[發(fā)明專利]一種雙曲超材料平面天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910960372.1
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN110707422B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯遠(yuǎn)甫;程聰;李光元;張銳;焦國華
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q15/00
• 代理公司: 深圳智趣知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44486
• 代理人: 邵萌

一種雙曲超材料平面天線，包括接地板、雙曲超材料結(jié)構(gòu)層、基片以及輻射天線；所述雙曲超材料結(jié)構(gòu)層由半導(dǎo)體層和電介質(zhì)層交替疊加形成，形成在所述接地板上；在所述雙曲超材料層上形成有所述基片；在所述基片上形成有所述輻射天線。所述雙曲超材料平面天線結(jié)構(gòu)易于生產(chǎn)和制造，能夠有效提高平面天線的增益及抗干擾能力，易于與其他設(shè)備集成，并且不易損壞。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及平面天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于雙曲超材料的太赫茲平面天線。

背景技術(shù)

太赫茲波是指頻率在0.1-10THz、對應(yīng)波長在3mm-30μm波段內(nèi)的電磁波。其介于微波與紅外可見光之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域。太赫茲波通信具有非常大的潛力，相對于微波通信，太赫茲通信帶寬更寬，因此通信傳輸?shù)娜萘扛螅俣雀欤徊⑶姨掌澩ㄐ啪哂懈玫谋Ｃ苄约翱垢蓴_能力，因此可以進(jìn)行更加可靠安全的通信。相比于光通信，太赫茲波波長較長，具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，可以實(shí)現(xiàn)全天候的工作。因此太赫茲波以極高的帶寬在高保密衛(wèi)星通信及無線通信上有著廣闊的應(yīng)用前景。

太赫茲天線是太赫茲無線通信系統(tǒng)中重要的器件之一，其中太赫茲平面天線因其尺寸小、質(zhì)量輕、在大多數(shù)實(shí)際的太赫茲系統(tǒng)中很容易與其他平面器件集成、易于加工并且價(jià)格便宜，因而被廣泛研究和使用。太赫茲平面天線由金屬接地板，電介質(zhì)基片，輻射單元以及饋源組成，可以看成是微波波段的平面天線按照頻率比縮放而得。但與微波平面天線不同，太赫茲平面天線性能由于電介質(zhì)基片在太赫茲波段下發(fā)生表面波激發(fā)和天然材料缺乏固有響應(yīng)而顯著退化，其輻射效率不高，因此天線增益整體不高，這也成為未來太赫茲無線通信系統(tǒng)發(fā)展的重大問題之一。

雙曲超材料是一種由人工設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)組成的材料，通過設(shè)計(jì)超材料的結(jié)構(gòu)單元，使其對電場和磁場產(chǎn)生相應(yīng)的諧振，從而可以有效地調(diào)控其有效介電常數(shù)ε和有效磁導(dǎo)率μ。雙曲超材料結(jié)構(gòu)具備良好的負(fù)折射、反Cerenkov輻射以及逆多普勒等諸多效應(yīng)。目前，雙曲超材料分為層狀雙曲超材料結(jié)構(gòu)和納米線雙曲超材料結(jié)構(gòu)。2014年，Caner Guclu等人在600nm 波長提出將納米顆粒和偶極子作為輻射單元放置在銀-二氧化硅多層雙曲超材料中，可實(shí)現(xiàn)納米天線輻射特性增強(qiáng)100倍。同年，該組研究了在400THz波段銀-硅多層雙曲超材料附近偶極子陣列和貼片陣列的電磁波傳播特性。在以上雙曲超材料結(jié)構(gòu)中，由于研究都在光波段，因而大多使用金屬作為多層結(jié)構(gòu)的一部分，但在太赫茲波段，金屬由于其損耗過大將不再適用。此外，由于雙曲超材料均是與復(fù)雜的輻射天線結(jié)構(gòu)相結(jié)合，導(dǎo)致天線整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于加工，不易于與其他器件集成。

目前，提高太赫茲平面天線增益主要有三種處理方法：將天線放置于介質(zhì)透鏡上、將電介質(zhì)基片厚度做得很薄、以及將電介質(zhì)基片做成電磁帶隙結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的平面天線分別稱為：透鏡天線、薄膜天線和電磁帶隙天線。但是這三種方法仍然存在著以下缺點(diǎn)：(1)透鏡天線使得平面天線不再平面化，不易于與其他器件集成；(2)薄膜天線電介質(zhì)基片太薄，容易損壞；(3)電磁帶隙天線設(shè)計(jì)復(fù)雜，不易于加工。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上存在的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N基于半導(dǎo)體-電介質(zhì)多層雙曲超材料的太赫茲高增益平面天線，利用了雙曲超材料結(jié)構(gòu)特性可將傳播中的電磁波聚集，進(jìn)而整體上提高了太赫茲平面天線的增益，同時，本申請的太赫茲平面天線易于與其他器件集成，不易損壞且制造方便。

本申請?zhí)岢隽艘环N雙曲超材料平面天線，其包括接地板、雙曲超材料結(jié)構(gòu)層、基片以及輻射天線；所述雙曲超材料結(jié)構(gòu)層由半導(dǎo)體層和電介質(zhì)層交替疊加形成，形成在所述接地板上；在所述雙曲超材料層上形成有所述基片；在所述基片上形成有所述輻射天線。

優(yōu)選為，所述雙曲超材料結(jié)構(gòu)層由半導(dǎo)體層和電介質(zhì)層交替疊加形成，形成在所述接地板上的具體結(jié)構(gòu)為：在所述接地板上形成一層半導(dǎo)體層，然后在所述半導(dǎo)體材料層上再形成一層電介質(zhì)層；依次順序，直至層疊至所述雙曲超材料層所需的層數(shù)。