本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線。

背景技術(shù)：

太赫茲（terahertz，簡(jiǎn)稱thz）波是介于微波與紅外波段之間的電磁波段，其廣義頻率范圍通常是指頻率在0.1～10thz(波長(zhǎng)在0.03～3mm)波段的電磁波。1thz對(duì)應(yīng)的光子能量約為4.14mcv，在宇宙大爆炸過(guò)程中發(fā)射出的98%的光子能量都位于太赫茲的頻率范圍。由于科學(xué)家們受到對(duì)太赫茲波進(jìn)行探測(cè)的設(shè)備的限制，因此在上世紀(jì)80年代以前，太赫茲技術(shù)的發(fā)展十分緩慢，太赫茲波并未受到人們廣泛地開(kāi)發(fā)和利用，因此太赫茲波段被人們稱為“太赫茲空白”（terahertzgap）。從上世紀(jì)八十年代至今，由于科學(xué)家們?cè)谔掌澼椛湓串a(chǎn)生設(shè)備以及對(duì)太赫茲輻射進(jìn)行探測(cè)的設(shè)備上均得到了突破，因此太赫茲技術(shù)在這幾十年得到了前所未有的發(fā)展。

太赫茲波擁有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能，這些優(yōu)異的性能是其他任意一種電磁波所不具備的。首先，太赫茲波的能量極低，與現(xiàn)在人們所用來(lái)進(jìn)行探測(cè)的x光射線相比較起來(lái)幾乎可以忽略不計(jì)，尤其將太赫茲波用在活體檢測(cè)上，幾乎不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象造成任何傷害，因此將太赫茲波用在醫(yī)學(xué)檢測(cè)上將具有廣闊的市場(chǎng)前景。其次太赫茲波頻率很高，通過(guò)香農(nóng)信道容量公式我們可以清楚的知道，如果將太赫茲技術(shù)應(yīng)用在通信領(lǐng)域，將會(huì)使傳輸速度向前跨越一大步，使通信技術(shù)發(fā)展邁上一層新的臺(tái)階。將太赫茲技術(shù)應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，鑒于外太空近似真空沒(méi)有水分的環(huán)境，這將會(huì)使傳輸速度大大的增加，因此太赫茲通信技術(shù)有著巨大的應(yīng)用潛力。太赫茲波穿透能力極強(qiáng)，尤其在非極性液體和一些介電材料的透視成像上表現(xiàn)出的效果極佳，如果再與太赫茲波超高的頻率特性結(jié)合在一起，可將其作為現(xiàn)階段人們所擁有的成像技術(shù)的一種強(qiáng)有力的補(bǔ)充，并可在機(jī)場(chǎng)、車(chē)站等人流量密集的公共場(chǎng)合的危險(xiǎn)物品檢測(cè)領(lǐng)域大顯身手。

作為太赫茲電磁波的發(fā)射和接收裝置，太赫茲波段天線的性能對(duì)太赫茲波段設(shè)備的性能有著決定性的影響?，F(xiàn)有太赫茲設(shè)備對(duì)于太赫茲波段天線的性能要求是：尺寸較小，可以放進(jìn)毫米數(shù)量級(jí)的太赫茲設(shè)備里，工作中心頻率在1thz附近，回波損耗最小值小于-15db，絕對(duì)工作帶寬大于0.1thz，相對(duì)工作帶寬大于10%，天線有較大性能冗余，可以在各種不可預(yù)知的電磁環(huán)境中保證太赫茲電磁波的傳輸質(zhì)量。

矩形環(huán)嵌套天線是一種簡(jiǎn)單高效的寬頻帶天線，外圈矩形環(huán)在饋電后產(chǎn)生輻射，內(nèi)圈矩形環(huán)部分吸收外圈矩形環(huán)的輻射能量后，可以產(chǎn)生感應(yīng)輻射。內(nèi)外圈矩形環(huán)的大小不同，輻射的頻率也不同，多個(gè)矩形環(huán)在不同頻率的輻射相疊加，使矩形環(huán)嵌套天線擁有較寬的工作頻段。多個(gè)矩形環(huán)嵌套天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，可以讓它們的輻射相疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)天線的輻射強(qiáng)度。

三維漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板是一種介電常數(shù)可以沿著介質(zhì)基板長(zhǎng)、寬、高三維漸變的新型漸變介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)基板。使用三維漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板后，每個(gè)陣元天線的介質(zhì)基板介電常數(shù)都不相同，陣列天線整體可以看作是多個(gè)介電常數(shù)不同的天線相疊加，每個(gè)天線的諧振頻點(diǎn)不同，當(dāng)多個(gè)諧振頻點(diǎn)距離較近時(shí)，多個(gè)工作頻帶會(huì)疊加而形成一個(gè)輻射強(qiáng)度和工作帶寬都較大的工作頻帶，從而提高陣列天線的性能冗余。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線，其特征在于：包括基板、貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片；天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片由矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成的天線陣列。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線的大小為（20μm±1μm）×（20μm±1μm）。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線由四個(gè)矩形環(huán)嵌套構(gòu)成，每個(gè)矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個(gè)矩形環(huán)的大小分別為（16μm±0.2μm）×（16μm±0.2μm）、（12μm±0.2μm）×（12μm±0.2μm）、（8μm±0.2μm）×（8μm±0.2μm）、（4μm±0.2μm）×（4μm±0.2μm）。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述矩形陣列結(jié)構(gòu)至少包括8行8列共64個(gè)陣元小天線。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述每個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線的最大的矩形環(huán)的底邊中心位置設(shè)有饋電點(diǎn)。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板為低損耗太赫茲波段透波陶瓷基板。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板由至少7層8行8列共448個(gè)小陶瓷塊組成，小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)沿著基板長(zhǎng)、寬、高三維漸變；相對(duì)介電常數(shù)最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對(duì)介電常數(shù)為18；相對(duì)介電常數(shù)最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對(duì)介電常數(shù)為58；小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個(gè)小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)的差值為2。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板的形狀為矩形，基板總體尺寸是（160μm±1μm）×（160μm±1μm），厚度為70μm±1μm。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述天線接地板和輻射貼片的材質(zhì)為銅、銀、金或鋁。

本發(fā)明使用矩形環(huán)嵌套天線作為陣元天線，通過(guò)外圈矩形環(huán)的饋電輻射和內(nèi)圈矩形環(huán)的感應(yīng)輻射相疊加，獲得較大的天線工作帶寬；多個(gè)矩形環(huán)嵌套天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，多個(gè)陣元天線的輻射相疊加，進(jìn)一步增強(qiáng)天線的輻射強(qiáng)度；使用三維漸變介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)基板，進(jìn)一步增強(qiáng)天線的輻射強(qiáng)度和工作帶寬，提高陣列天線的性能冗余，保證天線滿足現(xiàn)有太赫茲設(shè)備對(duì)于太赫茲波段天線的性能要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明矩形環(huán)嵌套小天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為陶瓷基板相對(duì)介電常數(shù)取值示意圖（圖中數(shù)字表示某塊小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)）。

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的回波損耗(s11)性能圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋說(shuō)明。

本發(fā)明提供一種太赫茲波段三維漸變介電常數(shù)陣列天線，其包括基板、貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片；天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片由矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成的天線陣列。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線的大小為（20μm±1μm）×（20μm±1μm）。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線由四個(gè)矩形環(huán)嵌套構(gòu)成，每個(gè)矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個(gè)矩形環(huán)的大小分別為（16μm±0.2μm）×（16μm±0.2μm）、（12μm±0.2μm）×（12μm±0.2μm）、（8μm±0.2μm）×（8μm±0.2μm）、（4μm±0.2μm）×（4μm±0.2μm）。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述矩形陣列結(jié)構(gòu)至少包括8行8列共64個(gè)陣元小天線。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述每個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線的最大的矩形環(huán)的底邊中心位置設(shè)有饋電點(diǎn)。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板為低損耗太赫茲波段透波陶瓷基板。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板由至少7層8行8列共448個(gè)小陶瓷塊組成，小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)沿著基板長(zhǎng)、寬、高三維漸變；相對(duì)介電常數(shù)最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對(duì)介電常數(shù)為18；相對(duì)介電常數(shù)最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對(duì)介電常數(shù)為58；小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個(gè)小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)的差值為2。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述基板的形狀為矩形，基板總體尺寸是（160μm±1μm）×（160μm±1μm），厚度為70μm±1μm。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述天線接地板和輻射貼片的材質(zhì)為銅、銀、金或鋁

參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖的圖1、2，本發(fā)明一實(shí)施例上設(shè)有基板、貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片，天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖2所示。本發(fā)明實(shí)施例使用矩形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，8行8列共64個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列。

每個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線的大小為20μm±1μm×20μm±1μm，它由四個(gè)矩形環(huán)嵌套構(gòu)成，每個(gè)矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個(gè)矩形環(huán)的大小分別為16μm±0.2μm×16μm±0.2μm、12μm±0.2μm×12μm±0.2μm、8μm±0.2μm×8μm±0.2μm、4μm±0.2μm×4μm±0.2μm。每個(gè)矩形環(huán)嵌套小天線的最大的矩形環(huán)的底邊中心位置設(shè)有饋電點(diǎn)。

天線基板為低損耗太赫茲波段透波陶瓷基板，它由7層8行8列共448個(gè)小陶瓷塊組成，小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)沿著基板長(zhǎng)、寬、高三維漸變；相對(duì)介電常數(shù)最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對(duì)介電常數(shù)為18；相對(duì)介電常數(shù)最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對(duì)介電常數(shù)為58；小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個(gè)小陶瓷塊的相對(duì)介電常數(shù)的差值為2。天線基板的形狀為矩形，基板總體尺寸是160μm±1μm×160μm±1μm，厚度為70μm±1μm。其結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖3。

本發(fā)明使用矩形環(huán)嵌套小天線作為陣元天線，通過(guò)外圈矩形環(huán)的饋電輻射和內(nèi)圈矩形環(huán)的感應(yīng)輻射相疊加，可以保證天線有較大的工作帶寬。將陣元天線按照矩形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，可以使多個(gè)陣元天線的輻射相疊加，增強(qiáng)天線的輻射強(qiáng)度。使用三維漸變介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)基板，可以進(jìn)一步增強(qiáng)天線的輻射強(qiáng)度和工作帶寬，提高陣列天線的性能冗余。

說(shuō)明書(shū)附圖的圖4給出了本發(fā)明實(shí)施例的回波損耗(s11)性能圖。從圖4可知，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該款天線的工作中心頻率為1.032thz，回波損耗最小值為-42.34db，天線工作頻帶范圍為0.873～1.476thz，絕對(duì)工作帶寬為0.603thz，相對(duì)工作帶寬為51.34%。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該款天線完全滿足現(xiàn)有太赫茲設(shè)備對(duì)于太赫茲波段天線的性能要求，在尺寸壓縮方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是目前已知的工作帶寬最大的太赫茲波段天線，具有很好的性能冗余，在太赫茲波傳輸和處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。