太赫兹多频段超材料矩形环天线：基于2×2裂环谐振器阵列与光子带隙结构的性能增强研究

本研究针对太赫兹(THz)频段天线设计面临的带宽、增益和环境适应性等挑战，创新性地将超材料(MTM)、裂环谐振器(SRR)阵列和光子带隙(PBG)结构集成于矩形环天线(RLA)中。采用Kapton和石英织物(QF)为基底，单壁碳纳米管(SWCNTs)为导电材料，实现了0.47-1.1 THz多频段响应，带宽达45-51 GHz，增益提升至3.71 dBi，为生物医学成像、无损检测等应用提供了高性能解决方案。

　　

在无线通信技术飞速发展的今天，太赫兹(THz)频段（0.1-10 THz）因其超高带宽和低延迟特性，被视为6G通信、生物医学成像和安全检测等领域的"黄金频段"。然而，传统天线材料在THz波段面临三大困境：一是高频信号传输损耗大，二是环境适应性差，三是难以兼顾柔性化与高性能。这就像试图用普通收音机接收卫星信号——虽然频段开放，但硬件根本"接不住"。

为解决这一难题，由阿尔及利亚高等教育和科学研究部资助的研究团队在《Optik》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将超材料(Metamaterial, MTM)的负折射特性、裂环谐振器(Split-Ring Resonator, SRR)的多频谐振能力，以及光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)的波导控制功能"三合一"，设计出两种基底版本的矩形环天线(Rectangular Loop Antenna, RLA)。通过计算机仿真优化，Kapton聚酰亚胺基底版本实现0.47/0.85/1.1 THz三频共振，石英织物(Quartz Fabric, QF)版本则获得0.5/0.88 THz双频响应，带宽均超过45 GHz，相当于同时打通了多条THz"高速公路"。

研究采用三大关键技术：1）参数化建模分析，通过调整晶格常数(D)和空气隙尺寸(y)优化PBG结构；2）有限元法(FEM)电磁仿真，评估S₁₁参数和辐射方向图；3）材料表征，测试SWCNTs导电层在THz波段的表面阻抗特性。特别值得注意的是，团队创新性地采用单壁碳纳米管(SWCNTs)替代传统金属导体，其纳米级管状结构形成"电子超导通道"，使天线效率提升至92%以上。

Kapton基底性能
当空气隙尺寸为25 μm时，晶格常数从30 μm增至45 μm，带宽从45 GHz扩展至51 GHz，相当于信号通道拓宽13%。这得益于PBG结构形成的周期性"电磁栅栏"，有效抑制表面波损耗。增益峰值达2.95 dBi，比传统微带天线提高40%。

石英织物优势
QF基底展现出更优异的机械稳定性，在弯曲半径5 mm时性能波动小于3%。其0.88 THz谐振点的辐射效率达94.2%，特别适合集成到柔性传感器中用于血糖监测等生物医学应用。

比较研究启示
与同类THz天线相比，该设计在三个维度实现超越：带宽比石墨烯等离子体天线提升64%，增益比金螺旋MTM天线高0.56 dBi，而成本仅为银基天线的1/8。SRR阵列的引入使天线尺寸缩小至255×355×45 μm³，相当于在头发丝横截面积上建造出完整的多频谐振系统。

这项研究的里程碑意义在于：首先，通过MTM-PBG-SRR三重协同效应，首次在THz波段实现"高频宽、高增益、高柔性"的兼容；其次，环保材料SWCNTs的应用为绿色电子学提供范本；最后，0.4-1.2 THz的宽频覆盖能力，使单一天线即可满足从食品质量检测（0.5-0.6 THz）到皮肤癌早期诊断（1-1.2 THz）的跨领域需求。正如研究者Djamila Ziani在讨论部分强调的，这种"材料-结构-功能"一体化设计策略，为后5G时代的智能传感网络奠定了硬件基础。