專利名稱：利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種太赫茲電磁波的天線技術(shù)，尤其涉及的是一種利用共面波導(dǎo) 饋電的太赫茲螺旋天線。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)電磁波是指頻率在0. 1 IOTHz (波長為3000-30 μ m)范圍內(nèi)的電 磁波。它在長波段與毫米波重合，而在短波段與紅外線重合。是介于毫米波與紅外光之間 相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域。THz電磁波在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有 相當(dāng)重要的應(yīng)用。THz電磁波在十九世紀(jì)二十年代已經(jīng)引起了科學(xué)家的興趣，但在二十世 紀(jì)九十年代以前，由于缺乏有效的THz輻射源及檢測技術(shù)，科學(xué)家對(duì)THz電磁波的電磁輻射 性質(zhì)的了解非常有限，以致該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙。該波段也是電磁波譜中 有待進(jìn)行全面研究的最后一個(gè)頻率窗口。近年來由于自由電子激光器和超快技術(shù)的發(fā)展， 為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的產(chǎn)生機(jī)理、檢測術(shù)和應(yīng)用技 術(shù)的研究得到蓬勃發(fā)展。THz技術(shù)之所以引起人們廣泛的關(guān)注，是由于THz電磁波有它獨(dú)自的特點(diǎn)，它在物 體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動(dòng)通訊、尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方 面具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。THz技術(shù)在最近10年得到迅猛發(fā)展，并且在一 些應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角。隨著近十幾年來的研究，國際科技界公認(rèn)，THz科學(xué)技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前 沿領(lǐng)域。由于THz的頻率很高，所以其空間分辨率很高。又由于脈沖很短(飛秒)，THz輻 射具有很高的時(shí)間分辨率。THz成像技術(shù)及THz波譜技術(shù)就構(gòu)成了 THz應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān) 鍵技術(shù)。另一方面，THz的能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比，它又有 大的優(yōu)勢。國際上對(duì)THz有以下幾點(diǎn)共識(shí)THz輻射是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源； THz技術(shù)為科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全等方面提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇。太赫茲雷達(dá)技術(shù)可以探測比微波雷達(dá)更小的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)更精確的定位，具有更高 的分辨率和更強(qiáng)的保密性，因而太赫茲雷達(dá)可成為未來高精度雷達(dá)的發(fā)展方向，有望在軍 事裝備和國家安全等方面發(fā)揮巨大作用。國際通訊聯(lián)盟已指定200GHz的頻段為下一步衛(wèi) 星間通訊之用。進(jìn)一步的發(fā)展必定進(jìn)入300GHz以上的范圍，這實(shí)際上就是太赫茲通訊。目前已有的THz天線有帶偶極子天線的棱錐喇叭腔(被用于800GHz的頻率即 375 μ m的波長)、領(lǐng)結(jié)形偶極子天線(被用于28THz即10. 6 μ m)、夾角反射器陣列天線、介 質(zhì)透鏡平面天線、雙偶極天線等。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)的研究開發(fā) 興起于二十世紀(jì)八十年代中期，并逐漸成為國際研究的熱點(diǎn)。這種新興技術(shù)將光、機(jī)、電、材 料、化學(xué)、控制、力學(xué)、生物等多項(xiàng)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，其目標(biāo)是將信息獲取、處理及執(zhí)行 單元集成在一起的一體化集成系統(tǒng)。這種新興的技術(shù)能夠使光機(jī)電元件微型化，并具有高 精度、高可靠性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為繼微電子技術(shù)后的又一次技術(shù)革命。
MEMS是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的 機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。 采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁 類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路(IC)類似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中 的成熟技術(shù)、工藝，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度 提尚。在射頻前端中天線的微型化是系統(tǒng)微型化的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用微型化內(nèi)置天線 可以減小無線通信設(shè)備的體積，天線的微型化和集成化已經(jīng)成為各研究機(jī)構(gòu)的研究目標(biāo)。 MEMS天線具有重量輕、體積小、成本低、可以和集成電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，MEMS技術(shù)領(lǐng)域的研究 人員正在對(duì)其進(jìn)行廣泛的研究，目前取得了多種可喜的應(yīng)用成果，并且將在射頻通信這個(gè) 廣闊的領(lǐng)域里與其他相關(guān)技術(shù)一起獲得與時(shí)俱進(jìn)的發(fā)展。MEMS天線的種類較多常見的有微 帶天線、縫隙天線、背腔印制天線、印刷偶極子天線等。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用共面波導(dǎo)饋 電的太赫茲螺旋天線，應(yīng)用于低成本、高傳輸速率的THz波段無線通信系統(tǒng)和THz波段成像 系統(tǒng)。技術(shù)方案本發(fā)明包括螺旋線和共面波導(dǎo)饋線，所述共面波導(dǎo)饋線包括襯底、信號(hào) 線和接地平面，其中接地平面和信號(hào)線分別刻蝕于襯底的一個(gè)面上，信號(hào)線的兩側(cè)設(shè)有接 地平面，信號(hào)線的一端和螺旋線相連，另一端和外界應(yīng)用系統(tǒng)相連。螺旋線用于向空間輻射信號(hào)和從空間接收信號(hào)，共面波導(dǎo)饋線用于傳輸螺旋線向 空間輻射的信號(hào)和螺旋線從空間接收的信號(hào)。所述螺旋線是圓柱形或圓錐形螺旋線，圓柱形螺旋線具有增益高的優(yōu)點(diǎn)，而圓錐 形螺旋線具有帶寬較寬的優(yōu)點(diǎn)。所述螺旋線是在襯底上利用聚焦離子束刻蝕金屬絲制成， 改變金屬絲的形狀生成。所述螺旋線的螺旋半徑是9 45 μ m，螺距是12 60 μ m,螺旋線的尺寸是影響螺 旋天線性能的主要因素，改變螺旋線的半徑和螺距，就可以改變螺旋天線的增益和工作頻 段。所述接地平面和信號(hào)線之間的縫隙寬度是1 5μπι，接地平面和信號(hào)線是同一層 金屬，厚度為0. 2μπι。所述信號(hào)線的寬度是1 5 μ m，長度是100 200 μ m,寬度是螺旋線的金屬絲的 直徑的1 2倍。所述襯底是硅襯底，電阻率是2 4ohm/cm2，厚度是100 400 μ m。信號(hào)線的寬度、信號(hào)線與接地平面之間縫隙的寬度、金屬的厚度、襯底的介電常數(shù) 和襯底的厚度決定了共面波導(dǎo)饋線的特征阻抗。本發(fā)明工作時(shí)，制成的天線通過共面波導(dǎo)饋線與外界應(yīng)用系統(tǒng)相連接。外界應(yīng)用 系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)由共面波導(dǎo)饋線端口進(jìn)入天線，經(jīng)共面波導(dǎo)傳輸至螺旋線，由螺旋線輻射 到自由空間；同時(shí)需要接收的信號(hào)由每個(gè)THz螺旋天線的螺旋線進(jìn)入天線，經(jīng)共面波導(dǎo)進(jìn) 入應(yīng)用系統(tǒng)。
有益效果本發(fā)明采用MEMS工藝制作，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作帶寬較寬、能 夠單片集成等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖2是實(shí)施例1的輸入端S參數(shù)示意圖3是實(shí)施例1的輸入端電壓駐波比示意圖4是實(shí)施例1的X-Z平面的仿真輻射方向圖
圖5是實(shí)施例1的y-ζ平面的仿真輻射方向圖
圖6是實(shí)施例1的三維仿真輻射方向圖7是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1:本實(shí)施例采用Ansoft公司的HFSS (High Frequency MructureSimulator高頻結(jié)構(gòu)仿真器)三維電磁場仿真軟件對(duì)本實(shí)施例的THz螺旋天線進(jìn) 行仿真。先在HFSS中建立一個(gè)THz螺旋天線模型。本實(shí)施例通過以下步驟制備天線第一步，在硅襯底2表面制作金屬層，并腐蝕出 設(shè)計(jì)所需要的圖案；第二步，腐蝕掉準(zhǔn)備制作螺旋線的金屬絲下面的硅襯底2，并通過聚焦 離子束刻蝕金屬絲制作出設(shè)計(jì)所需要的螺旋線1。如圖1所示，本實(shí)施例包括螺旋線1和共面波導(dǎo)饋線，所述共面波導(dǎo)饋線包括硅襯 底2、信號(hào)線3和接地平面4，其中接地平面4和信號(hào)線3分別刻蝕于襯底2的一個(gè)面上， 信號(hào)線3的兩側(cè)設(shè)有接地平面4，信號(hào)線3的一端和螺旋線1相連，另一端和外界應(yīng)用系統(tǒng) 相連。不同的應(yīng)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通信、雷達(dá)和成像等功能。螺旋線1用于向空間輻射信號(hào)和 從空間接收信號(hào)，共面波導(dǎo)饋線用于傳輸螺旋線1向空間輻射的信號(hào)和螺旋線1從空間接 收的信號(hào)。螺旋線1是圓柱形螺旋線，圓柱形螺旋線具有增益高的優(yōu)點(diǎn)，螺旋線1的螺旋半徑 為R = 36 μ m，螺距為D = 48 μ m，金屬絲的直徑Rtl = 1 μ m。螺旋線1是在硅襯底上通過聚焦離子束刻蝕金屬絲制成，改變金屬絲的形狀生 成。螺旋線1的尺寸是影響螺旋天線性能的主要因素，改變螺旋線1的半徑和螺距，就 可以改變螺旋天線的增益和工作頻段。接地平面4和信號(hào)線3之間的縫隙寬度是4. 4 μ m。信號(hào)線3的尺寸為寬度X厚度X長度=2 μ mX0.2 μ mX 100 μ m，接地平面4的 厚度為0. 2 μ m。所述硅襯底2的電阻率是2 4ohm/cm2，厚度是100 400 μ m。信號(hào)線3的寬度、信號(hào)線3與接地平面4之間縫隙的寬度、金屬的厚度、襯底2的 介電常數(shù)和襯底2的厚度決定了共面波導(dǎo)饋線的特征阻抗。
將THz螺旋天線的共面波導(dǎo)饋線端口設(shè)為天線與應(yīng)用系統(tǒng)相連接的端口，在 1. 5THz的頻率下對(duì)天線的輻射性能進(jìn)行仿真，并觀察天線在1ΤΗζ-2ΤΗζ頻率范圍內(nèi)的輸入 輸出性能。如圖2所示，在1. 5THz處S11反射系數(shù)大約為_16dB ；如圖3所示，THz螺旋天線 輸入端電壓駐波比，VSffR電壓駐波比大約為1. 38 ；如圖4、圖5和圖6所示，THz螺旋天線x_z平面的仿真輻射方向圖，在主輻射方向 上天線的最大增益為9. 3dB。通過以上結(jié)果可知，本實(shí)施例的THz喇叭天線在1. 5THz頻率 下工作性能良好。實(shí)施例2 如圖7所示，本實(shí)施例中，螺旋線1是圓錐形螺旋線，螺旋線1從與信號(hào) 線3相連的端部到與外界應(yīng)用系統(tǒng)相連的端部，螺旋半徑是漸變的，由36 μ m逐步增加到 48 μ m,螺距是48 μ m,其他實(shí)施條件和實(shí)施例1相同。本實(shí)施例的THz喇叭天線在1. 5THz 頻率下工作性能也是良好。
權(quán)利要求
1.一種利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于，包括螺旋線(1)和共面波 導(dǎo)饋線，所述共面波導(dǎo)饋線包括襯底O)、信號(hào)線(3)和接地平面(4)；其中接地平面(4) 和信號(hào)線(3)分別刻蝕于襯底O)的一個(gè)面上，信號(hào)線(3)的兩側(cè)設(shè)有接地平面，信號(hào) 線(3)的一端和螺旋線(1)相連，另一端和外界應(yīng)用系統(tǒng)相連螺旋線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于所述螺 旋線⑴垂直于襯底⑵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于所述螺 旋線(1)是圓柱形或圓錐形螺旋線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于所述螺 旋線(1)是在襯底( 上利用聚焦離子束刻蝕金屬絲制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于，所述螺 旋線(1)的螺旋半徑是9 45 μ m，螺距是12 60 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于，所述信 號(hào)線⑶和其兩側(cè)的接地平面⑷之間的縫隙寬度是1 5μπι。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于，所述信 號(hào)線⑶的長度是100 200 μ m，接地平面(4)和信號(hào)線(3)的厚度均為0. 2 μ m，信號(hào)線 (3)的寬度是1 5μπι螺旋線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于所述螺 旋線(1)的金屬絲的直徑是的信號(hào)線(3)的寬度的0. 5 1倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，其特征在于，所述襯 底(2)是硅襯底，電阻率是2 4ohm/cm2，厚度是100 400 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用共面波導(dǎo)饋電的太赫茲螺旋天線，包括螺旋線和共面波導(dǎo)饋線，所述共面波導(dǎo)饋線包括襯底、信號(hào)線和接地平面，其中接地平面和信號(hào)線分別刻蝕于襯底的一個(gè)面上，信號(hào)線的兩側(cè)設(shè)有接地平面，信號(hào)線的一端和螺旋線相連，另一端和外界應(yīng)用系統(tǒng)相連。本發(fā)明采用MEMS工藝制作，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作帶寬較寬、能夠單片集成等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q11/08GK102110888SQ20111000029
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者唐旭升, 姜楠, 郭林, 黃風(fēng)義 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 愛斯泰克(上海)高頻通訊技術(shù)有限公司