[发明专利]一种双曲超材料平面天线

说明书

一种双曲超材料平面天线，包括接地板、双曲超材料结构层、基片以及辐射天线；所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成，形成在所述接地板上；在所述双曲超材料层上形成有所述基片；在所述基片上形成有所述辐射天线。所述双曲超材料平面天线结构易于生产和制造，能够有效提高平面天线的增益及抗干扰能力，易于与其他设备集成，并且不易损坏。

技术领域

本发明涉及平面天线技术领域，尤其是涉及一种基于双曲超材料的太赫兹平面天线。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz、对应波长在3mm-30μm波段内的电磁波。其介于微波与红外可见光之间，处于电子学向光子学的过渡领域。太赫兹波通信具有非常大的潜力，相对于微波通信，太赫兹通信带宽更宽，因此通信传输的容量更大，速度更快；并且太赫兹通信具有更好的保密性及抗干扰能力，因此可以进行更加可靠安全的通信。相比于光通信，太赫兹波波长较长，具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，可以实现全天候的工作。因此太赫兹波以极高的带宽在高保密卫星通信及无线通信上有着广阔的应用前景。

太赫兹天线是太赫兹无线通信系统中重要的器件之一，其中太赫兹平面天线因其尺寸小、质量轻、在大多数实际的太赫兹系统中很容易与其他平面器件集成、易于加工并且价格便宜，因而被广泛研究和使用。太赫兹平面天线由金属接地板，电介质基片，辐射单元以及馈源组成，可以看成是微波波段的平面天线按照频率比缩放而得。但与微波平面天线不同，太赫兹平面天线性能由于电介质基片在太赫兹波段下发生表面波激发和天然材料缺乏固有响应而显著退化，其辐射效率不高，因此天线增益整体不高，这也成为未来太赫兹无线通信系统发展的重大问题之一。

双曲超材料是一种由人工设计的微结构组成的材料，通过设计超材料的结构单元，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以有效地调控其有效介电常数ε和有效磁导率μ。双曲超材料结构具备良好的负折射、反Cerenkov辐射以及逆多普勒等诸多效应。目前，双曲超材料分为层状双曲超材料结构和纳米线双曲超材料结构。2014年，Caner Guclu等人在600nm 波长提出将纳米颗粒和偶极子作为辐射单元放置在银-二氧化硅多层双曲超材料中，可实现纳米天线辐射特性增强100倍。同年，该组研究了在400THz波段银-硅多层双曲超材料附近偶极子阵列和贴片阵列的电磁波传播特性。在以上双曲超材料结构中，由于研究都在光波段，因而大多使用金属作为多层结构的一部分，但在太赫兹波段，金属由于其损耗过大将不再适用。此外，由于双曲超材料均是与复杂的辐射天线结构相结合，导致天线整体结构复杂，不易于加工，不易于与其他器件集成。

目前，提高太赫兹平面天线增益主要有三种处理方法：将天线放置于介质透镜上、将电介质基片厚度做得很薄、以及将电介质基片做成电磁带隙结构。相应的平面天线分别称为：透镜天线、薄膜天线和电磁带隙天线。但是这三种方法仍然存在着以下缺点：(1)透镜天线使得平面天线不再平面化，不易于与其他器件集成；(2)薄膜天线电介质基片太薄，容易损坏；(3)电磁带隙天线设计复杂，不易于加工。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本申请提出了一种基于半导体-电介质多层双曲超材料的太赫兹高增益平面天线，利用了双曲超材料结构特性可将传播中的电磁波聚集，进而整体上提高了太赫兹平面天线的增益，同时，本申请的太赫兹平面天线易于与其他器件集成，不易损坏且制造方便。

本申请提出了一种双曲超材料平面天线，其包括接地板、双曲超材料结构层、基片以及辐射天线；所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成，形成在所述接地板上；在所述双曲超材料层上形成有所述基片；在所述基片上形成有所述辐射天线。

优选为，所述双曲超材料结构层由半导体层和电介质层交替叠加形成，形成在所述接地板上的具体结构为：在所述接地板上形成一层半导体层，然后在所述半导体材料层上再形成一层电介质层；依次顺序，直至层叠至所述双曲超材料层所需的层数。