一种太赫兹电控编码天线单元及太赫兹电控编码天线

摘要

本申请公开了一种太赫兹电控编码天线单元及太赫兹电控编码天线，涉及电磁波传输功能器件技术领域，包括衬底介质基片、圆波导层、金属控制结构以及金属背板，衬底介质基片为正方形；圆波导层与衬底介质基片层叠设置，圆波导层的开设通孔；金属控制结构设置在衬底介质基片的上，且位于通孔内，金属控制结构用于编码单元的电控；金属背板设置在衬底介质基片的底面上。本申请通过设置在衬底介质基片上的圆波导层在保证单元损耗的情况下扩大单元尺寸，实现超波长单元结构，将金属控制结构隐藏设置在其下方，实现对单元的独立控制，兼顾屏蔽谐振的影响与排布空间，既实现对天线单元的独立控制，又实现扩大单元尺寸降低加工难度。

说明书

技术领域

本申请涉及电磁波传输功能器件技术领域，具体涉及一种太赫兹电控编码天线单元及太赫兹电控编码天线。

背景技术

太赫兹辐射是0.1～10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。在太赫兹编码控制方面也因为存在诸多障碍无法突破，导致无法制造出能够实现独立控制的太赫兹编码天线。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种太赫兹电控编码天线单元及太赫兹电控编码天线，旨在解决现有技术中缺乏能实现独立控制的太赫兹频段的天线单元的问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种太赫兹电控编码天线单元，包括：

衬底介质基片，衬底介质基片为正方形；

圆波导层，圆波导层与衬底介质基片层叠设置，圆波导层的形状与衬底介质基片匹配，圆波导层开设通孔；

金属控制结构，金属控制结构设置在衬底介质基片的靠近圆波导层的一面上，且金属控制结构位于通孔内，金属控制结构用于产生不同长度的谐振；

金属背板，金属背板的形状与衬底介质基片匹配，金属背板与衬底介质基片的远离圆波导层的一面层叠设置。

可选的，金属控制结构包括金属连接组件与电压控制开关管，金属连接组件包括对称设置的阳极金属贴片与阴极金属贴片以及金属线组，其中：

阳极金属贴片与阴极金属贴片的一端相互靠近，并通过电压控制开关管连接，阳极金属贴片与阴极金属贴片用于产生谐振；

金属线组包括阴极电压控制线与阳极电压控制线，阴极电压控制线与阴极金属贴片连接，阳极电压控制线与阳极电压控制线连接。

可选的，阳极电压控制线设置多个，阳极金属贴片与一个阳极电压控制线连接，其余阳极电压控制线用于连接不同编码单元的阳极金属贴片。

可选的，电压控制开关管采用肖特基二极管。

可选的，圆波导层包括表面金属层与支撑基板，支撑基板的形状与衬底介质基片匹配，支撑基板设置在衬底介质基片的靠近圆波导层的一面上，支撑基板的远离衬底介质基片的一面的中心位置开设通孔，支撑基板的远离衬底介质基片的一面以及通孔的孔壁上覆盖表面金属层。

可选的，支撑基板的材质为硅。

可选的，太赫兹电控编码天线单元还包括绝缘层，绝缘层的形状与衬底介质基片匹配，绝缘层设置在衬底介质基片的靠近圆波导层的一面上，绝缘层位于衬底介质基片与圆波导层之间，金属控制结构嵌设于绝缘层内。

可选的，绝缘层的材质为聚酰亚胺。

可选的，衬底介质基片的材质为石英。

此外，为实现上述目的，本申请还提出一种太赫兹电控编码天线，包括若干如本实施例提供的太赫兹电控编码天线单元，若干太赫兹电控编码天线单元呈正交式阵列排布，位于阵列同行上的太赫兹电控编码天线单元的阴极电压控制线相互连接。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

本申请实施例提出的一种太赫兹电控编码天线单元及太赫兹电控编码天线，该天线单元通过正方形的衬底介质基片作为设计基础，以便于在其上进一步设置其他部件，衬底介质基片上的圆波导层，设置了通孔用于嵌入金属控制结构的器件部分，其余金属线即可隐藏到圆波导层下，能够产生不同长度谐振的金属控制结构可实现对单元的独立控制，且金属控制结构的排布空间扩大，能够隐藏在圆波导层之下；圆波导层一方面有带通滤波结构的作用，通过设置合适的工作频段，保留工作频段的入射电磁波而减少非工作频段电磁波的干扰；另一方面，通过圆波导层的收集效应以及金属背板反射电磁波的能力，将入射的电磁波收集并聚集到了圆波导层下方的金属控制结构上，并将金属控制结构作用后的反射电磁波传递和放大出去，通过收集效应扩大了单元尺寸，本申请不仅实现了对天线单元的独立控制，还实现了扩大单元尺寸降低了加工难度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元的侧视剖视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元的正视剖视结构示意图；

图4为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元的俯视结构示意图；

图5为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元中金属连接组件的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元中金属控制结构的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元中圆波导层的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线中所有圆波导层的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的太赫兹电控编码天线单元仿真不同二极管控制状态的散射幅值曲线和散射相位曲线的结果图；

附图中标号说明：

1-圆波导层，11-表面金属层，12-支撑基板，2-绝缘层，3-金属连接组件，31-阳极金属贴片，32-阴极金属贴片，33-阳极电压控制线，34-阴极电压控制线，35-第二阳极电压控制线，36-第三阳极电压控制线，37-第四阳极电压控制线，38-第五阳极电压控制线，4-电压控制开关管，5-衬底介质基片，6-金属背板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

太赫兹辐射是0.1～10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。

目前已有学者提出了编码超材料的概念，设计了一种可独立控制的移相器谐振结构，在8.3-8.9GHz频带内相位差约为180°。单元可独立控制意味着可以通过控制超表面阵列中不同单元的状态实现不同的功能，对超表面阵列进行编码操作，从而实现电磁波的数字调节和实时调节。之后，许多学者对超材料的独立控制也进行了深入的研究。

但是，关于太赫兹频带中的三维波束控制的研究很少，超波长单元的设计也是一大难题，目前实现的主要困难存在两方面，一是受限于尺寸以及加工工艺，要在不进行单元打金属通孔的情况下实现对每个谐振单元状态的独立编码控制；二是由于电控开关尺寸的限制，在实现每个谐振单元状态的独立编码控制的基础上，谐振单元的尺寸要尽可能的大。目前有技术提出在微波波段提出了通过打孔实现每个谐振单元状态的独立控制，但是太赫兹频段频率高波长短，单元尺寸偏小。太赫兹频段的天线单元打孔工艺难度大，打孔后实现金属导通的难度更大。也有技术是通过平面布线的方式实现了对阵列内每个谐振单元状态的独立控制，但是一方面表面的金属布线会产生干扰谐振对器件效果存在影响，另一方面平面布线的阵列在阵列尺寸上存在限制，不同谐振单元之间的间隙并不能放置更多的金属线。

为此，本申请实施例提出一种解决方案：参照附图1-附图7，本申请实施例提供了一种太赫兹电控编码天线单元，包括衬底介质基片5、圆波导层1、金属控制结构以及金属背板6，其中，衬底介质基片5为正方形；圆波导层1的形状与衬底介质基片5匹配，圆波导层1的中心部位开设通孔；通孔的轴线垂直于衬底介质基片5，金属控制结构设置在衬底介质基片5的靠近圆波导层1的一面上，金属控制结构位于通孔内，金属控制结构用于产生不同长度的谐振；金属背板6的形状与衬底介质基片5匹配，金属背板6设置在衬底介质基片5的远离圆波导层1的一面上，圆波导层1、衬底介质基片5以及金属背板6依次层叠设置。

在本实施例中，设置衬底介质基片5作为天线单元的设计基础，通过在衬底介质基片5上设置圆波导层1，圆波导层1上开设通孔用于隐藏设置金属控制结构，圆波导层1一方面有带通滤波结构的作用，通过设置合适的工作频段，保留工作频段的入射电磁波而减少非工作频段电磁干扰的干扰；另一方面，通过圆波导层1的收集效应，将入射的电磁波收集并聚集到了圆波导层1下方的金属控制结构上，并将金属控制结构作用后的反射电磁波传递和放大出去，通过收集效应扩大了单元尺寸，实现超波长单元结构，单元超过了一个波长，降低了加工难度的同时增加了单元的变化空间。

金属控制结构用于产生不同长度的谐振，在天线单元组合使用时，使得每个天线单元都能形成独立的控制，进而再通过圆波导层1与金属背板6的配合，形成金属的壁障，既能使位于二者之间的金属控制结构对单元谐振的影响被屏蔽，又能扩大金属控制结构的排布空间，金属控制结构的金属导线都可以被设置在圆波导层1的覆盖下，屏蔽金属线的电磁干扰，大大降低了布线难度。

需要说明的是，圆波导为波导的一种，是波导的截面为圆形的柱形波导，圆波导所具有的一般性质与矩形波导相似，导波系统又称为传输线，在一个实际的射频、微波系统里，传输线是最基本的构成，它不仅起到连接信号的作用，而且传输线本身也可以构成某些元件，如电容、电感、变压器、谐振电路、滤波器、天线等；圆波导具有损耗较小和双极化的特性，常用于天线馈线中，也可作较远距离的传输线，并广泛用作微波谐振腔。

衬底是具有特定晶面和适当电学，光学和机械特性的用于生长外延层的洁净单晶薄片，其作用有支撑、参与导电、生长等，几微米甚至若干纳米厚的膜必须依附在衬底上才不易断裂、破坏，并且很多衬底都是半导体，比如硅，它和功能材料形成异质结，参与实现器件功能，而在涉及到晶格结构等问题上，有些薄膜必须在合适的衬底上才能长出所需的材料。本实施例中可采用石英作为衬底介质基片5的材料，介电常数约为3.75，磁导率为1，损耗正切为0.003，在其他实施方式中也可以采用本领域常用的硬质介质材料。

在一种实施例中，如附图2-附图6所示，提供一种金属控制结构的实施方式，以便于通过电压控制开关4对天线单元进行控制，简单来说，开关打开前后，金属控制结构所产生的谐振长度不同，具体来说，金属控制结构包括金属连接组件3与电压控制开关管4，金属连接组件3包括对称设置的阳极金属贴片31与阴极金属贴片32以及金属线组，两个金属贴片用于产生谐振，通过电压控制开关4控制二者是否电连接，进而实现对谐振长度的控制，其中：阳极金属贴片31与阴极金属贴片32的一端相互靠近，并通过电压控制开关管4连接；金属线组包括阴极电压控制线34与阳极电压控制线33，阴极电压控制线34与阴极金属贴片32连接，阳极电压控制线33与阳极电压控制线连接31。

本实施例中，为了保证金属贴片与控制线连接后电信号稳定的传输，金属贴片可采用如附图5所示的六边形金属贴片，阳极金属贴片31与阴极金属贴片32通过电压控制开关管4连接，电压控制开关管4是一种可利用电压变化做到线路通断控制的开关，常见的如肖特基二极管，是一种低功耗、超高速半导体器件，在其他实施例中，也可以采用本领域常用的能够实现开关功能的开关器件。肖特基二极管最显著的特点为反向恢复时间极短，可以小到几纳秒，正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用，在通信电源、变频器等中比较常见。金属贴片相对于单元中心形成对称，其相互靠近的一端形成间隙，跨越间隙的电压控制开关管4，其电流输入端和输出端分别与阳极金属贴片31与阴极金属贴片32形成电连接，完成对天线单元的独立控制。

在一种实施例中，如附图2、附图5以及附图6所示，为了便于多个天线单元的组合连接，将阳极电压控制线33设置多个，阳极金属贴片31与一个阳极电压控制线33连接，其余阳极电压控制线33用于连接不同编码单元的阳极金属贴片31，具体的，如附图2和附图6所示，第二阳极电压控制线35、第三阳极电压控制线36、第四阳极电压控制线37以及第五阳极电压控制线38，在由天线单元组成的天线中，每一行的天线单元共用一个阴极电压控制线，自身的电信号通断则通过各自单元的阳极电压控制线与阳极金属贴片31的连接实现，如此即可实现多个天线单元的独立控制。

在一种实施例中，如附图2、附图3所示，为优化天线单元结构，考虑到实际制作天线时，是直接在一个衬底上形成多个单元，在圆波导层1的表面溅射金属表层，光滑的金属表面使得电磁波的传输损耗降低，以将天线单元的特征电连接到外部封装的引线，具体来说，圆波导层1包括表面金属层11与支撑基板12，支撑基板12的形状与衬底介质基片5匹配，支撑基板12设置在衬底介质基片5的靠近圆波导层1的一面上，支撑基板12的远离衬底介质基片5的一面的中心位置开设通孔，且支撑基板12的远离衬底介质基片5的一面以及通孔的孔壁上通过本领域公知的溅射工艺获得表面金属层11并覆盖其上，表面金属层11相当于为圆波导层1下方的金属控制机构增加了金属屏蔽罩，屏蔽了金属控制线对金属贴片的影响又扩大了控制线的排布空间。支撑基板12由于被表面金属层11完全包裹，其材料的选择对于本申请的方案没有影响，可采用本领域常用的硬质材料，如：硅，其介电常数约为11.9，磁导率为1，损耗正切为0.00025，是使用最广泛、制取工艺较为成熟的一种材料。

在一种实施例中，如附图2、附图3所示，为杜绝金属圆波导造成短路的可能，在金属控制结构与圆波导层1之间增加绝缘层2，使得金属控制结构能够隐藏在圆波导层1下面，并通过绝缘层2与表面金属层11隔离，具体来说，太赫兹电控编码天线单元还包括绝缘层2，绝缘层2的形状与衬底介质基片5匹配，绝缘层2设置在衬底介质基片5的靠近圆波导层1的一面上，绝缘层2位于衬底介质基片5与圆波导层1之间，金属控制结构嵌设于绝缘层2内。绝缘层2的材质可以是本领域常用的绝缘的介质材料，其中，绝缘层2的优选材质为聚酰亚胺，介电常数约为35，磁导率为1，损耗正切为0.0027，其耐高温达400℃以上，长期使用温度范围在200℃～300℃，部分无明显熔点，具有高绝缘性能。

基于与前述实施例中同样的发明构思，如附图8所示，本申请实施例还提供一种太赫兹电控编码天线，包括若干如本实施例提供的太赫兹电控编码天线单元，多个太赫兹电控编码天线单元呈正交式阵列排布，位于阵列同行上的太赫兹电控编码天线单元的阴极电压控制线相互连接后与外部接地点连接。实际在制作天线时，衬底介质基片5、圆波导层1、绝缘层2等都是采用大整板材料制作，以使天线中的各单元对应部件形成无缝整体，如附图9是整个呈阵列的天线中形成一体的圆波导层1。

在一种实施例中，对天线单元中的结构参数做出优化，如附图2、附图3、附图5以及附图6所示，具体来说：

天线单元为正方形，长和宽都为a，a＝1000μm，单元大小大于一个波长。

圆波导层1分为表面金属层11和支撑基板12，支撑基板12是在一块整体厚度为h1的介质基板上蚀刻出N×N个直径为R、中心间距为单元尺寸a的通孔，并在支撑基板12上表面和通孔侧壁上溅射表面金属层11，金属层厚度为h4。如图所示的圆波导层1的结构参数为：a＝1000μm，R＝700μm，h1＝200nm，h4＝1um。

衬底介质基片5上表面的金属控制结构3中的阳极电压控制线可以根据阵列排布的实际情况控制其数量，其厚度为h3＝300μm，阳极电压受到外部控制，电压经过阳极电压控制线33受到外部电压的控制；阵列中每一行的阴极电压控制线34连接到一起，最后连接到外部的接地点上。衬底介质基片5上表面的阳极电压控制线33和阴极电压控制线34以及用来控制阵列中其它单元中的第二阳极电压控制线35、第三阳极电压控制线金属线36、第四阳极电压控制线金属线37和第五阳极电压控制线38的宽度都为s，且各阳极电压控制线之间的间距也都为s。

绝缘层2的厚度为h2，金属背板6采用厚度为1um的金属金，如附图中所示的金属控制结构的参数为：h2＝2μm，h4＝1um，b＝240μm，b1＝80μm，c＝210μm，c1＝80μm，c2＝130μm，d＝8μm，g＝60μm，θ＝135°，s＝4μm，参数的含义应当根据附图中的标注方式来理解。

电压控制开关管4为肖特基二极管，二极管长度为m，宽度为n，m＝160μm，n＝60μm，整个阵列中，不同电压控制开关管4开启导通的位置不一样，电磁波谐振通过的位置也不一样，每一行单元的阴极电压控制线34是连在一起的，但是每个单元的阳极电压控制线33是单独接出来的，所以每行中一个单元内电压控制开关管4的开启对本行内其他单元是没有影响的，阵列中每个单元的电磁波谐振状态都是受到独立控制的。

本实施例通过对天线单元关键结构参数、基底厚度和圆波导厚度的调整改善单元间的耦合效应和谐振效应，可以实现理想的散射系数、散射相位变化、扩宽工作带宽、提高工作带宽内平坦度，达到提高器件性能的效果。

本申请实施例中的各天线单元可以共用同层的结构，例如，在一整张介质基片上划分出各天线单元的衬底介质基片部分，划分并非切割为多个分离的基片，而是以其所在位置作虚拟划分，不同位置区域作为对应天线单元的衬底介质基片，划分后，从结构上仍然为一张完整的介质基片。

基于与前述实施例同样的发明构思，如附图8所示，本实施例提出一种太赫兹电控编码天线，包括若干本申请实施例提出的太赫兹电控编码天线单元，若干太赫兹电控编码天线单元呈正交式阵列排布，位于阵列同行上的太赫兹电控编码天线单元的阴极电压控制线34相互连接，并在连接后接地可投入使用。

附图10为仿真不同二极管控制状态的散射幅值曲线和散射相位曲线结果图，散射效率系数曲线和散射相位曲线结果图经高频电磁仿真软件CST模拟得到：二极管断开的时候定义为编码“0”，二极管导通的时候定义为编码“1”；带宽中两种编码状态的反射系数均大于60％，在340GHz-370GHz时的相位差约为180°；“0”的谐振发生在370GHz，而“1”的谐振发生在340GHz和390GHz。通过改变阵列中不同单元的编码状态，可以实现三维空间内远场波束±16°≤θ≤±60°、±16°≤φ≤±60°的角度扫描范围。组成的N×N阵列可以在太赫兹波段实现灵活的三维波束控制，对太赫兹三维波束控制的发展有重要的应用价值。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。