[发明专利]一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚波长反射天线用单元，具体讲是一种1-bit反射阵辐射单元及平板反射阵天线，属于天线技术以及电磁功能器件领域。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。

高帧率、高分辨率三维成像雷达要求具有低成本、高增益、实时可控的可重构太赫兹天线扫描技术。目前在毫米波段普遍采用的传统相控阵孔径天线通过机械式扫描和多馈源波束成形实现实时可重构，其缺点是复杂的馈电系统、庞大的接收单元模块、传输线馈电系统的高频损耗等，因此难以满足太赫兹雷达成像系统对高集成化、大带宽、高速率、低成本的要求，也难以实现对太赫兹波频率、极化、辐射特性实时可控的要求。

电控反射阵列天线利用离散控制器件，如PIN结开关、MEMS开关、铁氧体器件、石墨烯、液晶等构建反射单元，不需要传输线馈电网络和大量的接收单元，可以实现快速、自适应的天线可重构和波束扫描。

反射天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可调控的反射阵兼备了反射面天线和相控阵天线的特点。但是传统的反射阵在高频段尤其是太赫兹波段存在加工工艺和偏置网络结构的限制，限制了反射阵天线的电控设计。

近年来随着半导体材料及技术的发展，电控晶体管展现出了卓越的表现，成为了当今微电子产业的核心。微结构单元及阵列是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性，人工微结构目前包含频率选择表面结构(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。随着近代微细加工技术的发展，人工微结构在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

HirokazuKamoda等人利用pin结二极管加载的贴片天线实现了60Ghz的电控扫描[1]，其结构单元，其单元层较多，结构复杂，现有工艺在太赫兹频段很难实现，而且在pin结二极管的响应速率较慢，很难实现高速扫描。介于上述现有的缺点和难点，本设将晶体管和人工微结构结合并巧妙的结构设计，使得馈电与反射单元处于同一层，大大降低了制作难度的同时，提高了单元相位响应时间，从而提高了整个反射阵的扫描速率。

本发明通过将电控晶体管与人工微结构巧妙并有效的结合加利用，提出的一种基于人工微结构结合晶体管的单层反射阵单元及反射阵列，可以制作出对太赫兹电磁波反射调控的新型反射单元，提高了波束扫描速度并克服了现有的工艺和技术的不足。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易加工、损耗小的反射阵列天线，主要通过将人工微结构和电控晶体管阵列相结合，通过对晶体管结构的通断控制，实现天线波束的电控扫描。

本发明解决所述技术问题采用的设计方案为，设计出在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断。最终通过电控改变结构谐振模式来实现单元散射特性的改变从而实现对反射相位的控制。其相移控制的机理具体为当晶体管处于截断状态时，谐振单元结构电容片对入射太赫兹波电场分量呈现很强的电容效应，而晶体管导通时，电容片间形成连接，原先的电容效应消失，由于电容的改变，使得谐振改变，从而改变反射相位。