然后在所述半导体层21上再形成一层电介质层22。按此顺序,由所述半导体层21和所述电介质层22交替层叠,共层叠4层,即包括2个半导体层21和2个电介质层22。其中,每个半导体层21的厚度为tm=0.5μm,每个所述电介质层22的厚度为td=0.5μm。
附图2为本实施例中锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构的等效介电常数εreff的垂直分量与平行分量示意图。由图中可以看出,所述等效介电常数εreff的垂直分量与平行分量在1.0-1.85THz的范围内,均保持一正一负。也就是说,所述天线的工作频率应选择在此范围内。
由所述接地板1、双曲超材料结构层2和基片3所形成的这个整体结构为一长方体结构,且该长方体结构的长为L=640μm,宽为W=340μm。
附图3为本实施例太赫兹平面天线的辐射天线4的结构图,所述辐射天线4采用领结形天线结构。所述辐射天线4具有两个沿同一对称轴相互对称且顶角相对设置的三角形结构的天线单元41,所述天线单元41相互邻近的两个顶角位置均连接有传输线42,两个所述传输线42均与所述对称轴平行设置,且相对于所述对称轴对称设置。为使得所述辐射天线4的工作频率在THz范围内,即0.1-10THz的范围内,本实施例中示例性的选择所述辐射天线4的尺寸和结构为:所述辐射天线4的两天线单元41沿垂直所述对称轴方向的最大宽度为长度L1=140μm,单个所述天线单元41远离所述顶角一侧的宽度为W1=140μm,两个天线单元41之间的间隙g=5μm。在所述两个传输线42的间隙内,设置有馈源43,所述馈源43采用共面波导(CPW)的方式进行馈电。根据所需工作频率的大小及范围,本领域技术人员容易根据需要设置所述辐射天线4的具体尺寸和结构,及频率越小天线尺寸越大,频率越大天线尺寸越小。因此,本实施例所选用的辐射天线4的具体结构和尺寸,并不会限制所述双曲超材料结构对平面天线整体增益作用效果,本领域技术人员可以根据现有技术指导及工作频率范围来选择合适的辐射天线4的具体结构和尺寸。
附图4(a)为加载双曲超材料和未加载双曲超材料的其他结构相同的平面天线的回波曲线,附图4(b)加载双曲超材料和未加载双曲超材料的天线方向图。图中实线所示,为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的回波曲线和天线方向图。附图4(a)中,回波曲线横坐标为频率,纵坐标为回波损耗分贝值;附图4(b)中,天线方向图圆周方向坐标为角度,径向坐标为增益值。回波曲线图中,小于-10dB的频段即为天线的工作频率带宽,回波曲线波谷位置代表天线的共振频率即天线的工作中心频率。由图4(a)中可以看出天线的工作频率带宽为1.1THz~1.17THz,天线的工作中心频率为1.13THz。天线方向图用于表现天线向外辐射的场,其主瓣幅值代表天线的增益。从图4(b)可以看出天线的增益为9.67dB。
作为对比,附图4(a)和附图4(b)中虚线所示为在结构尺寸未改变的情况下,未使用双曲超材料结构层的太赫兹平面天线的回波曲线图和天线方向图。由附图4(a)可以看出天线的工作频率带宽为1.09THz~1.16THz,天线的工作中心频率为1.12THz。从附图4(b)可以看出,未使用双曲超材料结构的天线增益为8.45dB,明显小于图4(b)中实线所示的9.67dB。
由此可知,通过本实施例所记载的双曲超材料结构层,能够明显提高平面天线的增益,尤其是在太赫兹的工作频段内。
实施例2
在实施例1所记载天线的基础上,仅改变所述双曲超材料结构层2的总层数。本实施例中,所述双曲超材料结构层2的总层数为6,即所述接地板1上先形成一层半导体层21,在所述半导体材料层21上再形成一层电介质层22。依次顺序,交替形成所述半导体层21和所述电介质层22,直至形成总层数为6层的双曲超材料结构层2。
附图5所示,附图5(a)和(b)中所示的深色实线(Refernce)为在实施例1所述结构的基础上,其他结构尺寸未改变的情况下,未使用双曲超材料结构层的太赫兹平面天线的回波曲线和天线方向图,作为与其他方案参数对比的参考曲线。附图5(a)中,回波曲线横坐标为频率,纵坐标为回波损耗分贝值;附图5(b)中,横坐标为角度,纵坐标为增益值。附图5(a)中浅色实线(6layers)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的回波曲线图,由图中可以看出天线的工作频率带宽为1.09THz~1.15THz,天线的工作中心频率为1.12THz。附图5(b)中的浅色实线(6layers)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的天线方向图,从天线方向图可以看出,天线增益为9.2dB,大于未使用双曲超材料结构的天线增益(8.45dB)。
通过本实施例所记载的双曲超材料结构层,在工作频段内能够明显提高平面天线的增益。
实施例3
在实施例1所记载天线的基础上,仅改变所述双曲超材料结构层2的总层数。本实施例中,所述双曲超材料结构层2的总层数为8,即所述接地板1上先形成一层半导体层21,在所述半导体材料层21上再形成一层电介质层22,交替往复直至形成总层数为8层的双曲超材料结构层2。
附图5(a)中浅色虚线(8layers)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的回波曲线图,由图中可以看出天线的工作频率带宽为1.08THz~1.14THz,天线的工作中心频率为1.11THz。附图5(b)中的浅色虚线(8layers)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的天线方向图,从天线方向图可以看出,天线增益为8.7dB,大于未使用双曲超材料结构的天线增益(8.45dB)。
因此,通过本实施例所记载的总层数为8层的双曲超材料结构层,同样能够在工作频段内明显提高平面天线的增益。
双曲超材料结构层的总层数在4-8之间变化的过程中,由附图5(a)可以看出,工作频率带宽的变化非常小,基本处于一个稳定的频率带宽范围,并且与未使用双曲超材料结构层的平面天线相比变化不大。由附图5(b)可以看出,随着双曲超材料结构层的总层数的增加,双曲超材料的损耗也会相应增加,会对天线的增益产生一定的影响,因此所述双曲超材料平面天线的增益逐渐降低,且逐渐接近未使用双曲超材料结构层的太赫兹平面天线的增益值。也就是说,所述双曲超材料结构层的总层数越少,所述平面天线整体获得的增益越高。因此,本申请的实施例中优选了所述双曲超材料结构层的总层数为4-8层的技术方案,作为优选实施例。
实施例4
在实施例1所记载天线的基础上,仅改变半导体层21和电介质层22的厚度,即每个半导体层21的厚度为tm=0.2μm,每个所述电介质层22的厚度为td=0.2μm。
附图6所示,附图6(a)和(b)中所示的深色实线(Refernce)为在实施例1的基础上,在其他结构尺寸未改变的情况下,未使用双曲超材料结构的太赫兹平面天线的回波曲线图和天线方向图,作为与其他方案参数对比的参考曲线。附图6(a)中,回波曲线横坐标为频率,纵坐标为回波损耗分贝值;附图6(b)中,横坐标为角度,纵坐标为增益值。附图6(a)中浅色实线(0.2μm)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的回波曲线图,由图中可以看出天线的工作频率带宽为1.1THz~1.16THz,天线的工作中心频率为1.13THz。附图6(b)中的浅色实线(0.2μm)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的天线方向图,从天线方向图可以看出,其天线增益为10.08dB,大于未使用双曲超材料结构的天线增益(8.45dB)。
由此可知,通过本实施例所记载的双曲超材料结构层,能够明显提高平面天线的增益,尤其是在太赫兹的工作频段内。
实施例5
在实施例1所记载天线的基础上,仅改变半导体层21和电介质层22的厚度,即每个半导体层21的厚度为tm=1μm,每个所述电介质层22的厚度为td=1μm。
附图6(a)中浅色虚线(1μm)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的回波曲线图,由图中可以看出天线的工作频率带宽为1.08THz,天线的工作中心频率为1.11THz。附图5(b)中的浅色虚线(1μm)为本实施例中的双曲超材料太赫兹平面天线的天线方向图,从天线方向图可以看出,其天线增益为8.67dB,大于未使用双曲超材料结构的天线增益(8.45dB)。
因此,本实施例所记载的双曲超材料结构层,同样能够在工作频段内明显提高平面天线的增益。
双曲超材料结构层的半导体层和电介质层的厚度在为tm=0.2μm~1μm,td=0.2μm~1μm的范围内变化过程中,由附图6(a)可以看出,天线的中心工作频率均小于未使用双曲超材料结构的天线的中心工作频率,且随着半导体层和电介质层厚度的增加所述中心工作频率向低频方向偏移,这个整体工作频率带宽的变化很小,基本上处于一个稳定的带宽宽度范围。由附图6(b)可以看出,随着半导体层和电介质层厚度的增加,双曲超材料的损耗也会相应增加,会对天线的增益产生一定影响,因此所述双曲超材料平面天线的增益逐渐降低,且逐渐接近未使用双曲超材料结构层的太赫兹平面天线的增益值。也就是说,所述双曲超材料结构层的半导体层和电介质层的厚度越小,所述平面天线整体获得的增益越高。因此,本申请的实施例中优选了所述双曲超材料结构层的半导体层和电介质层的厚度在tm=0.2μm~1μm,td=0.2μm~1μm的范围内的技术方案,作为优选实施例。
综上所述,本发明涉及的双曲超材料太赫兹平面天线,通过双曲超材料结构与太赫兹平面天线的结合,利用了双曲超材料结构特性可将传播中的电磁波聚集,能够有效提高平面天线的增益及抗干扰能力。整个天线结构,不仅方便生产和制造,同时还具有易于与其他设备集成,不易损坏的特点。
上面所述的只是用图解说明本发明的一些实施方式,由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动,因此本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内,故凡是所有可能被利用的相应修改及等同物,均属于本发明所申请的专利范围。
Claims (13)
1.一种双曲超材料平面天线,包括接地板、双曲超材料结构层、基片以及辐射天线;
在所述接地板上形成有所述双曲超材料结构层;
所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加而成;
在所述双曲超材料层上形成有所述基片;
在所述基片上形成有所述辐射天线。
2.如权利要求1所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成,形成在所述接地板上的具体结构为:在所述接地板上形成一层半导体层,然后在所述半导体材料层上再形成一层电介质层;依次顺序,直至层叠至所述双曲超材料层所需的层数。
3.如权利要求1或2所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,在工作频率范围内,所述双曲超材料层的等效介电常数εreff的平行分量ε||和垂直分量ε⊥为一正一负。
4.如权利要求3所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述半导体层具有厚度tm,所述电介质层具有厚度td;所述双曲超材料结构层的总厚度远小于天线的工作波长,即∑(tm+td)<<λ。
5.如权利要求4所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,在工作频率范围内,所述双曲超材料结构层中形成所述半导体层的半导体材料和形成所述电介质层的电介质材料,满足在工作频率范围内所述半导体材料和所述电解质材料具有介电常数实部为一负一正。
6.如权利要求5所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,在工作频率范围内,所述电介质材料的介电常数实部为正,所述半导体材料的介电常数实部为负。
7.如权利要求6所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述半导体层由锑化铟材料形成,所述电介质层由二氧化硅形成。
8.如权利要求1-7中任一项所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述半导体层的厚度为tm=0.2μm~1μm。
9.如权利要求1-8中任一项所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述电介质层的厚度为td=0.2μm~1μm。
10.如权利要求1-9中任一项所述的双曲高材料平面天线,其特征在于,所述电介质层的厚度和所述半导体层的厚度相等。
11.如权利要求1-10中任一项所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述双曲超材料层的层数为4-8层。
12.如权利要求1所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述辐射天线的共振频率范围为0.1-10THz。
13.如权利要求12所述的双曲超材料平面天线,其特征在于,所述辐射天线为领结形天线结构;所述辐射天线具有两个相互对称的三角形结构的天线单元;所述天线单元两个天线单元之间的长度L1=140μm,所述天线单元远离所述顶角一侧的宽度为W1=140μm,两个天线单元之间的间隙g=5μm。
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