蔣銳，李全勇，程爽，辛胤杰，王奇書

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

太赫茲波是電磁波譜間的一個(gè)特殊波段，介于微波與紅外之間，通常是指頻率介于0.1～10 THz的電磁波。長期以來，由于缺乏有效的產(chǎn)生太赫茲波輻射及其檢測方法，使得人們對太赫茲波的輻射特性認(rèn)知有限，隨著超快飛秒激光脈沖技術(shù)的日益發(fā)展，為太赫茲脈沖的激發(fā)提供了可靠穩(wěn)定的激發(fā)光源，利用飛秒激光器產(chǎn)生太赫茲波電磁波輻射是超快電子學(xué)、光子學(xué)和光電子學(xué)的研究領(lǐng)域之一。太赫茲波具有光子能量低、穿透能力強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)異性質(zhì)，常用在安全檢查、環(huán)境檢測、安檢、通信等諸多領(lǐng)域，特別是近年來，太赫茲波時(shí)域光譜因其高相干性、高信噪比等優(yōu)勢，在材料研究、安全檢查、無損檢測[1-2]等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前常用的太赫茲波輻射方法是光電導(dǎo)天線，它利用超短激光脈沖激發(fā)光敏材料，從而產(chǎn)生太赫茲輻射。光電導(dǎo)天線重要的部分是它的光敏半導(dǎo)體。隨著半導(dǎo)體材料的迅猛發(fā)展，各種光敏材料如雨后春筍般蓬勃發(fā)展了起來，如：半絕緣砷化硅、石墨烯、藍(lán)寶石上生長的硅等[3-7]，近年來低溫砷化鎵（LT-GaAs）因其高暗電阻、極短的載流子壽命、高的擊穿電壓和高的功率飽和，且適合與商用的800 nm激光配合使用而成為目前太赫茲波光電導(dǎo)天線的最佳選擇。但由于太赫茲光電導(dǎo)天線光敏層基底表面波效應(yīng)的存在，使得在激光脈沖照射下光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲波波不能有效地輻射出去，極大地阻礙了太赫茲波的產(chǎn)生及太赫茲技術(shù)的發(fā)展。

本文模擬了蝶形天線的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線增益及方向性的影響，在1 THz的頻率下選取了獲得較高增益的蝶形天線結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高其增益特性，選用了太赫茲頻段常用準(zhǔn)光學(xué)聚光元件——硅透鏡，它可以有效抵消天線的介質(zhì)基板對太赫茲波的反射，從而進(jìn)一步獲得更多的太赫茲波輻射，有效地提高太赫茲增益，使其朝著需要的方向輻射太赫茲信號。通過對透鏡的擴(kuò)展比、透鏡半徑進(jìn)行模擬優(yōu)化，驗(yàn)證了理論的正確性，利用介質(zhì)透鏡使得太赫茲光電導(dǎo)天線增益及輻射方向獲得增強(qiáng)和調(diào)整，對天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線的分類

常用的太赫茲光電導(dǎo)天線有[8-9]：偶極子天線、蝶形天線、對數(shù)螺旋天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線等，隨著科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)工藝的迅猛發(fā)展，平面化、小型化的天線成為發(fā)展趨勢。為了實(shí)現(xiàn)天線較大的帶寬，以促進(jìn)太赫茲時(shí)域光譜的發(fā)展，可使用自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的天線。蝶形天線作為平面天線，自身結(jié)構(gòu)滿足自互補(bǔ)條件，且相對于對數(shù)螺旋天線、對數(shù)周期天線而言具有簡單的初始結(jié)構(gòu)，易于研究且加工簡單，因此本文選用蝶形天線作為研究對象，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初步研究。

1.2 蝶形天線基礎(chǔ)

該天線基礎(chǔ)型如圖1所示，由兩塊三角形輻射金屬片組成的類似領(lǐng)結(jié)狀微帶貼片，饋電點(diǎn)在兩三角形金屬片頂點(diǎn)位置處，且為了使太赫茲輻射強(qiáng)度獲得最大值，根據(jù)文獻(xiàn)[10]所知，當(dāng)電極間間隙寬度為1～2 μm時(shí)，太赫茲輻射強(qiáng)度最高，為了防止較短的電極間距，隨著電壓的增大而發(fā)生擊穿現(xiàn)象，兼顧太赫茲輻射強(qiáng)度，本太赫茲蝶形光電導(dǎo)天線選用了2 μm的電極間距。

圖1 蝶形天線示意圖

當(dāng)太赫茲蝶形光電導(dǎo)天線集成在介質(zhì)基板上時(shí)，其在諧振頻率f0處的諧振長度L0可計(jì)算得出：

式中，εr是所選基底材料的相對介電常數(shù)；λ0為諧振頻率f0對應(yīng)的波長；εe與λe為過渡變量，無實(shí)際意義。當(dāng)介質(zhì)基底選擇為光電導(dǎo)天線常用的低溫砷化鎵（LT-GaAs，其介電常數(shù)約為12.9）時(shí)，算出諧振頻率為1 THz時(shí)，其電極長度約為57 μm。其他具體參數(shù)如表1所示。

表1 蝶形天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.3 蝶形天線的模擬

由上文可知，1 THz諧振頻率下的蝶形電極長度為57 μm，在此電極長度基礎(chǔ)上，對蝶形天線的角度進(jìn)行模擬分析，角度分別選取特殊的幾個(gè)角度值（30°，45°，60°，90°，120°，150°），經(jīng)過CST微波仿真軟件進(jìn)行仿真后得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同蝶形天線角度下的遠(yuǎn)場方向圖

由圖2可知，在蝶形天線電極長度固定時(shí)，天線的方向性隨著電極角度的變化而變化，且在上述角度下，當(dāng)天線角度為90°時(shí)，天線獲得了較好的方向性。天線角度為150°時(shí)，其方向性也很大，但其旁瓣也隨之增大，不利于太赫茲光電導(dǎo)天線的日常使用。確定蝶形天線的電極長度為57 μm，電極角度為90°。理論研究表明天線可以沿著有介質(zhì)的方向進(jìn)行輻射，為了使得太赫茲輻射沿著想要的方向進(jìn)行傳輸，對介質(zhì)的厚度進(jìn)行優(yōu)化。為了更加明顯地獲得不同基底厚度下蝶形太赫茲光電導(dǎo)天線的輻射方向性規(guī)律，對不同基底厚度的方向性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表2所示。

表2 不同基底厚度下的天線方向性

由表2可知，當(dāng)基底厚度為20 μm時(shí)，方向性為4.25；厚度為70 μm時(shí)，方向性為4.05。由于工藝原因，當(dāng)基底厚度為20 μm時(shí)，其加工難度較大，且不適合在該厚度的基底上制作蝶形天線，故選取厚度為70 μm的基底，使其滿足蝶形天線制作工藝的要求，并能夠使其具有很強(qiáng)的方向性。

如圖3所示，當(dāng)基底厚度設(shè)置為70 μm時(shí)，可以明顯地看到蝶形天線的輻射方向沿著基底所在的一側(cè)進(jìn)行傳播，根據(jù)基底位置可以有效地控制天線輻射方向，使太赫茲光電導(dǎo)蝶形天線輻射出的太赫茲波沿著所需的方向進(jìn)行傳輸，并使其能夠很好的適用于太赫茲時(shí)域光譜以及其他需要具有方向性較好的太赫茲器件的太赫茲技術(shù)中。

圖3 帶有70 μm基底的蝶形天線遠(yuǎn)場方向圖

2 透鏡分類及擬合

太赫茲天線的設(shè)計(jì)具有特殊性，工作頻率處于太赫茲波段的平面天線工作時(shí)會(huì)發(fā)生表面波效應(yīng)。放置在介質(zhì)上的天線體向介質(zhì)方向輻射，射線在介質(zhì)內(nèi)向空氣中輻射時(shí)，由于介質(zhì)折射率大于空氣，因此會(huì)導(dǎo)致部分射線只能在介質(zhì)內(nèi)部反射，不能出射，從而使輻射功率下降。透鏡天線是一種避免產(chǎn)生表面波的好方法。當(dāng)介質(zhì)透鏡跟基片的介電常數(shù)相同或接近時(shí)，介質(zhì)基片和透鏡的光學(xué)特性變得連續(xù)，從而消除表面波效應(yīng)。

2.1 透鏡的分類

介質(zhì)透鏡[11-12]能夠保證絕大多數(shù)電磁波能量均在介質(zhì)基片的半空間傳播?；慕殡姵?shù)越大，電磁波的單向輻射特性越好，一般采用硅介質(zhì)基片。隨著頻率的增加，太赫茲波在透鏡表面的反射損耗逐漸增大，介質(zhì)透鏡本身易加工，剛性較強(qiáng)，熱損耗較小，能高效率地聚焦高斯波束，在太赫茲頻段信號傳輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如圖4所示，各個(gè)超半球透鏡焦點(diǎn)發(fā)出的射線經(jīng)超半球折射是消除球差的，高斯束系統(tǒng)能夠很好的耦合。半球透鏡不改變電磁波束傳播方向，直接將波束延伸到半球鏡中心。橢球透鏡能夠使放在橢球遠(yuǎn)焦點(diǎn)的點(diǎn)源發(fā)出的射線經(jīng)過橢球折射后互相平行。擴(kuò)展半球透鏡通過改變擴(kuò)展長度而改變天線的輻射特性，可以近似為超半球和橢球透鏡，可與不同的準(zhǔn)光系統(tǒng)耦合。橢球透鏡具有較高的耦合效率，波束方向性較好，但是橢球的加工難度大，所以實(shí)用性不強(qiáng)。擴(kuò)展半球透鏡相對于其他透鏡具有易于加工制造、便于安裝固定等特點(diǎn)，是較為合理的介質(zhì)透鏡。

圖4 各介質(zhì)透鏡的示意圖

2.2 擴(kuò)展半球透鏡的擬合

根據(jù)幾何光學(xué)原理，對于橢球透鏡，平行入射的光將匯聚到焦點(diǎn)[13-15]。橢球離心率根據(jù)透鏡介電常數(shù)而決定，圖5為電磁波在橢球透鏡中傳播示意圖。

圖5 電磁波在橢球透鏡中的傳播示意圖

圖6 橢球透鏡與擴(kuò)展半球透鏡各參數(shù)示意圖

通過計(jì)算，將透鏡的參數(shù)簡化為R和h兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)，通過CST可將透鏡建模，并對其參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，使得找到合適的參數(shù)指標(biāo)，且光電導(dǎo)天線的輻射效率獲得增強(qiáng)。定義擴(kuò)展比為N=h/R，根據(jù)公式（11）可得hR=1(n-1)，在文獻(xiàn)[16]中取值為1/n。

2.3 透鏡的設(shè)計(jì)與模擬

太赫茲采用高阻硅作為透鏡的常用材料，由于硅材料的生長制造相對容易，成本可控，對太赫茲波的吸收和散射較少[17]。故選取高阻硅作為擴(kuò)展半球透鏡的材料，硅的介電常數(shù)一般取為εr=11.7。

將硅透鏡放置在太赫茲蝶形光電導(dǎo)天線基底后，如圖7所示。使得更多的太赫茲波能通過硅透鏡輻射出去，進(jìn)而提高輻射效率，增強(qiáng)其方向性，使得更多的太赫茲波沿著想要傳輸?shù)姆较蜻M(jìn)行輻射。

圖7 蝶形天線加載透鏡的示意圖

為了更好的對透鏡半徑進(jìn)行模擬分析，給定初始的擴(kuò)展比N為0.2，對不同半徑的透鏡進(jìn)行數(shù)值模擬。圖8為擴(kuò)展比0.2、半徑為500 μm時(shí)，天線經(jīng)過透鏡后形成的遠(yuǎn)場方向圖，明顯可知經(jīng)過透鏡后，相對于圖3沒加載透鏡，數(shù)值由4.05增加到4.45，方向性提高了大約10%?？芍哥R無論從理論上還是模擬中都會(huì)達(dá)到提高天線方向性的作用。為了觀察透鏡半徑的改變對其方向性的影響，同觀察基底厚度的影響一樣，統(tǒng)計(jì)不同半徑下的方向性數(shù)據(jù)，如表3所示。

圖8 蝶形天線加載透鏡后的模擬結(jié)果圖

表3 不同透鏡半徑相對應(yīng)的天線方向性

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制出不同半徑下的天線方向性的曲線圖，如圖9所示?？梢钥吹诫S著半徑的增加，局部上呈上升趨勢，且當(dāng)半徑為厘米量級時(shí)，天線的方向性獲得了極大的增加，特別是當(dāng)透鏡半徑為1.4 cm時(shí)其方向性獲得了最大值，其值為7.71。這也與日常使用的光電導(dǎo)天線加載的透鏡處于一個(gè)量級。但隨著透鏡半徑越來越大，透鏡材料的吸收損耗也隨著增大，造成了隨著半徑的增大而出現(xiàn)的方向性減小的問題。所以在計(jì)算和模擬半徑的時(shí)候要合理選取，使其獲得最好的輻射效果和較為優(yōu)良的方向性。

圖9 不同半徑下的天線方向性曲線圖

根據(jù)擴(kuò)展半球的公式，可以得出N=h/R=1/（n-1）=0.41，取為1/n時(shí)值為0.29。為了減少CST軟件的運(yùn)行內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間，選取透鏡半徑為500 μm的天線，來獲取不同擴(kuò)展比對透鏡的方向性的影響，同樣與仿真透鏡半徑的步驟相一致，獲得的不同擴(kuò)展比下的方向性如表4所示。

表4 不同拓展比對透鏡方向性的影響

同樣，根據(jù)表4繪制了相應(yīng)的曲線圖，如圖10所示。由圖10可知，曲線有多個(gè)峰值，即中心位置在0.1、0.2、0.3等附近的值較大，越遠(yuǎn)離中心位置其方向性越小。當(dāng)擴(kuò)展比為0.29時(shí)，可以獲得最大的方向性，方向性值為4.68時(shí)，相對于圖三的不加載透鏡時(shí)的方向性有了極大的提升，大約提升了15%，模擬結(jié)果表明當(dāng)擴(kuò)展比的公式選用為h/R=1/n時(shí)與模擬結(jié)果具有很好的一致性。當(dāng)日常生產(chǎn)與仿真擴(kuò)展半球透鏡時(shí)，加載透鏡的擴(kuò)展長度h，應(yīng)優(yōu)先考慮用公式h/R=1/n先進(jìn)行計(jì)算并模擬相應(yīng)的h值以節(jié)約時(shí)間。

圖10 不同擴(kuò)展比相對應(yīng)的天線方向性

3 結(jié)論

本文通過對天線進(jìn)行理論研究與模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著蝶形天線角度的增加，天線的方向性越好，尤其是當(dāng)天線角度為90°時(shí)，蝶形天線達(dá)到了工藝上和應(yīng)用上較為合理的情況，角度達(dá)到120°和150°時(shí)，旁瓣的影響特別嚴(yán)重，影響了天線的正常使用。本文又對基底的厚度進(jìn)行了仿真分析，使其厚度可以在目前允許的工藝精度下加工完成，同時(shí)兼顧成本，確定了70 μm的低溫砷化鎵（LT-GaAs）基底厚度。為了進(jìn)一步的優(yōu)化，使天線更容易應(yīng)用到日常的使用中，通過在蝶形天線后加載透鏡的方式使其方向性更加優(yōu)良。通過對透鏡的設(shè)計(jì)與模擬，以500 μm半徑的透鏡為比較，當(dāng)透鏡擴(kuò)展比恰好為理論值0.29時(shí)，其方向性相對于無透鏡時(shí)提高了15%。固定擴(kuò)展比為0.2時(shí)，對透鏡的半徑進(jìn)行優(yōu)化模擬，可得當(dāng)半徑為1.4 cm時(shí)可獲得最大的方向性，方向性達(dá)到7.71，是無加載透鏡時(shí)天線方向性的190%。綜上所述，可知蝶形天線的角度、基底厚度以及是否加載透鏡的方式可以顯著地提高太赫茲的方向性，為太赫茲光電導(dǎo)天線的發(fā)展提供了參考意義。