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

背景技術：

太赫茲（terahertz，簡稱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(波長在0.03～3mm)波段的電磁波。1thz對應的光子能量約為4.14mcv，在宇宙大爆炸過程中發(fā)射出的98%的光子能量都位于太赫茲的頻率范圍。由于科學家們受到對太赫茲波進行探測的設備的限制，因此在上世紀80年代以前，太赫茲技術的發(fā)展十分緩慢，太赫茲波并未受到人們廣泛地開發(fā)和利用，因此太赫茲波段被人們稱為“太赫茲空白”（terahertzgap）。從上世紀八十年代至今，由于科學家們在太赫茲輻射源產生設備以及對太赫茲輻射進行探測的設備上均得到了突破，因此太赫茲技術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，與現在人們所用來進行探測的x光射線相比較起來幾乎可以忽略不計，尤其將太赫茲波用在活體檢測上，幾乎不會對檢測對象造成任何傷害，因此將太赫茲波用在醫(yī)學檢測上將具有廣闊的市場前景。其次太赫茲波頻率很高，通過香農信道容量公式我們可以清楚的知道，如果將太赫茲技術應用在通信領域，將會使傳輸速度向前跨越一大步，使通信技術發(fā)展邁上一層新的臺階。將太赫茲技術應用在衛(wèi)星通信領域，鑒于外太空近似真空沒有水分的環(huán)境，這將會使傳輸速度大大的增加，因此太赫茲通信技術有著巨大的應用潛力。太赫茲波穿透能力極強，尤其在非極性液體和一些介電材料的透視成像上表現出的效果極佳，如果再與太赫茲波超高的頻率特性結合在一起，可將其作為現階段人們所擁有的成像技術的一種強有力的補充，并可在機場、車站等人流量密集的公共場合的危險物品檢測領域大顯身手。

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太赫茲波段設備的性能有著決定性的影響?，F有太赫茲設備對于太赫茲波段天線的性能要求是：尺寸較小，可以放進毫米數量級的太赫茲設備里，工作中心頻率在1thz附近，回波損耗最小值小于-15db，絕對工作帶寬大于0.1thz，相對工作帶寬大于10%，天線有較大性能冗余，可以在各種不可預知的電磁環(huán)境中保證太赫茲電磁波的傳輸質量。

矩形環(huán)嵌套天線是一種簡單高效的寬頻帶天線，外圈矩形環(huán)在饋電后產生輻射，內圈矩形環(huán)部分吸收外圈矩形環(huán)的輻射能量后，可以產生感應輻射。內外圈矩形環(huán)的大小不同，輻射的頻率也不同，多個矩形環(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。多個矩形環(huán)嵌套天線按照矩形陣列結構排列組成天線陣列，可以讓它們的輻射相疊加，進一步增強天線的輻射強度。

三維漸變介電常數介質基板是一種介電常數可以沿著介質基板長、寬、高三維漸變的新型漸變介電常數陶瓷介質基板。使用三維漸變介電常數介質基板后，每個陣元天線的介質基板介電常數都不相同，陣列天線整體可以看作是多個介電常數不同的天線相疊加，每個天線的諧振頻點不同，當多個諧振頻點距離較近時，多個工作頻帶會疊加而形成一個輻射強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。

技術實現要素：

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陣列天線。

本發(fā)明采用以下技術方案實現：一種太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線，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構，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構排列組成的天線陣列。

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

在本發(fā)明一實施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線由四個矩形環(huán)嵌套構成，每個矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個矩形環(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)明一實施例中，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結構作為基本陣列排布結構。

進一步的，所述矩形陣列結構至少包括8行8列共64個陣元小天線。

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

在本發(fā)明一實施例中，所述基板為低損耗太赫茲波段透波陶瓷基板。

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

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

本發(fā)明使用矩形環(huán)嵌套天線作為陣元天線，通過外圈矩形環(huán)的饋電輻射和內圈矩形環(huán)的感應輻射相疊加，獲得較大的天線工作帶寬；多個矩形環(huán)嵌套天線按照矩形陣列結構排列組成天線陣列，多個陣元天線的輻射相疊加，進一步增強天線的輻射強度；使用三維漸變介電常數陶瓷介質基板，進一步增強天線的輻射強度和工作帶寬，提高陣列天線的性能冗余，保證天線滿足現有太赫茲設備對于太赫茲波段天線的性能要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明矩形環(huán)嵌套小天線的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片的結構示意圖。

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

圖4為本發(fā)明一實施例的回波損耗(s11)性能圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步解釋說明。

本發(fā)明提供一種太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線，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構，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構排列組成的天線陣列。

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

在本發(fā)明一實施例中，所述矩形環(huán)嵌套小天線由四個矩形環(huán)嵌套構成，每個矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個矩形環(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)明一實施例中，所述矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片使用矩形陣列結構作為基本陣列排布結構。

進一步的，所述矩形陣列結構至少包括8行8列共64個陣元小天線。

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

在本發(fā)明一實施例中，所述基板為低損耗太赫茲波段透波陶瓷基板。

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

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

參見說明書附圖的圖1、2，本發(fā)明一實施例上設有基板、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構，矩形環(huán)嵌套陣列輻射貼片結構如圖2所示。本發(fā)明實施例使用矩形陣列結構作為基本陣列排布結構，8行8列共64個矩形環(huán)嵌套小天線按照矩形陣列結構排列組成天線陣列。

每個矩形環(huán)嵌套小天線的大小為20μm±1μm×20μm±1μm，它由四個矩形環(huán)嵌套構成，每個矩形環(huán)的線寬為1μm±0.1μm，四個矩形環(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)的底邊中心位置設有饋電點。

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個小陶瓷塊組成，小陶瓷塊的相對介電常數沿著基板長、寬、高三維漸變；相對介電常數最小的小陶瓷塊位于基板最高層左上角，其相對介電常數為18；相對介電常數最大的小陶瓷塊位于基板最低層右下角，其相對介電常數為58；小陶瓷塊的相對介電常數按照從左到右、從上到下、從高到底的順序逐漸增加，相鄰兩個小陶瓷塊的相對介電常數的差值為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。其結構示意圖參見圖3。

本發(fā)明使用矩形環(huán)嵌套小天線作為陣元天線，通過外圈矩形環(huán)的饋電輻射和內圈矩形環(huán)的感應輻射相疊加，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構排列組成天線陣列，可以使多個陣元天線的輻射相疊加，增強天線的輻射強度。使用三維漸變介電常數陶瓷介質基板，可以進一步增強天線的輻射強度和工作帶寬，提高陣列天線的性能冗余。

說明書附圖的圖4給出了本發(fā)明實施例的回波損耗(s11)性能圖。從圖4可知，實測結果顯示，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，絕對工作帶寬為0.603thz，相對工作帶寬為51.34%。實測結果顯示，該款天線完全滿足現有太赫茲設備對于太赫茲波段天線的性能要求，在尺寸壓縮方面具有獨特的優(yōu)勢，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域具有廣闊的應用前景。

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