CN205595447U - 太赫兹波段分形光子晶体天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：该天线包括基板、贴覆在基板正面的天线辐射贴片和贴覆在基板背面的天线接地结构，所述天线辐射贴片是3行3列共9个分形金属小天线间隔分布在基板表面上形成的分形光子晶体辐射贴片。本实用新型的目的在于提供一种工作中心频率在1THz附近，回波损耗最小值小于‑15dB，绝对工作带宽大于0.1THz，相对工作带宽大于10％的太赫兹波段分形光子晶体天线。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种太赫兹波段分形光子晶体天线。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝1012Hz)，其电磁辐射区域位于微波与红外光之间。太赫兹电磁波的光子能量较低、工作频段较高、对于非极性分子具有很强的穿透性，其在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通信、军用雷达等领域都具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
太赫兹波的应用离不开太赫兹波发射和接收装置，性能优异的太赫兹波段天线对于太赫兹波的应用具有重要意义。现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求是：尺寸较小，可以放进毫米数量级的太赫兹设备里，工作中心频率在1THz附近，回波损耗最小值小于-15dB，绝对工作带宽大于0.1THz，相对工作带宽大于10％。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种工作中心频率在1THz附近，回波损耗最小值小于-15dB，绝对工作带宽大于0.1THz，相对工作带宽大于10％的太赫兹波段分形光子晶体天线。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：一种太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：该天线包括基板、贴覆在基板正面的天线辐射贴片和贴覆在基板背面的天线接地结构，所述天线辐射贴片是3行3列共9个分形金属小天线间隔分布在基板表面上形成的分形光子晶体辐射贴片。
优选地，所述分形金属小天线的大小为40μm×40μm。
优选地，所述分形金属小天线使用至少1阶的康托尔分形结构。
优选地，所述分形金属小天线按照3×3阵列周期性的分布在基板表面，第一行分形金属小天线与基板上边沿的距离为20μm，第一行分形金属小天线与第二行分形金属小天线之间、第二行分形金属小天线与第三行分形金属小天线之间的距离都为40μm，第三行分形金属小天线与基板下边沿的距离为20μm；第一列分形金属小天线与基板左边沿的距离为20μm，第一列分形金属小天线与第二列分形金属小天线之间、第二列分形金属小天线与第三列分形金属小天线之间的距离都为40μm，第三列分形金属小天线与基板右边沿的距离为20μm。
优选地，所述天线接地结构是与基板大小相等的2阶康托尔分形金属接地结构。
优选地，所述太赫兹波段分形光子晶体天线，在分形光子晶体辐射贴片中，第三行第二列的分形金属小天线下边沿中心设有天线馈电点。
优选地，所述基板为太赫兹波段透波陶瓷基板，其相对介电常数为14±10％。
优选地，所述基板的形状为矩形，尺寸是240μm±10μm×240μm±10μm，厚度为10μm±1μm。
优选地，所述天线辐射贴片和天线接地结构的材质为铜、银、金或铝。
较之现有技术而言，本实用新型的优点在于：在设计中采用光子晶体技术和分形技术相结合的设计方法，将两者的优势结合起来，从而有效地提高太赫兹波段天线的性能。在设计中，金属辐射贴片周期性的排布在陶瓷材料中，组成光子晶体结构，在光子晶体的每个周期单元中引入分形演化规律，得到分形光子晶体结构。进行合理馈电后，这种由金属贴片和陶瓷材料组成的分形光子晶体结构，可以作为光子晶体天线在太赫兹频段产生辐射。天线的接地结构被设计为2阶康托尔分形结构，这能够使天线上的电流分布更加均匀，进一步提高天线的工作带宽。该天线制造成本低、辐射性能好、工作带宽大、易于集成，能够满足现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求。
附图说明
图1是康托尔分形结构示意图。在图1中，(a)为1阶康托尔分形结构；(b)为2阶康托尔分形结构。
图2是天线的分形光子晶体辐射贴片结构示意图。
图3是天线接地结构示意图。
图4是图2、图3所示结构的回波损耗(S11)性能图，图中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗数值The return loss value of the antenna(dB)。
标号说明：1基板、2分形金属小天线、3天线接地结构、4天线馈电点。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本实用新型内容进行详细说明：
一种太赫兹波段分形光子晶体天线，它包括基板1、贴覆在基板1正面的天线辐射贴片和贴覆在基板背面的天线接地结构3，所述天线辐射贴片是由3行3列共9个分形金属小天线2按照3×3阵列周期性的分布在基板1表面组成的分形光子晶体辐射贴片。
所述分形金属小天线2的大小为40μm×40μm。
所述分形金属小天线2使用至少1阶的康托尔分形结构。
康托尔分形结构如图1所示，它的初始元为一个正方形，将其等分为四行四列十六个小正方形。去掉第一行第三个小正方形、第二行第一个小正方形、第三行第四个小正方形、第四行第二个小正方形，剩下十二个小正方形，即构成1阶康托尔分形结构。将1阶康托尔分形结构的每个小正方形再分别等分为四行四列十六个小小正方形。去掉第一行第三个小小正方形、第二行第一个小小正方形、第三行第四个小小正方形、第四行第二个小小正方形，得到2阶康托尔分形结构。按此迭代，可生成各高阶康托尔分形结构。
所述分形金属小天线2按照3×3阵列周期性的分布在基板表面，第一行分形金属小天线2与基板1上边沿的距离为20μm，第一行分形金属小天线2与第二行分形金属小天线2之间、第二行分形金属小天线2与第三行分形金属小天线2之间的距离都为40μm，第三行分形金属小天线2与基板1下边沿的距离为20μm；第一列分形金属小天线2与基板1左边沿的距离为20μm，第一列分形金属小天线2与第二列分形金属小天线2之间、第二列分形金属小天线2与第三列分形金属小天线2之间的距离都为40μm，第三列分形金属小天线2与基板1右边沿的距离为20μm。
所述天线接地结构3是与基板大小相等的2阶康托尔分形金属接地结构。
天线馈电点4最好位于所述分形光子晶体辐射贴片第三行第二列的金属小天线2下边沿中心上。
所述基板1为太赫兹波段透波陶瓷基板，其相对介电常数最好为14±10％，基板的形状优选为矩形，尺寸最好是240μm±10μm×240μm±10μm，厚度最好为10μm±1μm。
所述天线辐射贴片和天线接地结构3的材质为铜、银、金或铝。
下面给出本实用新型的一具体实施例：
参见图2和图3，本实施例上设有天线接地结构和天线辐射贴片，分别位于基板的两面。天线辐射贴片的结构如图2中所示，天线辐射贴片是由3行3列共9个分形金属小天线按照3×3阵列周期性的分布在陶瓷基板表面组成的，每个分形金属小天线的大小为40μm×40μm，每个分形金属小天线都使用了1阶的康托尔分形结构。3行3列共9个分形金属小天线中，第一行与陶瓷基板上边沿的距离为20μm，第一行与第二行、第二行与第三行之间的距离都为40μm，第三行与陶瓷基板下边沿的距离为20μm；第一列与陶瓷基板左边沿的距离为20μm，第一列与第二列、第二列与第三列之间的距离都为40μm，第三列与陶瓷基板右边沿的距离为20μm。天线接地结构如图3中所示，它是与基板大小相等的2阶康托尔分形金属接地结构。
基板为太赫兹波段透波陶瓷基板，其相对介电常数为14±10％，基板形状为矩形，尺寸是240μm±10μm×240μm±10μm，厚度为10μm±1μm。
参见图4，图4给出了本实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，实测结果显示该款天线的工作中心频率为1.02THz，回波损耗最小值为-32.58dB，天线工作频带范围为0.926～1.143THz，绝对工作带宽为0.217THz，相对工作带宽为21.27％。实测结果显示，该款天线能够满足现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求。
与用于太赫兹波段的常规天线比较，本实用新型具有以下突出的优点和显著的效果：天线尺寸很小，只有240μm×240μm×10μm，可以放进尺寸为毫米和亚毫米数量级的太赫兹设备里；天线回波损耗最小值低至-32.58dB，天线工作带宽达到0.217THz，天线具有辐射性能好、工作带宽大的优点，具有较大的性能冗余，使之能够满足在恶劣环境中工作的要求。本款天线尺寸小、辐射性能好、工作带宽大、易于集成，在太赫兹波段领域具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：该天线包括基板、贴覆在基板正面的天线辐射贴片和贴覆在基板背面的天线接地结构，所述天线辐射贴片是3行3列共9个分形金属小天线间隔分布在基板表面上形成的分形光子晶体辐射贴片。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述分形金属小天线使用至少1阶的康托尔分形结构。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述分形金属小天线的大小为40μm×40μm。
4.根据权利要求3所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述分形金属小天线按照3×3阵列周期性的分布在基板表面，第一行分形金属小天线与基板上边沿的距离为20μm，第一行分形金属小天线与第二行分形金属小天线之间、第二行分形金属小天线与第三行分形金属小天线之间的距离都为40μm，第三行分形金属小天线与基板下边沿的距离为20μm；第一列分形金属小天线与基板左边沿的距离为20μm，第一列分形金属小天线与第二列分形金属小天线之间、第二列分形金属小天线与第三列分形金属小天线之间的距离都为40μm，第三列分形金属小天线与基板右边沿的距离为20μm。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述天线接地结构是与基板大小相等的2阶康托尔分形金属接地结构。
6.根据权利要求1所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：在分形光子晶体辐射贴片中，第三行第二列的分形金属小天线下边沿中心设有天线馈电点。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述基板为太赫兹波段透波陶瓷基板。
8.根据权利要求7所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述太赫兹波段透波陶瓷基板的相对介电常数为14±10％。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是240μm±10μm×240μm±10μm，厚度为10μm±1μm。
10.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的太赫兹波段分形光子晶体天线，其特征在于：所述天线辐射贴片和天线接地结构的材质为铜、银、金或铝。
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