单晶集成化太赫兹天线理论与设计

This proposal presents a new approach to the analysis and design of a class of terahertz planar integrated antenna on a monolithic substrate of thickness at the order of 0.001λ0, which is too thin for the commonly known resonant-type antenna to function properly, for being susceptible to low radiation and excessively high conductor losses. Adopting the excitation of the first higher-order mode of a microstrip, the proposal extends the one-dimensional synthetic quasi-TEM (transverse-electric-and-magnetic) mode transmission line, which applies unit cells in one dimension, to form an array of a two-dimensional periodical structure. This enables the synthesis of two-dimensional planes, constituting both upper and lower surfaces of the proposed synthetic transmission line, supporting the leaky EH1 mode. One monolithic antenna design example explains how to overcome the shortcomings of excessive losses caused by the ultra-thin substrate using the extended two-dimensional synthetic periodical structure of periodicity much smaller than the operating wavelength. The proposal reports the theoretical full-wave approach to analyze the monolithic transmission-line structure of finite conductor thickness and finite conductivity, which can be characterized by describing the metal region and air region in the vicinity of the thin metal strip to the so-called metal modes and air modes, respectively. The results lead to the derivation of Green's function for obtaining the complex propagation constant of the leaky EH1 transmission line, rendering a rigorous leaky-mode antenna theory and design methodology, useful for repeating and improving new terahertz monolithic antenna.

本计划提出一种新型的太赫兹频段天线分析与设计方法,旨在克服习知的共振式平面天线无法在单芯片积体电路基板,因基板厚度约是电磁波在真空中波长的0.001倍,无法正常辐射和金属损耗过大,而必需外挂的物理障碍。利用微带线非共振式的第一高阶泄漏波模态( microstrip EH1 leaky mode),本计划借着延伸一维线性的近似TEM 的合成波导至二维平面,进一步克服单晶基板过薄所造成的大量金属损耗之物理障碍。为了能进一步了解及掌握泄露波在极薄的基板且在有限金属电导的情况下之物理特性,结合空气模(air mode) 及 金属模( metal mode)的格林函数展开式来解出泄露波模之复数传播常数。据此,本案得以和商业的电磁软体比对,发展出设计新型天线的严谨理论与方法,得以复制或改进此新型的单芯片积体化太赫兹天线。

本课题研究了单晶集成化太赫兹天线理论，设计和实验，具有重要的理论价值和实际意义。本项目的主要内容和创新点包括：1)在集成电路工艺基础上，建立了一套用于分析周期性波导结构的数值计算方法，可以用于分析周期性合成传输线，周期性基片集成波导(SIW)，以及周期性左手耦合线，该方法称为基于有限元的广义散射矩阵（GSM/FEM）法。GSM/FEM方法结合了三维电磁场论分析软件与数值运算程序,实现了复数传播系数(Complex propagation constant)的精确计算；2)基于GSM/FEM的理论分析，以及0.13 μm 1P8M CMOS 制程工艺,设计一个操作频率在400 GHz的合成传输线泄漏波天线。所制作的天线样品经过片上测量,其输入反射系数从370 GHz至420 GHz与模拟值吻合。天线的模拟增益在400GHz可以达到1.589 dBi,辐射效率为53%，可以实现从22°到64°波束扫频功能；4)建立太赫兹天线测试系统，并且对基于0.13 μm 1P8M CMOS 制程工艺的差分激励合成传输线泄漏波天线进行测量，实际增益在400GHz有1.3 dBi,从390 GHz到405 GHz可以实现30°到45°的连续波束扫描特性。5)同样利用0.13 μm 1P8M 制程工艺，设计了一种工作在太赫兹频段的左手耦合线天线，天线测试的回波损耗S11在420 GHz 小于-13 dB,模拟的天线增益在420 GHz 为2.6 dBi；6）对SIW结构进行了模拟和实际晶片的制作，使用太赫兹测量系统实际测试，推导去嵌入方法处理测量数据，并与理论值进行对比验证SIW泄漏现象。.本工作基于GSM/FEM理论基础，研究了三种波导结构的辐射特性，这三种波导结构均有机会设计太赫兹单晶天线。本研究利用合成传输线和左手耦合线设计出辐射性能良好的太赫兹单晶天线，并且研究了SIW的泄漏现象。以上工作的完成，克服了太赫兹单晶薄膜天线的由于基板厚度小于0.02λ0时产生的两大物理障碍：极低的天线辐射效率和高金属损耗。并且研究合成波导，左手耦合线，以及SIW在太赫兹频段的泄漏特性，不仅可以用于设计漏波天线，也为太赫兹组件的设计提供了指导意义。