太赫兹天线（一）

钟旻

摘要：文章叙述了天线的作用和辐射电磁波的原理、天线的分类和性能（指标）要求，介绍了一些微波、毫米波和光波中的传统天线在太赫兹天线中的应用。

关键词：太赫兹；口面天线；平面天线；阵列天线；多波束天线

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.001

中图分类号：TN 822          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）03-000-09

1   基本知识[1][2]

1.1 天线的基本作用

天线是向空间辐射或收集携带信息的空间电磁波的装置。据此基本功能，天线可分为发射天线和接收天线两大类，但一部天线可用于发射也可用于接收，或加入双工器之类的装置后可收发共用。虽然发射天线和接收天线在性能要求和工作方式等方面并非完全相同，但理论上可以利用电磁场的互易原理，将接收天线当作发射天线来分析。在下面提到的一些基本性能指标上，它们是具有共性的。

1.2 天线的基本原理

1.2.1 电磁波产生的基本原理

当带电体上的电荷的量和性质（正、负）随时间而发生变化时，它所产生的电、磁场也是随时间而变化的，即，电场中每一点的电场强度（包括大小和方向）、磁场中每一点的磁场强度，在不同时间是不同的。最基本的交变电磁场的波形是随时间做正弦（余弦）变化，称为简谐波。

根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在它的周围产生变化的磁场；同样地，变化的磁场也在它的周围产生变化的电场。

产生交变电磁场之源称为场源，如电流环和电偶极子等。以电流环为例，它是随时间变化的电流流过环形导线形成的。在电流环的周围，引起磁场的环流，它也是随时间而变的；当电流值大时，磁场强，所感应产生的电场也强；当电流值小时，则反之。接下来，所产生的电场又感应出新的磁场……如此交替循环（图1）。这样，在空间某一点观察，将会看到电磁场随时间做强、弱和正、负交替的变化，于是在空间的电磁场强度高低起伏，如水面上的波浪从中心一圈一圈向外扩张一样，电磁场在电流环周围连续不断地扩展并传播到整个空间。这就是电磁波。

由点场源产生的电磁波在空间是以球面波的形式传播的，即在相同时刻，电磁波所到达的各点，均位于以源点为中心的圆球面上。因所传播距离相同，这些电磁波是同相位的。理论上，当距离为无限远时，球面接近为平面，球面波成为平面波，垂直于传播方向的平面为等相面，或称同相面（图2）。

研究证明，电磁波的电场与磁场在空间上是正交的，它们在自由空间以光速传播。图3给出了用电力线和磁力线表示的电磁波的传播图形。图3（a）为某一瞬间的波形分布，给出了此瞬间电磁场的波峰、波谷和零点，随着时间的变化，这些波峰、波谷和零点所在的位置也是跟着变化，沿着传播方向推移的；圖3（b）则用电力线和磁力线的指向和密度表示与图3（a）相应的电磁场分布，力线越密表示电场或磁场的强度越强，最密处相应为波峰或波谷，由力线指向决定。

1.2.2 天线的工作原理

交变电偶极子（两个等量异号交变点电荷组成的系统）可视为最简单的天线。可用其来说明辐射电磁波的过程。如图4所示，当交变电偶极子由零随时间增大时，它所产生的电磁场逐渐增强并向周围空间以光速传播，电磁能量向空间扩散。电矩增大到最大值，然后逐渐减小，靠近电偶极子的电磁能向电偶极子收缩，但有一部分能量已经传播得很远，由于速度有限，来不及收缩回到电偶极子而电矩又再增大，又有新的电磁能量向外传播，把原来尚未回到偶极子的那部分能量再向外推。如此形成了电磁波在空间的传播。

实际应用中，交变电偶极子需要外加交变电压源或电流源来获得，该电压或电流源输出通过金属或介质馈线传输，沿传输线传播的电磁波称为导行波。因此，更完整地说，在无线电通信中，天线是在空间中传播的无线电波（空间电磁波）与在金属导体中传输的导行波之间的接口，与发射机或接收机连接使用。在发射时，无线电发射机通过馈线向天线端口传送导行波，天线将此导行波转换为空间电磁波（无线电波）进行辐射。如图5所示，为便于理解，图中天线张角画得小于180°。对于接收，其过程与之相逆。即天线将收集到的空间电磁波转换为导行波，通过馈线输入接收机进行放大、变频等处理。

2   天线的分类和性能（指标）要求[1][2][3]

天线是无线通信设备中不可或缺的重要组成部分。由于提供服务的场景是多样的（小区、微小区、微微小区……；室内或室外；城市或农村；空中或地面……）；通信基站和用户终端也具有多种类型……这样，就需要选择合适的天线，包括结构类型和技术性能，来为通信提供必要的保证，如通信距离、通信质量、信息的完整性等。

2.1 天线的分类

宏观地说，天线可按工作原理及用途进行分类。在此基础上，可进一步从不同的角度进行分类，例如，按几何学（形状、尺寸等）可分为线天线和面天线两大类。

（1）线天线：短偶极子天线（天线长度小于1/10工作波长）、偶极子天线（天线长度一般为半波长）、单极子天线（偶极子天线之半）、环形天线、螺旋线天线。

（2）面天线：喇叭天线、开槽天线、反射面天线（包括平板天线、角反射器天线、抛物面天线和卡塞格伦天线等）、透镜天线、微带贴片天线、阵列天线。

天线按方向性可分为定向天线、半定向天线、全向天线、多波束天线。

另外，按制作天线的材料，天线可分为金属反射面天线、介质天线、超材料（负反射率）天线。

2.2 衡量天线性能的主要指标

为了恰当地评价天线的电性能，实际中常采用方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、天线效率、增益、极化、输入阻抗、频带宽度、有效面积等一些指标或参数。下面将介绍其中的几个主要特性（性能）参数。

2.2.1 方向图、波束宽度与旁瓣电平

一般天线辐射的电磁波在不同的方向上的强度等参量是不同的，需用方向图来表示天线辐射参量（包括辐射功率密度、场强幅度和相位、极化等）随方向变化的空间分布图形。通常是指从远区场点（注：观察点到天线的距离定义为远区场点，式中，为天线最大尺寸；为波长）的辐射特性，在此区域，天线辐射的球面电磁波可近似为平面波，平面波概念的引入可以简化天线辐射场的分析和计算。实际上人们最关心的是天线辐射能量的空间分布，因此，主要研究辐射强度随空间（三维立体空间范围内）方向变化的方向图。工程上一般采用两个相互正交主平面（E面和H面）上的剖面图来表示，E面是平行于电场矢量的平面；H面是垂直于E面的平面。以電偶极子为例，图6给出了其理想情况下的三维方向图、H面和E面方向图。

实际上，方向图由多个波瓣组成，其中，含辐射最强的方向的波瓣称为主波束（图7），从场强峰值点下降至0.707倍即功率下降一半所对应的角度称为波束宽度（有时称为半功率点波束宽度）。具有方向性的天线称为定向天线。其波束越窄，方向性越强，即将发射功率集中到很小的范围进行辐射，使辐射电磁波的强度更高。

图8是用极坐标的方向图，为波束宽度，更详细地表示为或，也可采用直角坐标表示。

在主瓣波束周围，还分布有多个辐射强度较低的旁瓣，为减少对其他系统或设备的干扰，旁瓣应被抑制到尽可能低的水平，通常规定有明确的数值（如图8中为-20 dB）。图7和图8画出的是单波束的情况，其有关定义也可推广到多波束的场合。图9便是四波束的天线方向图，它是利用直角坐标表示的。4个主波束分布在-30°～+30°之间，多个旁瓣落在主瓣内，发射时形成了对接收方向的附加干扰，这是系统电磁兼容性设计中需要适当解决的。

2.2.2 天线增益

如图10所示。对于相同的发射功率，天线增益是用定向天线辐射时，在接收点接收到的最大功率，与全向天线（各向同性天线，其三维方向图为一圆球）辐射时，在相同接收点接收到的功率之比。就是说天线增益是以各向同性天线为参考，通常用分贝数（dBi）表示。在通信链路中，路径传播损耗和大气、降雨衰减等是制约通信作用距离和通信质量的不利因素，其中应对措施之一，是通过收、发天线的增益来补偿，即通过链路计算提出对天线增益的要求，以达到所需的接收功率（注：根据链路方程，当收发天线相距为时，接收到的功率为，式中，为发射功率；为发射天线增益；为接收天线增益；为工作波长；为大气和降雨等衰减），因此天线增益是一个很重要的技术指标参数。

在线天线中，短偶极子的天线增益为1.5（1.76 dBi），半波偶极子则为1.64（2.15 dBi）。

对于面天线，其增益按正式计算：

式中，A为天线实际口面面积；η为天线效率；λ为工作波长。要说明，由于制作天线的材料、机械加工精度等因素的影响，致使其辐射性能下降，导致η<1。当η=1时，G则为天线的方向性系数，用D表示。其定义是最大辐射强度（功率）与平均辐射强度（功率）之比。

在工程应用中，一般天线，也可用下面的经验公式进行估算：

式中，和分别为E面和H面半功率点波瓣宽度。

2.2.3 工作频率和带宽

未来的太赫兹通信，将采用0.1～10 THz中按国际或国家标准规定给出的某一或某几个频段作为射频，从未来6G应用看，尤为关心的是亚太赫兹（0.1～0.5 THz）这一部分频段。天线应满足其要求，特别是为适应大容量、高速率信息传输的需要，天线应能保证足够的频带宽度。

除上述主要性能指标，还有天线效率、极化方式、输入/输出驻波比、功率容量等，其定义可从有关的天线著作或规范中获悉。

2.3 传统天线的应用

在微波、毫米波和光通信中，已有许多成熟的、典型的天线，其技术可移植到太赫兹通信中去。

实际上，微波高端和毫米波的波长接近光波，所采用的面天线，是借助于几何光学进行开发的。几何光学在光学学科中以光线为基础，其中，光线遵循直线传播定律，即光在均匀媒介中沿直线方向传播；当光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，遵循反射定律和折射定律，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定；第三个基本定律是光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播；而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单相加的。下面举例说明一些微波、毫米波和光波中的传统天线在太赫兹天线中的应用。

2.3.1 喇叭天线[1][2][4]

常见的金属喇叭天线如图11所示。可从声学喇叭方面理解它们的工作原理，其结构的横截面可为圆形或矩形，从波导到开口面横截面尺寸逐渐变大，口面越大，方向性越强。

2.3.2 金属反射面天线[1][2][4][7]

2.3.2.1 抛物面天线

抛物面天线是指使用旋转抛物面作为反射面的天线，其基本原理与聚光探照灯（反射面为镜面）是一样的。如图12所示，与探照灯不同的是，反射面由金属板制成。初级辐射器放在抛物面的焦点上，由其辐射的射线到达抛物面后经反射形成与焦轴平行的射线，即产生沿焦轴同向的定向辐射。

有报导，利用图13所示的偏馈电抛物面天线，即反射面采用切割抛物面的一部分，仍为圆形截面，使置于焦点上馈源喇叭投影落在这一部分抛物面之外，不会遮挡这部分抛物面的反射，这样可提高天线的反射效率。该样品的天线口径为200 mm，工作频率为0.36 THz，半功率波束宽度为0.3°，增益达56 dB。

2.3.2.2 卡塞格伦天线

卡塞格伦天线是典型的光学天线，当应用于太赫兹波时，其构成如图14所示，卡塞格伦天线由主、副反射面和馈电喇叭构成，通过二次反射来辐射或接收电磁波。工作于亚太赫兹频段时，主、副面是用金属制作的。以发射为例，电磁能量从馈电喇叭辐射到达副反射面时产生反射，反射波传播至主反射面再产生反射，进而向空间辐射，如图14中箭头所示。

例如，由美克锐科技公司生产的0.34 THz卡塞格伦天线，馈源为WR-28/UG-387/UM，当天线口径分别为140 mm、340 mm时。在0.32～0.42 THz频段内，增益分别达到51 dB和59.5 dB，是一种适用于要求天线高增益的场合。

2.3.3 透镜天线[1][2][4][5][6]

透镜天线有介质透镜天线介和金属透镜天线两种，每一透镜天线则主要由馈源和透镜两部分组成。馈源放置在透镜的焦点上。图15给出了介质透镜天线介和金属透镜天线的典型结构形状。图15（a）是三种介质透镜的结构形状，分别为单面（凸-平）透镜、双面（凸-凸）透镜、凸-凹透镜。此外还有球形、半球形或可减小厚度和质量的分区透镜（因太赫兹波长很短，此问题并不突出）等。图15（b）是三种金属透镜的结构形状，分别为凹-平形、双凹形（双曲面）和凹-凸形，都是用多片金属构成的。

介质透镜一般利用对电磁波为透明的介质材料制成，其相对介电常数（）在1～12之间，而折射率（）与相对介电常数的关系是。太赫兹透镜天线的工作原理与光学透镜十分相似，照射器（即点辐射源）所辐射的球面波经透镜折射后转化为平面波。具体地说，一个光学透镜会将一束宽光束通过折射形成一束窄光束。折射发生在光以不同速度传播的两种材料的界面上，改变了光束的传播方向。如果光束是由许多光线形成的，则每条光线都可能弯曲；光束边缘的光线弯曲得更多，因此它们最终平行于几乎不弯曲的中心光线。形成一組平行光线组成的光束。每条光线必须在同一时间从透镜焦点处的光源传播到目的地。设介质透镜材料为玻璃，由于光在玻璃中传播得更慢，透镜中间更厚，光线到达透镜的路程短于到达边缘的路程，因光线通过透镜中间速度较缓慢；而边缘较薄，以使通过较长路径的光线能够赶上。再以半球形的介质透镜为例，图16中，中间的光线是垂直入射的，无折射和反射地通过透镜；而上面的一条光线经两次折射后与中间光线平行射出；同理类推，最靠下的光线离开透镜后也是与中间的光线平行的。

实际研究成果的一例是，利用石英（）制作的半球透镜，半径为480 μm，加上特别设计的微带馈电装置，在0.4～1.2 THz频带范围内，平均增益为11.5 dB。

金属透镜的原理是，基于电磁波在波导管和自由空间中以不同的速度传播，于是使用不同长度的波导管来形成透镜，它被称为“光栅”透镜。然而，制作一组平行板更容易形成宽的平行波导（图17），并简单地塑造这些波导的输入和输出边缘，以改变路径长度并形成透镜表面。它与介质透镜的不同之处在于，电磁波在波导中的相位比在自由空间中传播得更快。因此，在这种情况下，金属透镜天线的曲率与等效的光学或介电透镜相反，是凹的而不是凸的。图17中电场矢量与Y轴平行，透镜是在E面上形成的。

一个实例是，中心频率为0.4125 THz、带宽为0.37～0.46 THz的金属透镜，总的尺寸为28 mm×

30 mm×20 mm，构成透镜的金属片长度约4.9 mm，在中心频率处的增益为27.6 dBi，E面和H面半功率波束宽度分别为3.7°和8.4°。

2.3.4 平面天线[1][2][4][8][9][10][11]

2.3.4.1 微带天线

（1）基本构成：如图18所示，在高度为h（<<λ）的一个薄介质基片（如聚四氟乙烯玻璃纤维压层）上，一面镀上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片（如矩形，圆形，椭圆形，六角形等），利用微带线或同轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

（2）基本原理：以矩形贴片为例，贴片长度L为半个微带波长，馈电后电场主要沿贴片与接地板之间的介质中传输，由于L=λ/2，左右两端电场指向是相反的。在两端边缘处，在贴片与接地板之间，电场不严格垂直，存在“边缘效应”，那里的电场分解为两个分量，即与接地板垂直和与接地板平行两个分量，垂直分量反相，切向（水平）分量同相，因此在垂直于贴片面的方向（Z轴）上，微带左右两边边缘是电场切向（水平）分量辐射同相相加，而垂直分量相互抵消。图18给出理想情况下该天线的方向图。

19 理想情况下矩形贴片微带线天线方向图

这种微带天线的突出优点是低剖面，易与收发信机平面电路集成，制作成本也较低；缺点是带宽较窄，增益较低（数分贝或负值）。

要指出，在微波范围内，波长远大于介质厚度；而在THz范围内，当h大于λ时，将使部分辐射功率被捕获在衬底中。因此，在太赫兹范围内，h/λ必须要小得多。例如，天线基片厚度必须小于0.04λ，这时微带线对频率极为敏感，在工艺上也很难实现。

故此种微带天线适用于太赫兹频率的低端（0.1～1 THz）。例如，利用低温共烧陶瓷（LTCC）作基片（），其尺寸是0.6 mm×0.6 mm，微带天线的尺寸是：，中心频率为。

2.3.4.2 平面偶极子天线和螺旋天线

偶极子和螺旋天线都属于线型天线，偶极子的原理已在前面简介。一种用于300 GHz的微带贴片的平面偶极子天线如图20所示。贴片的金属为金，偶极子半长度为115 μm，馈线长度为35μm，二者线宽

10 μm。衬底下层材料采用相对介电常数为12.5的磷化铟（InP），厚度为50 μm，上一层是相对介电常数为2.5的苯并环丁烯（BCB），厚度为6 μm。当加入一反射器后（图20（b）），该偶极子天线可获得5.1 dB的增益。

利用阿基米德螺旋线的平面天线如图21所示。阿基米德螺线亦称等速螺线，当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为阿基米德螺线。基本原理：阿基米德螺旋天线由两条阿基米德螺旋导线组成，此二线按互补方式旋转展开，如图21（a）所示。图21（b）是对数阿基米德螺旋线，用作天线时具有更好的性能。在二螺旋线起点处接入一反相电流源后，电流将沿各自的螺线流动，研究发现，在某些具有同相位置处，将产生电磁辐射，向空间辐射的电磁波是圆极化的。要注意的是，其辐射是垂直于螺旋平面双向的，因此需将其中一面接地或接一吸收材料板，或半球介质透镜以产生高定向辐射（图22）。

研究表明，这种螺旋天线是非频变的，即具有宽带性能。已有报导使用对数阿基米德螺旋天线实现了0.15～3 THz的宽带辐射。图21所示的天线是双臂螺旋结构，实际上，也可采用单臂的结构（图23）。

2.3.4.3 平面引向天线

引向天线（又称Yagi-Uda天线），应用于无线低频时是一种线天线，一般它由一电偶极子天线（又称有源振子）、一反射器（又称反向器或反射振子）和若干引向器（又称引向振子）组成（图24）。反射器和引向器是无源的。有源振子到引向器的方向称为前向；有源振子到反射器的方向为后向。在有源振子所产生电磁场的作用下，反射器和引向器产生感应电流，其大小与相位由无源振子的尺寸以及振子间的距离决定。通过设计和实验调整，如图24的示例中，有源振子与反射器的距离为四分之一波长，而有源振子与第一引向器之间、第一引向器与第二引向器之间距离为0.13，使得反射器和引向器在前向合成的电磁辐射达到最强，而向后辐射很弱。研究表明，引向器数目越多，天线的方向性超强，增益越高。

在太赫兹应用中，由于振子尺寸极小，难以采用传统的线天线结构，而适于在平面上实现。图25便是利用平面电路分别制作的工作于300 GHz（0.3 THz）（图25（a））和115 THz（图25（b））的微带型引向天线。这里就图25（a）之例进一步说明如下：其三维尺寸为322 ×280 ×58 ，由一有源振子、一反射振子的三个引向振子组成。其中反射器振子长度为280，有源振子一半长度为115，与图20给出的衬底结构相同，下层材料采用相对介电常数为12.5的磷化铟（InP），厚度为50，上一层是相对介电常数为2.5的苯并环丁烯（BCB），厚度为6。后者是因其使太赫兹波传播性能更为稳定而加入的。振子贴片金膜厚度为2。

结果显示，在294～410 GHz的频率范围内，该天线增益为5.14 dBi。

线天线中，类似于引向天线的还有对数周期天线（图26（a））。通常由一系列半波偶极子“元件”组成，每个元件含有一对金属棒，沿着天线轴的支撑臂放置。这些元件以频率的对数函数的间隔隔开。在图26（a）中，对数周期天线是由N个平行排列的对称振子按照结构周期率构成的，有如下关系式

式中，、、分别是两相邻振子的间距、虚顶点至最长振子之间的距离、天线的几何顶点到第n个振子的垂直距离；振子的序号为n。

对数周期偶极子天线的整体结构取决于周期率和结构张角2α。当周期率和2α确定后，对数周期天线的几何结构也就确定了。由于。所以

图26（b）是应用于太赫兹波的对数周期天线，衬底材料是相对介电常数为2.2的Roger RT/Duroid5880，而将石墨烯作为导体材料。与传统的天线不同，在天线的输入端增加了一对偶极子，以改善其增益与宽带性能，电路板的尺寸为500 ×450 ×

10 。理论计算表明，在0.09～30.14 THz范围内，其峰值增益达16.02 dBi。

2.3.5 阵列天线[9][12][13][14]

上面所介绍的平面天线，在作为单个辐射元件的情况下，一般只具有低增益和宽波束特性，为了满足太赫兹通信系统中高增益、窄波束的使用要求，通常需要采用具有大量辐射单元组成阵列天线。而上述平面单元天线的优点之一是，便于在平面单元的基础上构成阵列，其中的一些案例介绍如下。

2.3.5.1 微带阵列天线

可以通过串馈或并馈将微带阵元连接构成微带阵列天线，图27（a）、（b）分别为较简单的并馈和串馈的微带阵列天线。

在图27（a）中，天线阵列由4个双频段阵元组成。工作于中心频率为0.714 THz和0.741 THz、带宽分别为4.71 GHz和3.13 GHz的太赫兹，先通过一分为二的功率分配器，分两路分别馈送到下一级的两个功分器，然后通过四路微带传输线将信号馈送给四个阵元。微带电路板的尺寸为2920 ×1055 ×10 ，微带基片衬底材料为聚酰亚胺（）。此微带阵列天线的增益分别为11.23～12.12 dB（0.714 THz）、9.65～11.64 dB（0.741 THz）。

图27（b）是在2 mm×1 mm×0.1 mm、基片材料为液晶（）的微带板上，由4个椭圆形微带贴片阵元串馈组成的阵列天线。工作中心频率为0.35 THz，天线增益12.1 dB。

若需更高的天线增益，则需更多的数量的阵元。 在图28的例子中，是工作于1.6 THz的10×10微带天线阵列，基片材料采用相对介电常数为3.5的聚酰亚胺，尺寸为2 mm×2 mm，阵元为六角形微带贴片。该阵列的增益为20.8 dB。由于太赫兹波长极短，大量阵元组成的阵列的微带电路尺寸仍是甚小，在集成电路中是可以接受的。

2.3.5.2 引向阵列天线

一种工作于0.3 THz的1×4引向天线阵列如图29所示。每一单元的基本结构与图25（a）是類似的，不同的是将引向器增加到5个，整个阵列微带板的尺寸为1122 ×1780 ×58 ，结果在294～376 GHz频率范围内，最大增益达13.9 dB。

（1）利用拋物反射面与多个馈源的组合，可产生不同指向的多波束。这是在通信卫星上获得广泛采用的多波束天线。如图30所示，图30（a）中，利用金属抛物面作为主反射面，由n个馈源组成的阵列置于主反射面焦点及附近周围，电磁波辐射到主面后形成多波束。图30（b）中，则利用偏馈抛物面天线产生多波束。

（2）利用介质透镜和多个馈源组合，可产生不同指向的多波束，如图31所示。其中，图31（a）是利用单面透镜，馈源阵列放在透镜的焦点及附近，位于焦点处的红色馈源照射透镜后产生的波束指向位于透镜的焦轴上，其他的馈源则因偏焦产生的波束指向偏转方向，从而形成不同指向的多波束。图31（b）为龙伯格（Luneberg）透镜，通常是利用具有球对称的非均匀介质材料制成的。其折射率为，式中，是透镜的矢径；是球心到球内任一点的距离或称为内半径。工程中，要使Luneberg透镜的介质材料满足的要求比较困难，一般采用多层介电常数不同的均匀分布的同心介质球壳来构成。Luneberg透镜对来自任何方向的入射波必聚焦在与入射方向相对应的透镜径向表面上。因此，沿着此透镜表面放置多个馈源，则可以形成多波束。而移动单个馈源可以实现波束扫描。图31（c）是利用半球或半椭球（又称为Maxwell鱼眼）介质透镜，其折射率为。将n个馈源沿半球表面摆放，电磁波入射透镜后将产生n个不同指向的波束。

上述所使用的介质透镜是三维的，在某些应用场合下，也可变成平面型的，其中一例如图32所示。它是利用平面金属透镜或金属加载介质透镜，加上平面馈电阵列构成的。平面馈电阵列是在一层介质上加上一组金属贴片，作为馈源，将太赫兹电磁波辐射到透镜而产生多波束。

（3）利用微带阵列构成的多波束天线。利用多个微带阵元，加入馈电和移相网络，可产生多波束（图33为4波束示例）。馈电方式可用并馈或串馈，或串并馈结合。加入移相网络，是使某些阵元的激励电流增加适当的相位移，以控制电磁波辐射的方向，最终使阵列产生多个不同指向的多波束。

3   结束语

对天线的性能评估有一系列的指标，本讲座就其中几项做了说明。太赫兹通信的突出问题是传播距离引入的损耗，为补偿此损耗，收、发天线必须提供足够高的增益，这是特别值得关注的。微波、毫米波和光学天线，包括线型、面型和三维结构的天线，可被移植应用于太赫兹波。本讲座列举了若干案例并简要说明了其原理，所介绍的传统天线可应用于不同的场景。一般天线的尺寸与工作波长密切相关，因太赫兹波长极短，可通过巨量的阵元构成高增益的天线；而在平面集成电路中，随着工作频率的增高，因单（阵）元过小，会产生一些新的矛盾，需要采用新材料、新结构来构成新颖的天线。

参考文献

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