豐春芳,許麗萍,溫廷敦,王志斌,2,3

(1.中北大學(xué)理學(xué)院物理系,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試國家重點實驗室,山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030051)

0.2 THz頻段的光子晶體微帶天線研究

豐春芳1,許麗萍1,溫廷敦1,王志斌1,2,3

(1.中北大學(xué)理學(xué)院物理系,山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試國家重點實驗室,山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030051)

將缺陷型一維光子晶體應(yīng)用在微帶天線上,設(shè)計了一款工作在0.2 THz頻段處的光子晶體微帶天線,并且利用基于有限元法的三維電磁仿真軟件HFSS以及軟件Origin進行模擬仿真及作圖。研究表明：光子晶體微帶天線的增益可以達到9.3 dB,與普通微帶天線相比增益增加了2.5 dB。并且討論了光子晶體的周期層數(shù)對微帶天線的影響,發(fā)現(xiàn)光子晶體周期層數(shù)為3層時,天線的回波損耗最低。然后以周期層數(shù)為3層的光子晶體微帶天線為例,討論了不同的光子晶體與微帶天線的距離對天線的增益和回波損耗的影響。

太赫茲；光子晶體 ；有限元法；微帶天線

1 引 言

太赫茲輻射是頻率在微波和紅外波段之間的電磁輻射,其頻段在0.1～10 THz,由于實用技術(shù)的缺乏使得太赫茲頻段成為電磁波譜探索最少的區(qū)域。太赫茲波比微波高1個到4個數(shù)量級的帶寬并且比光波具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率[1],使得太赫茲波在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢[2-3]。

微帶天線具有低剖面、體積小、成本低,易于制造和生產(chǎn)的優(yōu)點。由于表面波降低了微帶天線的性能,限制了它的廣泛應(yīng)用。為了克服這個問題,近年來人們提出了在太赫茲貼片天線的基板上加入光子晶體來改善天線的性能[4-8]。本文主要研究了缺陷型一維光子晶體在微帶天線中的應(yīng)用,使微帶天線位于一維光子晶體缺陷層的中央位置,設(shè)計了一款在0.2 THz頻段處具有高增益的新型微帶天線結(jié)構(gòu),應(yīng)用HFSS對不同周期層數(shù)的光子晶體微帶天線進行模擬仿真,并利用Origin軟件對仿真出來的數(shù)據(jù)進行作圖比較,然后以周期層數(shù)為3的光子晶體微帶天線為例,討論了光子晶體與微帶天線的距離對天線性能的影響。

2 光子晶體微帶天線

2.1 微帶天線的輻射貼片尺寸理論計算

對于中心頻率f0的矩形微帶天線,可以用下面的公式[9]計算出輻射貼片的寬度W以及長度L,即：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,c是光速;εe是有效介電常數(shù);ΔL是等效輻射縫隙長度;εr是介質(zhì)的介電常數(shù);h是介質(zhì)基板的厚度。

2.2 光子晶體微帶天線結(jié)構(gòu)

通過式(1)～(4)的理論計算以及HFSS對微帶天線的優(yōu)化,圖1給出同軸饋電微帶天線的圖形。在圖中,介質(zhì)基片尺寸為800μm×800μm,厚度為40μm,介質(zhì)基片的材質(zhì)為CuClad250GX,相對介電常數(shù)為2.5。微帶貼片的尺寸為443μm×400μm,饋電方式選用的是同軸線饋電。

圖1 同軸饋電微帶天線結(jié)構(gòu)圖

本文選用的一維光子晶體結(jié)構(gòu)是由介電常數(shù)為9.8的材料在空氣中周期排列構(gòu)成,周期數(shù)為6,光子晶體介質(zhì)層的尺寸為800μm×800μm,厚度是35μm,介質(zhì)層之間的距離為169μm。改變光子晶體中央位置處的空氣厚度,可以使光子晶體產(chǎn)生缺陷,從場的分布看,缺陷的場是對稱的,缺陷中心處的切向電場為零,那么在缺陷層的中央位置處放一個微帶天線就不會對場產(chǎn)生影響[10],并且光子晶體微帶天線結(jié)構(gòu)可以只考慮加入光子晶體上半部分的結(jié)構(gòu)。圖2給出光子晶體微帶天線的結(jié)構(gòu)圖,將圖1設(shè)計的微帶天線放在缺陷的光子晶體的中央位置處,其中介質(zhì)層與微帶天線的距離為375μm。

圖2 光子晶體微帶天線結(jié)構(gòu)

3 光子晶體微帶天線的仿真與分析

圖3(a)是普通微帶天線的增益圖形,圖3(b)是光子晶體微帶天線的增益圖形。通過對比可以看出,在Freq=0.2THz,Phi=0°處,主輻射方向為0°,普通微帶天線的增益為6.8dB,光子晶體微帶天線的增益為9.3dB,發(fā)現(xiàn)光子晶體微帶天線比普通微帶天線增益增加了2.5dB,說明光子晶體的引入可以增大微帶天線的增益,有效地改善天線的性能。

圖3 微帶天線的增益方向圖

圖4是不同的光子晶體周期層數(shù)對微帶天線的影響,可以得出不同的層數(shù)對應(yīng)著不同的回波損耗,層數(shù)N=1,2,3,4,5分別對應(yīng)著的回波損耗為-13.4dB,-13.5dB,-21.6dB,-14.4dB,-14.4dB。比較發(fā)現(xiàn)層數(shù)N=3時,回波損耗最小,說明在實際應(yīng)用中光子晶體并不需要太多的周期層數(shù),就可以有效地改善天線的性能。

圖4 光子晶體周期層數(shù)對回波損耗的影響

圖5 光子晶體與天線的距離對天線性能的影響

4 結(jié) 論

研究了0.2THz頻段處光子晶體微帶天線，結(jié)果表明光子晶體結(jié)構(gòu)能夠有效地提高微帶天線的增益,并且發(fā)現(xiàn)引入的光子晶體周期層數(shù)不必太多,只需要3層就可以有效地改善天線的性能。本文所設(shè)計的光子晶體微帶天線結(jié)構(gòu)簡單,性能良好,對于太赫茲頻段應(yīng)用于通信系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義,并且對微帶天線的優(yōu)化與設(shè)計有一定的參考作用。

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Study on photonic crystal microstrip antenna at 0.2 terahertz frequency

FENG Chun-fang1,XU Li-ping1,WEN Ting-dun1,WANG Zhi-bin1,2,3

(1. Department of Physics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2. Notional Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;3. Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-electronic Information and Instrument,North University of China,Taiyuan 030051,China)

One-dimensional photonic crystals with insertion of defect are applied to the microstrip antenna. The photonic crystal microstrip antenna is designed at 0.2 THz frequency,and the three-dimensional electromagnetic simulation software HFSS based on finite element method and software Origin are used to simulate and draw. The study results show that the gain of the photonic crystal microstrip antenna can reach 9.3 dB,which is increased by 2.5 dB compared with the gain of normal microstrip antenna. The effect of different cycles of photonic crystal on the proposed microstrip antenna is discussed. When the cycle is three,the return loss of the antenna is lowest. Taking the three cycle of photonic crystal microstrip antenna as an example,the influence of the different distances between the photonic and the microstrip antenna on the gain and the return loss of the proposed antenna is discussed.

terahertz;photonic crystal;finite element method;microstrip antenna

1001-5078(2015)01-0070-03

豐春芳(1987-),女,碩士研究生,主要從事光電信息物理方面的研究。E-mail:fengfang_1211@163.com

2014-05-14;

2014-06-06

TN82

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.01.016