为了提高场效应晶体管太赫兹探测器的响应度并降低噪声等效功率, 需要对探测器集成平面天线的结构进行合理设计与优化, 本文对集成平面天线结构的场效应晶体管太赫兹探测器的研究进行了深入调研。首先, 对场效应晶体管太赫兹探测器的工作原理进行了分析, 介绍了集成平面天线如何解决耦合太赫兹波效率低的问题。然后, 介绍了一些常用的平面天线结构, 包括偶极子天线、贴片天线、缝隙天线、grating-gate和其他类型的结构, 比较了各种天线的性能以及引入后对太赫兹探测器响应度的影响。通过对比不同天线结构的探测器响应度和噪声等效功率等参数指标, 发现: 采用平面天线结构之后, 场效应晶体管太赫兹探测器的响应度有了大幅度的提升, 各种类型的天线对探测器响应度都有不同程度的提升。本文着重介绍了几种集成于场效应晶体管的平面天线结构, 包括各种天线的性能和研究进展, 最后分析了场效应晶体管太赫兹探测器存在的问题和发展趋势。

基于偶极子组阵结构, 设计了一种具有水平全向辐射方向图和水平极化特性的平面天线。该天线由 3只偶极子天线组成, 每只振子弯折 30°并上下交错印刷在 PCB板的表面上, 构成正六边形环, 环的直径为 0.45λ0(λ0为中心频率处的自由空间波长 )。3只偶极子天线均采用 SMA接头直接顶馈, 从而省略了偶极子天线的馈电巴伦。通过优化偶极子天线振子长度和间距等结构参数, 以及控制馈电相位, 实现水平全向辐射。设计和加工制作了一只工作频率为 2.45 GHz的天线样品, 测试与仿真结果吻合良好, 其 |S11|≤10 dB的相对阻抗带宽为 12.94%(2.367~2.684 GHz), 水平全向增益约为1.42 dBi, 不圆度小于± 0.7 dB。

在场效应晶体管太赫兹探测器中, 合理的天线设计可以增强晶体管和太赫兹波之间的耦合效率, 从而提高太赫兹探测器的响应度.提出一种基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真来设计平面天线的方法.这种方法尤其适用于太赫兹波段晶体管输入阻抗不容易得到的情况.通过流片完成的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器的响应度测试证实了这种方法的有效性.集成碟形天线和双偶极子天线的太赫兹探测器最大响应度分别在170.7 GHz (1568.4 V/W)和124.3 GHz (1047.2 V/W)频点处测得,这个测试结果接近基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真结果.

基于菲涅尔原理及卡塞格伦天线设计方法,设计了一种口面直径为200 mm的卡赛格伦菲涅耳相位修正平面天线。天线采用连续相位修正方式，由一组同心菲涅耳相位修正圆环组成，与传统卡赛格伦抛物面天线相比，该天线具有平面化结构，大大减小了天线自身重量，天线辐射性能较离散相位衍射天线有大幅度提高。在95 GHz频率下，采用物理光学法进行仿真计算，并采用近场扫描系统进行了天线性能测试，天线3 dB波束宽度分别为0.95°及1.05°，天线实测增益为44.1 dB，天线口面效率为65%。