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太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线

阅读：185发布：2020-05-13

专利汇可以提供太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于，包括：基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片；天线接地板为全乙炔黑导电墨水接地结构；乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片是由分形宽缝小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；分形宽缝小天线的结构包括正方形外边界，以及，将与正方形外边界同心且平行的正方形内边界的四边分别替换为阶数相同的1阶或2阶或3阶科赫分形线的雪花状宽缝内边界。本发明具有优异的宽频带工作特性，辐射强度较高，具有很好的抗腐蚀性，可以在室外露天环境下长期工作，应用领域优于只能封装在设备中工作的现有太赫兹波段常规天线。，下面是太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于，包括：基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片；所述天线接地板为全乙炔黑导电墨水接地结构；所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片是由分形宽缝小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述分形宽缝小天线的结构包括正方形外边界，以及，将与正方形外边界同心且平行的正方形内边界的四边分别替换为阶数相同的1阶或2阶或3阶科赫分形线的雪花状宽缝内边界。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述分形宽缝小天线的尺寸为45μm±1μm×45μm±1μm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述正方形外边界的边长为45μm±1μm；所述雪花状宽缝内边界的尺寸为42.6μm±0.1μm×42.6μm±0.1μm。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片的天线阵列包括5行，其中第1行和第5行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用1阶科赫分形线，第2行和第4行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用2阶科赫分形线，第3行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用3阶科赫分形线。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片由20个分形宽缝小天线按照5行4列矩形阵列结构排列组成。
6.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片至少包括5行4列共20个阵元区域，每个阵元区域的大小为50μm±1μm×50μm±1μm，每个阵元区域的中心设置一个分形宽缝小天线。
7.根据权利要求1所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述每个分形宽缝小天线的底边中心位置设有馈电点。
8.根据权利要求1-7其中任一所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板，相对介电常数为20±3。
9.根据权利要求1-7其中任一所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸为200μm±1μm×250μm±1μm，厚度为10μm±1μm。
10.根据权利要求1-7其中任一所述的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于：所述天线接地板和乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片由乙炔黑导电墨水印制而成。

说明书全文

太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线

技术领域

[0001] 本发明属于移动终端天线领域，尤其涉及一种太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线。

背景技术

[0002] 随着太赫兹波源和太赫兹波检测技术的不断发展，太赫兹波得到了越来越广泛的应用。太赫兹波的工作频率介于微波和红外波段之间，其常用工作频率范围为0.1～10 THz（1 THz=1012Hz）。太赫兹波兼具微波和光波的性能特点，拥有许多其他频段电磁波所不具备的优异性能。太赫兹波的能量较低，用于对生物体进行检测时，不会伤害检测对象，有望在医疗检测领域得到广泛应用；太赫兹波的频率是微波的500-1000倍，频率宽度很大，可以携带大量信息，将太赫兹波用于通信领域，将会使传输速度向前跨越一大步，使通信技术发展迈上一层新的台阶；太赫兹波具有极好的穿透性，对于非极性液体有着很好的透视成像效果，基于太赫兹波的成像技术在安检领域可以发挥重要作用；太赫兹波的光子能量约为4.14 mcV，在宇宙大爆炸过程中发射出的98%的光子能量都位于太赫兹的频率范围，太赫兹波将是未来宇宙探测使用的主要电磁波。

[0003] 太赫兹波段设备离不开作为太赫兹波发射和接收装置的太赫兹波段天线。现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求是：能够在太赫兹波段宽频带工作，绝对工作带宽大于0.1 THz，相对工作带宽大于10%，工作中心频率在1 THz附近，辐射强度较高，回波损耗的最小值小于-20 dB，可以在各种不可预知的电磁环境中保证太赫兹电磁波的传输质量。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的不足和空白，本发明目的在于提供一种能够在太赫兹波段宽频带工作，绝对工作带宽大于0.1 THz，相对工作带宽大于10%，工作中心频率在1 THz附近，辐射强度较高，回波损耗的最小值小于-20 dB的新的天线结构设计，具体采用以下技术方案：一种太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，其特征在于，包括：基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片；所述天线接地板为全乙炔黑导电墨水接地结构；所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片是由分形宽缝小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述分形宽缝小天线的结构包括正方形外边界，以及，将与正方形外边界同心且平行的正方形内边界的四边分别替换为阶数相同的1阶或2阶或3阶科赫分形线的雪花状宽缝内边界。

[0005] 优选地，所述分形宽缝小天线的尺寸为45μm±1μm×45μm±1μm。

[0006] 优选地，所述正方形外边界的边长为45μm±1μm；所述雪花状宽缝内边界的尺寸为42.6μm±0.1μm×42.6μm±0.1μm。

[0007] 优选地，所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片的天线阵列包括5行，其中第1行和第5行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用1阶科赫分形线，第2行和第4行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用2阶科赫分形线，第3行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用3阶科赫分形线。

[0008] 优选地，所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片由20个分形宽缝小天线按照5行4列矩形阵列结构排列组成。

[0009] 优选地，所述乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片至少包括5行4列共20个阵元区域，每个阵元区域的大小为50μm±1μm×50μm±1μm，每个阵元区域的中心设置一个分形宽缝小天线。

[0010] 优选地，所述每个分形宽缝小天线的底边中心位置设有馈电点。

[0011] 优选地，所述基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板，相对介电常数为20±3。

[0012] 优选地，所述基板的形状为矩形，尺寸为200μm±1μm×250μm±1μm，厚度为10μm±1μm。

[0013] 优选地，所述天线接地板和乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片由乙炔黑导电墨水印制而成。

[0014] 分形宽缝天线是在正方形天线辐射贴片中心开出分形雪花宽缝而得到，分形雪花的四条边沿形状为相同阶数的分形结构。分形宽缝天线的缝隙边沿为分形结构，具有自相似性，射频电流在天线内部分布很均匀，天线具有很好的宽频带工作特性。

[0015] 在本发明相关技术方案中，单个分形宽缝天线的工作带宽较大，但是辐射强度不高。使用分形宽缝天线作为阵元天线，使用矩形阵列结构组成天线阵列之后，多个分形宽缝天线的辐射叠加，可以有效提高天线的辐射强度。如果让天线阵列中各行的分形宽缝天线使用的分形结构的阶数逐渐变化，各行的分形宽缝天线的工作频率也随之逐渐变化，多行不同工作频率的分形宽缝天线的辐射相叠加，可以形成一个辐射强度较高、工作带宽较大的工作频段。

[0016] 乙炔黑由乙炔经高温裂解加工制成，化学性质稳定性极高，具有很好的表面活性和很高的导电率。乙炔黑导电墨水的导电效果较好，且墨水中不含金属，在室外使用时具有很好的抗腐蚀性。

[0017] 本发明采用分形宽缝天线作为阵元天线，利用分形结构的自相似性使阵元天线内部电流分布均匀，保证了天线具有宽频带工作特性；使用矩形阵列结构组阵，有效的提高了天线的辐射强度；天线阵列中各行的分形宽缝天线使用的分形结构的阶数逐渐变化，各行的分形宽缝天线的工作频率逐渐变化并相互叠加，进一步展宽了天线的工作频带。使用化学性质很稳定的乙炔黑导电墨水制作天线接地板和辐射贴片，保证天线具有较好的抗腐蚀性，延长了天线的使用寿命，让天线具备了室外露天工作的能力。

[0018] 实测结果显示，本发明优选方案提供的天线的工作中心频率为0.982 THz，回波损耗最小值为-48.21 dB，天线工作频带范围为0.542～1.438 THz，绝对工作带宽为0.896 THz，相对工作带宽为90.51%，表明现有太赫兹设备所提出的各项性能要求该天线均可以满足。

[0019] 与用于太赫兹波段的常规天线比较：该种设计的天线具有优异的宽频带工作特性，工作带宽达到0.896 THz，远超现有太赫兹波段常规天线0.1 THz的工作带宽水平；该种设计的天线辐射强度较高，回波损耗最小值低达-48.21 dB，远超现有太赫兹波段常规天线回波损耗最小值-20 dB的性能水平。该种设计的天线使用乙炔黑导电墨水制作接地板和辐射贴片，具有很好的抗腐蚀性，可以在室外露天环境下长期工作，应用领域优于只能封装在设备中工作的现有太赫兹波段常规天线。附图说明

[0020] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1为1阶、2阶、3阶科赫分形线的结构示意图；
图2为本发明实施例中雪花状宽缝内边界采用1阶、2阶、3阶科赫分形线的分形宽缝小天线结构示意图；
图3为本发明实施例中乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片结构示意图；
图4为本发明实施例中实测天线回波损耗示意图。

具体实施方式

[0021] 为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：本发明实施例包括：基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片；天线接地板为由乙炔黑导电墨水印制而成的全乙炔黑导电墨水接地结构；乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片也是由乙炔黑导电墨水印制而成；乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片是由分形宽缝小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；
分形宽缝小天线的结构包括正方形外边界，以及，将与正方形外边界同心且平行的正方形内边界的四边分别替换为阶数相同的1阶或2阶或3阶科赫分形线的雪花状宽缝内边界，如图2所示。

[0022] 如图1所示，科赫分形是一种线分形结构，其中对线的科赫分形规律是：初始元为一段直线段（0阶），将它等分为三段小线段，将中间的一段小线段用长度相同、成60度角的两段小线段替代，可以得到1阶科赫分形线；对1阶科赫分形线的每条直线段做相似的替换，可以得到2阶科赫分形线；这样一直迭代替换下去，可以得到高阶科赫分形线。

[0023] 在本实施例中，分形宽缝小天线的尺寸为45μm±1μm×45μm±1μm，其中正方形外边界的边长为45μm±1μm；雪花状宽缝内边界的尺寸为42.6μm±0.1μm×42.6μm±0.1μm。

[0024] 本实施例中，乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构。

[0025] 单个分形宽缝小天线的工作带宽较大，但是辐射强度难以达到要求。使用矩形阵列结构组阵之后，多个分形宽缝小天线的辐射叠加，可以有效提高天线的辐射强度。

[0026] 如图3所示，乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片包括5行4列共20个阵元区域，每个阵元区域的大小为50μm±1μm×50μm±1μm，每个阵元区域的中心设置一个分形宽缝小天线；20个分形宽缝小天线按照5行4列矩形阵列结构排列。其中第1行和第5行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用1阶科赫分形线，第2行和第4行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用2阶科赫分形线，第3行分形宽缝小天线的雪花状宽缝内边界采用3阶科赫分形线。

[0027] 分形宽缝小天线的缝隙边沿为分形结构，具有自相似性，射频电流在天线内部分布很均匀，天线具有很好的宽频带工作特性。乙炔黑渐变分形宽缝阵列辐射贴片中，各行的分形宽缝小天线使用的科赫分形结构的阶数逐渐变化，各行的分形宽缝小天线的工作频率也随之逐渐变化，多行不同工作频率的分形宽缝小天线的辐射相叠加，可以形成一个辐射强度较高、工作带宽较大的工作频段。

[0028] 其中，每个分形宽缝小天线的底边中心位置设有馈电点。

[0029] 在本实施例中，基板为低损耗太赫兹波段透波陶瓷基板，相对介电常数为20±3。

[0030] 基板的形状为矩形，尺寸为200μm±1μm×250μm±1μm，厚度为10μm±1μm。

[0031] 如图4所示，提供了本发明实施例结构对应天线的回波损耗(S11)性能图，实测结果显示，该天线的工作中心频率为0.982 THz，回波损耗最小值为-48.21 dB，天线工作频带范围为0.542～1.438 THz，绝对工作带宽为0.896 THz，相对工作带宽为90.51%，能够在太赫兹波段宽频带工作，绝对工作带宽远大于0.1 THz，相对工作带宽远大于10%，回波损耗的最小值远小于-20 dB，具有较大的性能冗余，能够完全满足现有太赫兹设备对于太赫兹波段天线的性能要求，在太赫兹波传输和处理领域具有广阔的应用前景。

[0032] 本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

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