CN110880642B - 一种近零折射率超材料天线 - Google Patents
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Abstract
一种近零折射率超材料天线，包括接地板、介质基底、辐射单元和超材料结构层；在所述接地板上形成有所述介质基底；所述辐射单元形成在所述介质基底上；在所述辐射单元上侧形成有超材料结构层；所述超材料结构层在近零折射率频率点附近具有趋近于零的折射率，且所述近零折射率频率点在所述辐射单元的中心频率附近；所述超材料结构层由半导体层和介质层交替叠加而成。所述近零折射率超材料天线结构简单，能够有效的简化了太赫兹平面天线结构的设计过程，有助于提高近零折射率超材料太赫兹平面天线的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种超材料天线，特别是涉及一种基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线。
背景技术
超材料是一种由人工设计微结构组成的材料，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，从而有效地调控材料的有效介电常数和有效磁导率，近而实现自然界中所不存在的负折射率或零折射率。1968年，Veselago提出了一种假设的材料同时具有负介电常数和负磁导率。在这种材料中，电场、磁场与波矢服从左手定则。1996年，Pendry设计了周期性排列的金属线(Strip Wire，SW)实现了微波频段内负等效介电常数，在此基础上，Pendry于1999年提出了一种周期开口谐振环(Split Resonator Ring，SRR)实现负等效磁导率。2000年，Smith通过细金属丝和开口环谐振环周期排列的人工结构首次实现了双负(Double Negative，DNG)超材料。自此，超材料的研究进入了一个快速发展阶段，超材料展现出了一系列特殊的性质，如亚波长衍射、逆Cerenkov辐射、逆多普勒效应、逆Goos-Hanchen位移效应等。其中，一种折射率等于0或接近0的超材料也引起了人们的重视，它可以用来实现高增益的定向辐射。根据折射定律：
n1sinθi＝n2sinθt (1)
其中，θi，θt为入射角和反射角。将近零折射率材料(n1＝0)置于辐射源上方，折射波将垂直于零折射率材料的方向出射到空气中n1＝1。如图1所示，高定向性辐射即以实现。
Enoch等人第一次实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能量将被限制在周围介质一个狭小的圆锥区域内，即通过利用零折射率材料的特性，能量辐射的方向性得到了很大的改善。相关研究中，翁子彬也实现了双频带和双极化的定向辐射天线。
随着相关技术的发展，用周期性交替叠加的多层结构可以实现近零介电常数，进而实现近零折射率的超材料。这种超材料因其结构简单，可以通过成熟的现代薄膜沉积技术实现，而受到人们的关注。2012年，Jie Gao等人通过实验实现了金/三氧化二铝多层结构在光波段的近零介电常数特性。2013年，密苏里科技大学杨晓东研究小组从实验上制备了由金属(Ag)和锗(Ge)的多层膜组成红外和可见光波段的ENZ(ε趋于0，ε-Near-Zero)超材料。2013年，Ruben Maas等人通过实验实现了银/氮化硅多层结构在可见光波段具有近零介电常数特性。2013年，Parikshit Moitra等人通过实验实现了全介质多层结构(硅/二氧化硅)在可见光波段的近零介电常数特性。
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而被广泛研究和使用。太赫兹平面天线一般由金属接地板，介质基底，辐射元以及馈源组成，可以看成是微波波段的微带天线按照频率比缩放而得。
现有技术中仍然存在以下技术问题：(1)与微波平面天线不同，由于介质基底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，而导致平面天线在太赫兹波段的性能显著退化，平面天线的辐射效率不高也导致了天线增益整体不高。因此太赫兹平面天线增益不高，将成为未来阻碍太赫兹无线通信系统的重大问题之一。(2)由于在太赫兹波段，金属会生产较大的损耗，现有技术中所涉及的近零折射率超材料并不能直接适用于太赫兹波段的应用，无法保持近零折射率超材料太赫兹波段下实现相应的性能。(3)对于工作在微波或更长波段的超材料，因为工作波长较长，现有技术中主要通过在介质基板上刻蚀周期排列的金属单元实现该波长范围内的超材料，如介电常数等于零的超材料采用周期排列的亚波长树枝形、“工”形、线型等结构。然而，由于现有技术的设计结构过程冗长繁复，需要经过不断的仿真设计实验验证是否在需要的波段实现了近零折射率特性，因此鲜有文章提及。如何通过对于超材料及平面天线的设计，从而简化结构设计过程，使得能够快速的获得所需近零折射率超材料的尺寸、天线尺寸等各类参数，已成为亟待解决的问题。
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近零折射率超材料的太赫兹平面天线，利用半导体/介质多层结构实现近零折射率超材料，将其作为天线的覆层，可有效提高天线的增益，改善天线的方向性。根据有效介质理论(MIT)可以推导出多层结构垂直方向上的介电常数为零点即为半导体介电常数为零点，因此可通过掺杂改变载流子浓度，或者电压控制半导体的导电率等方法，实现有效折射率零点频率的偏移，为扩展太赫兹天线的应用场景提供了便利。此外，本发明将半导体/介质多层结构作为天线结构的零折射率超材料覆层，相比于传统的零折射率超材料结构，本发明所涉及的零折射率超材料结构简单，有效的简化了太赫兹平面天线结构的设计过程，有助于提高近零折射率超材料太赫兹平面天线的利用效率，从而有助于拓展近零折射率超材料太赫兹平面天线的应用场景及应用范围。
本申请涉及一种近零折射率超材料天线，包括接地板、介质基底、辐射单元和超材料结构层；在所述接地板上形成有所述介质基底；所述辐射单元形成在所述介质基底上；在所述辐射单元上侧形成有超材料结构层；所述超材料结构层在近零折射率频率点附近具有趋近于零的折射率，且所述近零折射率频率点在所述辐射单元的中心频率附近；所述超材料结构层由半导体层和介质层交替叠加而成。
优选为，在所述介质基底与所述超材料结构层之间还包括支柱，所述支柱用于将所述基底材料和所述超材料结构层隔开一定距离H。
优选为，所述超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成，其具体结构为：在所述支柱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，直至层叠至所述超材料结构层所需的层数N。
优选为，所述接地板为矩形，其长度LG≥67.6μm，宽度WG≥78.8μm，进一步优选为，LG＝WG＝150μm。
优选为，所述辐射单元为矩形，其长度L＝17.5μm，宽度W＝30.78μm；馈电点位于沿长度方向距所述辐射单元的中心距离为3.2μm的位置。
优选为，所述半导体层由锑化铟材料制成，所述介质层由二氧化硅材料形成。
优选为，所述半导体层与所述介质层的厚度相等。
优选为，所述半导体层的厚度tm＝0.5μm-1μm；所述介质层的厚度td＝0.5μm-1μm。
优选为，所述支柱的高度H＝10-30μm。
优选为，所述超材料结构层的总层数N＝6-14。
本申请还涉及一种如前所述的近零折射率超材料天线设计方法，包括：步骤1，在所述超材料结构层的总厚度远小于工作波长，即∑(tm+td)＜＜λ的情况下，可通过有效介质理论获得超材料结构层的有效介电常数随入射波长λ的变化曲线；其中，tm为所述半导体层的厚度，td为所述介质层的厚度；步骤2，通过步骤1获得的有效介电常数，获得所述超材料结构层的近零介电常数所在频率点，进而获得所述超材料结构层的近零折射率所在频率点；步骤3，根据所述近零折射率所在频点，确定所述辐射单元为长方形结构，确定辐射单元的长度L和宽度W，以及馈电点的那位置；步骤4，针对所述辐射单元进行仿真，以进一步优化所述辐射单元的参数；步骤5，针对包括所述辐射单元和所述超材料结构层的所述近零折射率超材料天线进行仿真，以获得所述近零折射率超材料天线的仿真结果，确定所述近零折射率超材料天线的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明涉及的一种基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线将近零折射率超材料作为太赫兹平面天线的覆层可有效提高天线的增益，改善天线的方向性。
2.半导体/介质多层结构可通过简单的薄膜沉积方法实现，制作简单。
3.本发明涉及的半导体/介质多层结构作为天线结构的近零折射率超材料覆层，根据有效介质理论(MIT)可以推导出多层结构垂直方向上的介电常数为零点即为半导体介电常数为零点，半导体介电常数可利用Drude模型计算得出，有效简化了太赫兹平面天线结构设计过程中的计算过程，使得在天线设计过程中能够根据工作频率快速获得更有效的近零折射率超材料覆层，有助于提高近零折射率超材料太赫兹平面天线的利用效率，从而有助于拓展近零折射率超材料太赫兹平面天线的应用场景及应用范围。
4.近零折射率超材料使用了半导体材料，半导体材料可通过掺杂改变载流子体浓度或者电压控制半导体的导电率等方法可实现近零折射率频率点的偏移，为扩展太赫兹天线的应用场景提供了便利。
附图说明
附图1：近零折射率定向辐射示意图。
附图2：近零折射率超材料太赫兹平面天线结构示意图。
附图3：天线结构层的结构俯视图图。
附图4：天线结构层的结构侧视图图。
附图5：锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构的等效介电常数实部随频率变化图。
附图6：锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构的等效介电常数虚部随频率变化图。
附图7：天线结构层回波曲线图。
附图8：(a)未使用近零折射率超材料和使用近零折射率超材料的太赫兹平面天线的回波曲线；(b)未使用近零折射率超材料和使用近零折射率超材料的太赫兹平面天线在xoz平面内的天线方向图；(c)未使用近零折射率超材料和使用近零折射率超材料的太赫兹平面天线在yoz平面内的天线方向图。
附图9：(a)支柱的高度分别为H＝15、20、30μm时的回波曲线图；(b)支柱的高度分别为H＝15、20、30μm时在xoz平面内的天线方向图；(c)支柱的高度分别为H＝15、20、30μm时在yoz平面内的天线方向图。
附图10：(a)半导体层tm和介质层的厚度td分别为tm＝td＝0.5、1μm时的回波曲线图；(b)tm＝td＝0.5、1μm时在xoz平面内的天线方向图；(c)tm＝td＝0.5、1μm时在yoz平面内的天线方向图。
附图11：(a)近零折射率超材料层的总层数N＝6、10、14时的回波曲线图；(b)总层数N＝6、10、14时在xoz平面内的天线方向图；(c)总层数N＝6、10、14时在yoz平面内的天线方向图。
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。本说明书及说明书附图中所提到的坐标系方向，与辐射单元3的长度L平行的方向设为x轴，与所述辐射单元3的宽度W平行的方向设为y轴。
实施例1
本实施例涉及的基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线，其结构如图2所示。所述天线包括接地板1，介质基底2，辐射单元3以及超材料结构层4。
所述接地板1优选为形成在所述介质基底2下表面的金属层，形成所述金属层的材料优选为铜或金。在所述接地板1上为所述介质基底2，所述介质基底2的相对介电常数为εr，优选为砷化镓或者硅等介电常数相对大的材料形成，如砷化镓介电常数为12.9，硅介电常数为11.9。所述介质基底2和接地板1的横向截面形状优选为矩形；进一步优选为，所述接地板1和介质基底2的截面尺寸一致，且长度为LG，宽度WG；所述介质基底2的厚度为h。
参见附图3和4，在所述介质基底2上表面上形成有辐射单元3，所述辐射单元3可以为微带天线、偶极子平面天线、领结形平面天线、对数周期形平面天线、螺旋形平面天线以及喇叭口径天线等常用天线形式，所述辐射单元3的尺寸应保证其在太赫兹(0.1-10THz)范围内共振。本实施例中，所述辐射单元3为微带贴片天线结构，包括矩形结构的辐射单元3，所述辐射单元3的长度为L，宽度为W。如图3所示，所述辐射单元3的长度L为所述辐射单元3在x轴平行的方向上的宽度，所述宽度W为所述辐射单元3在y轴平行的方向上的宽度。所述辐射单元3优选为金属材料形成，优选为铜或金。
所述辐射单元3上的馈电点5连接有馈线6，所述馈线6的馈电方式为同轴馈电方式。所述馈线6穿过所述介质基底2，从位于所述介质基底2下表面的馈线孔7穿出。参见附图3，若将所述辐射单元3的中心位置设为坐标原点，与所述辐射单元3的长度L方向设为x轴，将所述辐射单元3的宽度W方向设置为y轴，所述馈电点5的位置为(xf,yf)。
结合附图2所示，在所述介质基底2上表面的边缘处，形成至少一个支柱8，所述支柱8用于将所述超材料结构层4与所述辐射单元3之间隔开一段空间。所述支柱8的高度为H，由电介质材料形成。
所述超材料结构层4由半导体层41和介质层42交替叠加而成，所述半导体层41优选由等离子共振频率在工作频率范围内，且在工作频率范围内损耗小的材料形成；所述介质层42优选由在工作频率范围内损耗小的介质材料形成。
所述近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法如下：
步骤1，在所述超材料结构层4的总厚度远小于工作波长，即∑(tm+td)＜＜λ的情况下，可通过有效介质理论(MIT)获得超材料结构层4的有效介电常数随入射波长λ的变化曲线。
本实施例中，所述半导体层41由锑化铟材料形成，其介电常数可由Drude模型计算得到，厚度为tm；所述介质层42由二氧化硅材料形成，其介电常数为3.834，厚度为td。具体为，在所述支柱8上设置半导体层41，在所述半导体层41上设置一层介质层42，然后在所述介质层42上再设置一层半导体层41……如此叠加设置所述半导体层41和介质层42，直至形成总层数为N的超材料结构层4。其中，每个半导体层41的厚度均相同，且为tm；每个介质层42的厚度均相同，且为td。优选为，所述半导体层41和所述介质层42在x-y面内的截面与所述介质基底2在x-y面内的截面性状相同，且所述超材料结构层4的下表面与所述介质基底2的上表面平行。
所述超材料结构层4设置于所述辐射单元3上，其整体尺寸远小于工作波长，因此可以采用有效介质理论(MIT)计算其相对介电常数。根据有效介质理论：
ε||＝fεm+(1-f)εd (2)
其中，f是半导体填充率(f＝tm/(tm+td))，0<f<1，εm和εd分别是半导体和介质的相对介电常数。介质的相对介电常数始终大于零，本实施例中二氧化硅的相对介电常数为3.834。半导体的相对介电常数可由Drude模型计算出：
其中，ε∞为高频介电常数，ωp为等离激元共振频率，ω为输入频率，γe为碰撞频率。
本实施例中以锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构实现近零折射率超材料为例，锑化铟/二氧化硅的单层厚度为1μm。其中，二氧化硅的相对介电常数为3.834，锑化铟的相对介电常数由Drude模型得到，锑化铟的相对介电常数在matlab中根据推导公式示例性编写的计算代码如下：
锑化铟(InSb)/二氧化硅多层结构形成的所述超材料结构层4的等效介电常数可由有效介质理论(MIT)计算，在matlab中根据推导公式示例性编写的计算代码如下：
步骤2，通过步骤1获得的有效介电常数，获得所述超材料结构层4的近零介电常数所在频点，进而获得所述超材料结构层4的近零折射率所在频点。
具体地，由以上步骤1的公式获得有锑化铟和二氧化硅所组成的所述超材料结构层4的等效介电常数的实部和虚部随频率的变化曲线图，如图5和6所示。图5为等效介电常数的实部的变化曲线图，图6为等效介电常数的虚部的变化曲线图。图中，虚线为与界面平行方向的介电常数ε||的变化曲线图，实线为与界面垂直方向的介电常数ε⊥的变化曲线图。根据公式(2)和(3)可知，所述超材料结构层4的有效介电常数只与半导体层41和介质层42的厚度及介电常数有关。由图5和6可知，其近零折射率频率点在1.8485THz。
步骤3，根据所述近零折射率所在频点，确定所述辐射单元3为长方形结构，确定辐射单元3的长度L和宽度W，以及馈电点5的位置。
具体地，本实施例中，所述辐射单元3为长方形结构，辐射单元3的尺寸可以由以下公式计算出，所述辐射单元3的宽度W为：
其中，c表示真空中的光速，f0表示天线的工作频率，εr表示介质基底的介电常数。从等式中可以看出，当天线的工作频率和介质基底2的材料确定后，所述辐射单元3的宽度W为定值，此时若要优化天线的其他参数(如回波损耗，前后比，驻波比等)只需调节所述辐射单元3的长度L即可。
所述辐射单元3的长度L可表示为：
其中，εe表示有效介电常数，且
εr表示介质基底的介电常数；ΔL表示等效辐射缝隙长度，且
c表示真空中的光速，f0表示天线的工作频率；h为介质基底的厚度。
对于同轴馈电的所述天线，确定好所述辐射单元3的尺寸后，需确定所述馈电点5的位置，所述馈电点的位置会影响整个天线的输入阻抗。对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此在宽度W方向上的任一点都可以作为馈电点。为了避免激发高阶模，在W方向上馈电点的位置一般取在宽度W方向(即y轴方向)的中间位置，即：
yf＝0。 (7)
在长度L方向(即x轴方向)上，从中心到两端，阻抗逐渐增大，如下式：
其中，
εr表示介质基底的介电常数。
以上的公式推导，均是在接地板1的平面是无限大的基础上获得的。事实上，接地板1的面积是有限的，但理论分析证明当所述接地板1的平面比所述辐射单元3的尺寸多出的尺寸超过6h时，以上公式的结果就已经足够精确了。因此，所述接地板1的长度为LG和宽度WG需满足以下两式：
LG≥L+6h (9)
WG≥W+6h (10)
具体到本实施例中，所述天线工作于由锑化铟(InSb)/二氧化硅形成的所述超材料结构层4的近零折射率频率附近，因此其中心频率为1.8485THz。所述介质基底2为砷化镓，其相对介电常数εr＝12.9，厚度h＝8μm，天线使用同轴线馈电。由此可以确定所述天线的关键参数：工作频率f0＝1.8485THz；介质基底1的相对介电常数εr＝12.9；介质基底1的厚度h＝8μm。
根据上节给出的推导公式计算微带天线的尺寸，包括辐射单元3的长度L和宽度W，同轴线馈电的位置坐标(xf,yf)，以及接地板的长度LG和宽度WG。在matlab中根据推导公式编写的示例性的计算代码如下：
根据以上各步骤确定的天线具体参数为：所述辐射单元3的长度L＝19.65μm，宽度W＝30.78μm；馈电点的位置(3.2μm,0)，接地板的LG≥67.6μm，WG≥78.8μm，本实施例中选取LG＝WG＝150μm。所述半导体层41采用锑化铟材料制成，其介电常数由Drude模型计算，其厚度为tm＝1μm。所述介质层42采用二氧化硅材料形成，其介电常数为3.834，厚度为td＝1μm。所述超材料结构层4与所述介质基底2的上表面之间的高度，即所述支柱8的高度H＝10μm。所述半导体层41与所述介质层42均采用厚度均匀的长方体板交替堆叠，所述超材料结构层4的总层数N＝12。
步骤4，针对所述辐射单元进行仿真，以进一步优化所述辐射单元的参数。
本实施例中，仿真是通过有限元分析仿真软件(HFSS)完成。
附图7为通过仿真获得的所述天线结构的天线回波曲线图。图中，纵坐标为回波损耗，单位为dB；横坐标为频率，单位为太赫兹。图中曲线纵坐标小于-10db以下的频段，为所述天线结构的工作频率，曲线的波谷所对应的频率为所述天线结构的中心频率。为了将所述天线结构的中心频率维持在所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz，经仿真优化所述天线结构中的所述辐射单元3的长度为L＝17.5μm，其他各参数不变。
步骤5，针对包括所述辐射单元和所述超材料结构层的所述近零折射率超材料天线进行仿真，以获得所述近零折射率超材料天线的仿真结果，确定所述近零折射率超材料天线的性能。所述仿真结果，包括所述基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线的回波曲线图和天线方向图。
图8为未使用近零折射率超材料和使用近零折射率超材料的天线对比图，其中，虚线表示未使用近零折射率超材料天线的曲线，实线表示本实施例天线的曲线。具体地，图8(a)为天线的回波曲线。由图中可以看出，在将所述近零折射率超材料加载到所述天线结构上以后形成的所述基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线，其工作频率带宽明显变窄，而且波谷的最小值明显低于未加载所述近零折射率材料的所述天线结构，阻抗匹配良好。此外，由图8(a)还可以看出，所述基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线的中心频率向着高频方向产生了一定的偏移。而所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内，即位于回波曲线小于-10dB的频率范围内。由此可知，在所述天线结构上加载所述近零折射率材料结构层，对所述天线结构的工作频率带来的变化，不足以影响所述平面天线的正常工作，所述平面天线仍可在所述近零折射率频点附近正常工作。图8(b)是沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图8(c)是沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，未使用近零折射率超材料结构的天线增益为5.37dB，本实施例基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线的增益为7.79dB，增益提高了2.42dB。可见，所述平面天线的增益得到了显著的提高。另外，从图8(a)和8(b)可以看出，在xoz和yoz平面内，所述平面天线的主瓣显著变窄，即所述平面天线整体的方向性得到了显著的提高。
实施例2
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只改变所述支柱8的高度H＝15μm。经过仿真获得的结果如下。
图9(a)中的实线(15μm)为H＝15μm的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图9(b)中的实线(15μm)为本实施例的H＝15μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图9(c)中的实线(15μm)为本实施例的H＝15μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.59dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
实施例3
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只改变所述支柱8的高度H＝20μm。经过仿真获得的结果如下。
图9(a)中的虚线(20μm)为H＝20μm的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图9(b)中的虚线(20μm)为本实施例的H＝20μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图9(c)中的虚线(20μm)为本实施例的H＝20μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.59dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
实施例4
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只改变所述支柱8的高度H＝30μm。经过仿真获得的结果如下。
图9(a)中的点划线(30μm)为H＝30μm的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图9(b)中的点划线(30μm)为本实施例的H＝30μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图9(c)中的点划线(30μm)为本实施例的H＝30μm的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.04dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
从实施例1-4的仿真效果来看，在所述支柱8的高度H在10μm-30μm之间的变化过程中，由附图8(a)和9(a)可以看出，所述平面天线的中心频率向低频移动，工作频率的带宽逐渐变大。但是，所述平面天线的中心频率和工作频率的带宽变化很小，基本处于一个稳定的频率带宽范围内，而且工作频率的带宽均覆盖了所述双曲超材料结构层的近零折射率频点。
由附图8(b)、8(c)、9(b)和9(c)可以看出，所述支柱8的高度H在10μm-30μm之间的变化过程中(10μm：7.79dB，15μm：7.59dB，20μm：7.59dB，30μm：7.04dB)增益减小，也就是说，所述近零折射率超材料层与所述天线结构之间的距离越大，所述近零折射率超材料层对所述天线结构的影响越小，所述平面天线的增益会逐渐变弱。但整体增益与未使用近零折射率超材料的天线相比均得到了显著的提高。
因此，本申请的实施例中优选了所述支柱8的高度H在10μm-30μm的技术方案，作为优选实施例。
实施例5
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只改变所述近零折射率超材料层的所述半导体层和所述介质层的厚度，即所述半导体层的厚度tm＝0.5μm，所述介质层的厚度td＝0.5μm。
图10(a)中的虚线(tm＝td＝0.5μm)为本实施例的回波曲线图，实线为实施例1的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz(只与半导体本身的特性有关)仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图10(b)中的虚线(tm＝td＝0.5μm)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图，实线为相同截面内的实施例1的天线方向图；图10(c)中的虚线(tm＝td＝0.5μm)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图，实线为相同截面内的实施例1的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.44dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
从实施例1和5的仿真效果来看，在所述半导体层的厚度tm和所述介质层的厚度td在0.5-1μm的变化过程中，由图10(a)可以看出，所述平面天线的中心频率向高频移动，整个工作频率的带宽变化不大，整个工作频率带整体向低频方向移动。但是，所述平面天线的中心频率和工作频率的带宽变化很小，基本处于一个稳定的频率带宽范围内，而且工作频率的带宽均覆盖了所述双曲超材料结构层的近零折射率频点。
由附图10(b)和10(c)可以看出，所述半导体层的厚度tm和所述介质层的厚度td在0.5-1μm的变化过程中，随着厚度越大对波形的束形能力就会越强，使得所述平面天线的增益有所增加，整体增益与未使用近零折射率超材料的天线相比均得到了显著的提高。
因此，本申请的实施例中优选了所述半导体层的厚度tm和所述介质层的厚度td在0.5-1μm的技术方案，作为优选实施例。
实施例6
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只将超材料结构层4的总层数N变为N＝6。经过仿真获得的结果如下。
图11(a)中的实线(6layers)为本实施例的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图11(b)中的实线(6layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图11(c)中的实线(6layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.35dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
实施例7
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只将超材料结构层4的总层数N变为N＝10。经过仿真获得的结果如下。
图11(a)中的虚线(10layers)为本实施例的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485TH仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图11(b)中的虚线(10layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图11(c)中的虚线(10layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.65dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
实施例8
经过实施例1中所记载的近零折射率超材料的太赫兹平面天线结构设计方法，逐步确定所述平面天线的结构参数为，在实施例1的各参数的基础上，只将超材料结构层4的总层数N变为N＝14。经过仿真获得的结果如下。
图11(a)中的点划线(14layers)为本实施例的回波曲线图。由图中可以看出，回波曲线所述近零折射率超材料的近零折射率频点1.8485THz仍然包含在所述平面天线的工作频率范围内。图11(b)中的点划线(14layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的长度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的xoz平面内的天线方向图；图11(c)中的点划线(14layers)为本实施例的所述平面天线沿着所述辐射单元3的宽度方向，并且与所述辐射单元3的表面相垂直的方向上，获得的天线方向图，即附图3中的yoz平面内的天线方向图。由图中可以看出，本实施例的所述平面天线的增益为7.75dB，相比较于未使用近零折射率超材料结构的天线增益得到了显著的提高。
从实施例1和6-8的仿真效果来看，在所述超材料结构层4的总层数N在6-14之间的变化过程中，由附图8(a)和11(a)可以看出，所述平面天线的中心频率向低频移动，工作频率的带宽变化不大，整个工作频率频带向低频方向移动。但是，所述平面天线的中心频率和工作频率的带宽变化很小，基本处于一个稳定的频率带宽范围内，而且工作频率的带宽均覆盖了所述双曲超材料结构层的近零折射率频点。
由附图8(b)、8(c)、11(b)和11(c)可以看出，所述超材料结构层4的总层数N在6-14之间的变化过程中，所述平面天线的增益逐渐增加再慢慢趋近于饱和，在一定厚度范围内，厚度越大对波形的束形能力就越强，但当增加到一定厚度时，由于厚度的影响波的损耗会增加(6层：7.35dB，10层：7.65dB，12层：7.79dB，14层：7.75dB)。
因此，本申请的实施例中优选了所述超材料结构层4的总层数N在6-14的技术方案，作为优选实施例。
综上所述，本发明涉及的一种基于近零折射率超材料的太赫兹平面天线，利用了近零超材料作为平面天线的覆层，可有效提高天线的增益，改善天线的方向性。并且可通过掺杂改变所述半导体材料中的载流子浓度，或者通过电压控制所述半导体的电导率等方法，实现近零折射率频率点的偏移，为扩展太赫兹天线的应用场景提供了便利。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 (11)
1.一种近零折射率超材料天线，其特征在于，包括接地板、介质基底、辐射单元和超材料结构层；
在所述接地板上形成有所述介质基底；
所述辐射单元形成在所述介质基底上；
在所述辐射单元上侧形成有超材料结构层；所述超材料结构层在近零折射率频率点附近具有趋近于零的折射率，且所述近零折射率频率点在所述辐射单元的中心频率附近；
所述超材料结构层由半导体层和介质层交替叠加而成；
在所述介质基底与所述超材料结构层之间还包括支柱，所述支柱用于将所述介质基底和所述超材料结构层隔开一定距离H。
2.如权利要求1所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述超材料结构层由半导体层和介质层交替叠加形成，其具体结构为：在所述支柱上形成一层半导体层，然后在所述半导体层上再形成一层介质层；依此顺序，直至层叠至所述超材料结构层所需的层数N。
3.如权利要求2所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述接地板为矩形，其长度LG≥67 .6μm，宽度WG≥78.8μm。
4.如权利要求3所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，LG＝WG＝150μm。
5.如权利要求2-4任一项所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述辐射单元为矩形，其长度L＝17 .5μm，宽度W＝30 .78μm；馈电点位于沿长度方向距所述辐射单元的中心距离为3.2μm的位置。
6.如权利要求2所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述半导体层由锑化铟材料制成，所述介质层由二氧化硅材料形成。
7.如权利要求6所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述半导体层与所述介质层的厚度相等。
8.如权利要求6或7所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述半导体层的厚度tm＝0.5μm-1μm；所述介质层的厚度td＝0.5μm-1μm。
9.如权利要求6或7所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述支柱的高度H＝10-30μm。
10.如权利要求6或7所述的近零折射率超材料天线，其特征在于，所述超材料结构层的总层数N＝6-14。
11.一种如权利要求1-9中任一项所述的近零折射率超材料天线的设计方法，其特征在于，包括：
步骤1，在所述超材料结构层的总厚度远小于工作波长，即∑(tm+td)＜＜λ的情况下，通过有效介质理论获得超材料结构层的有效介电常数随入射波长λ的变化曲线；其中，tm为所述半导体层的厚度，td为所述介质层的厚度；
步骤2，通过步骤1获得的有效介电常数，获得所述超材料结构层的近零介电常数所在频率点，进而获得所述超材料结构层的近零折射率所在频率点；
步骤3，根据所述近零折射率所在频率点，确定所述辐射单元为长方形结构，确定所述辐射单元的长度L和宽度W，以及馈电点的位置；
步骤4，针对所述辐射单元进行仿真，以进一步优化所述辐射单元的参数；
步骤5，针对包括所述辐射单元和所述超材料结构层的所述近零折射率超材料天线进行仿真，以获得所述近零折射率超材料天线的仿真结果，确定所述近零折射率超材料天线的性能。
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