一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，具體指一種基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制作，對天線窄邊進(jìn)行表面金屬鍍膜。天線結(jié)構(gòu)包括太赫茲信號耦合輸入部分、太赫茲諧振腔、以及PMMA表面金屬薄膜鍍層。天線經(jīng)由波導(dǎo)輻射器輸入太赫茲信號并改變其傳輸模式，進(jìn)而有效改變太赫茲電場輻射，來達(dá)到太赫茲近場掃描成像的目的，涉及太赫茲電子器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、易于機(jī)械加工制造、便于與太赫茲標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)進(jìn)行耦合操作的特點(diǎn)，其輸出功率和效率明顯優(yōu)于已有的太赫茲近場掃描天線，在材料缺陷檢測、物質(zhì)成分鑒別方面具有廣闊的市場前景。
【專利說明】
一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波是一種頻率從0.1-10THZ (波長范圍0.03mm-3mm)的電磁波，其在整個(gè)電 磁波頻譜中介于毫米波和遠(yuǎn)紅外之間，處于由電子學(xué)向光子學(xué)過度區(qū)。與微波和毫米波相 比，太赫茲波波長較短，易于實(shí)現(xiàn)極大信號帶寬和極窄天線波束，而且太赫茲波具有高穿透 性、非電離等特點(diǎn)，這些優(yōu)越特性使得太赫茲波在材料無損檢測、材料成分分析以及安全檢 查方面發(fā)揮著重要作用。
[0003] 近年來，隨著科學(xué)界對太赫茲技術(shù)的高度關(guān)注，太赫茲波發(fā)射源的功率和效率變 得越來越成熟，運(yùn)用電子學(xué)倍頻技術(shù)搭建的太赫茲連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射頻率已經(jīng)達(dá)到 110GHz、平均輸出功率已達(dá)200mW以上；同時(shí)，隨著光學(xué)器件的不斷發(fā)展，運(yùn)用太赫茲時(shí)域光 譜系統(tǒng)進(jìn)行太(TDS)赫茲近場成像業(yè)已得到了快速的發(fā)展，其工作頻率已達(dá)lOTHz。這些都 使得太赫茲波用于材料檢測時(shí)的成像的空間分辨率都能夠得到明顯改善，然而受限于瑞利 散射極限，普通的成像雷達(dá)分辨率與波長的關(guān)系為：
[0005] 其中，A為太赫茲波長，a為常數(shù)。當(dāng)a接近于1時(shí)，雷達(dá)的成像分辨率幾乎達(dá)到最高。 為了突破此衍射極限，比較前沿的方法是采用TDS系統(tǒng)搭建基于散射式的掃描近場光學(xué)顯 微鏡來實(shí)現(xiàn)。
[0006] 然而，無論是使用光學(xué)方法還是微波電子倍頻的方法來進(jìn)行近場成像，天線作為 系統(tǒng)的最后一個(gè)元素，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。目前，常見的用于太 赫茲近場成像的天線有:共面探針和同軸線金屬傳輸線、基于諧振槽天線的金屬波導(dǎo)和金 屬涂層的介質(zhì)諧振器，第一種探針天線的工作頻段范圍最大達(dá)到100GHz，但是制造工藝以 及金屬傳輸線使其制作難度增大，其高損耗性使太赫茲電場不能得到很好的利用，第二種 探針天線由于諧振槽受單一固有諧振頻率的限制，其在太赫茲近場成像領(lǐng)域里難以達(dá)到超 寬帶特性。因此，尋求一種易于加工制作、能量利用率高且?guī)挶容^寬的太赫茲近場成像天 線顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明基于以上【背景技術(shù)】的分析，提供一種能夠用于太赫茲近場成像的探針天 線，其工作頻率為太赫茲波段，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中探針天線效率低、機(jī)械制作難度大的問 題。
[0008] 本發(fā)明包括太赫茲信號耦合輸入部分、太赫茲諧振腔和PMMA表面金屬薄膜鍍層， 所述信號耦合輸入部分和太赫茲諧振腔均采用PMMA作為基底材料，其本質(zhì)為介質(zhì)波導(dǎo)， PMMA表面金屬薄膜鍍層包括10nm鈦粘結(jié)層、0.6wii鋁和0 . lwii金。耦合輸入部分用來接收標(biāo) 準(zhǔn)矩形波導(dǎo)饋入的太赫茲信號，太赫茲諧振腔用來對太赫茲信號進(jìn)行放大并將信號發(fā)射到 自由空間里，PMMA表面金屬鍍層用來將輸入的太赫茲信號轉(zhuǎn)化為介質(zhì)波導(dǎo)的基模，PMMA材 料在11 OGHz時(shí)的介電常數(shù)為2.6，介電損耗為0.003。
[0009] 所述親合輸入部分形狀為長方體，端面橫截面積為a = 2mm, b = 1mm，長度為L = 10mm，其中一個(gè)端面用來耦合標(biāo)準(zhǔn)型號的矩形波導(dǎo)，另一端連接太赫茲諧振腔，對長方體窄 邊(b=mm的邊)進(jìn)行金屬鍍膜。
[0010] 所述太赫茲諧振腔的形狀為正四棱錐，其輸入端與耦合輸入部分的輸出端進(jìn)行無 縫連接，對椎體窄邊進(jìn)行金屬鍍膜。
[0011]所述太赫茲諧振腔的輸入端面尺寸為2xlmm2,水平長度為S = 3mm，錐尖輸出端面 尺寸為60x60wn2。
[0012] 所述PMMA表面金屬鍍層從里到外分別為10nm厚的鈦粘結(jié)層、0.6_厚的鋁層和0.1 Ml厚的金保護(hù)層，金屬膜的長和寬與太赫茲耦合輸入部分以及太赫茲諧振腔的窄邊尺寸一 致。
[0013] 所述PMMA表面技術(shù)鍍層的鈦粘結(jié)層在溫度20〇C的電阻率為42yQ .cm，鋁的電阻率 為2.65tin .cm，金的電阻率為2.4tin .cm。
[0014]所述太赫茲信號耦合輸入部分的橫截面比例除按上述具體參數(shù)尺寸設(shè)定之外，可 以通過改變其大小來滿足不同型號的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的信號耦合需求。
[0015] 本發(fā)明工作時(shí)，制作的探針天線直接連接外界標(biāo)準(zhǔn)型號的矩形波導(dǎo)，外界發(fā)射的 太赫茲信號通過耦合輸入部分進(jìn)入天線，并通過信號諧振腔改變其工作模式進(jìn)而輻射到外 部自由空間。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是:機(jī)械制作簡單，探針天線的輸入電場得到了顯著的增強(qiáng)，可 以方便地通過改變耦合輸入端的橫截面尺寸來適應(yīng)各種不同的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，進(jìn)而能夠安 裝到太赫茲成像雷達(dá)設(shè)備上。
【附圖說明】
[0017] 圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為實(shí)施例1的PMMA表面金屬鍍膜示意圖。
[0019] 圖3為實(shí)施例1中電場強(qiáng)度隨傳播距離的變化規(guī)律
[0020] 圖4為實(shí)施例1的電場強(qiáng)度在Y-0-Z面分布圖。
[0021 ]圖5為實(shí)施例1的電場強(qiáng)度在X-0-Z面分布圖。
[0022] 圖6為實(shí)施例1的耦合輸入端的S11示意圖。
[0023] 圖7為實(shí)施例1的耦合輸入端的駐波比示意圖。
[0024]圖8為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖9為實(shí)施例2的電場強(qiáng)度在Y-0-Z面分布圖。
[0026]其中：卜耦合輸入部分，2-太赫茲諧振腔，3-PMMA表面金屬鍍膜，4-鈦粘結(jié)層，5-鋁 工作層，6-金保護(hù)層。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不局限于 下述實(shí)施方式。
[0028] 實(shí)施例1:本實(shí)例利用德國CST(Computer Simulation Technology)公司的三維電 磁場仿真軟件CST MICROWAVE STUDIO(微波工作室)對本實(shí)施例進(jìn)行模擬仿真分析。先在 CST中建立一個(gè)太赫茲波段的探針天線模型。
[0029] 本實(shí)例通過以下方式來制備天線：第一步，通過微納加工技術(shù)制成所需尺寸的太 赫茲耦合輸入部分和太赫茲諧振腔腔體;第二步，采用蒸空鍍膜機(jī)分別在耦合輸入波導(dǎo)和 太赫茲諧振腔體的窄邊進(jìn)行表面金屬鍍膜操作，從里到外分別為鈦粘結(jié)層、鋁工作層和金 保護(hù)層，進(jìn)而制成所需太赫茲波近場探針天線。
[0030] 如圖1和2所示，本實(shí)例包括太赫茲耦合輸入部分1、太赫茲諧振腔2和PMMA表面金 屬鍍膜3,鈦粘結(jié)層4、鋁工作層5和金保護(hù)層6。耦合輸入部分和諧振腔分別進(jìn)行鍍膜操作以 后再進(jìn)行無縫鏈接。由于天線外部信號的輸入要使用標(biāo)準(zhǔn)的矩形金屬空心波導(dǎo)，所以耦合 輸入部分的端面尺寸大小的設(shè)計(jì)須考慮介質(zhì)的介電常數(shù)、介電損耗以及天線的工作頻段。 欲使波導(dǎo)工作在主模TE10模，其天線工作的截止頻率須滿足下式：
[0032]其中，a為矩形波導(dǎo)的寬邊，y為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，在本發(fā)明中設(shè)置為l，e為介質(zhì)在天 線工作頻率的復(fù)介電常數(shù)，在本實(shí)施例中選擇PMMA材料作為耦合輸入部分以及太赫茲諧振 腔的填充介質(zhì)，工作頻率設(shè)置為110GHz，介電常數(shù)實(shí)部設(shè)置為2.6，介電損耗為0.003;耦合 輸入部分的橫截面尺寸設(shè)置為2xlmm 2，長度為10mm。
[0033]太赫茲諧振腔體的輸入信號源自前面的耦合輸入部分并與其無縫連接，其形狀設(shè) 置為正四棱錐，前端面寬度為2xlmm2,水平長度為3mm，諧振腔的輸出端橫截面尺寸大小為 60x60wii 2。當(dāng)從標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)太赫茲信號饋入耦合輸入部分1后，通過在耦合輸入部分1和 太赫茲諧振腔體外側(cè)窄邊表面金屬鍍膜可將TE10模轉(zhuǎn)化為微帶線的Q-TEM模，此時(shí)電場方 向?qū)⒋怪庇谔炀€窄邊進(jìn)行傳播;將腔體設(shè)置為正四棱錐模型，可以減小太赫茲波在腔體內(nèi) 沿著針尖傳播的波阻抗并使其保持穩(wěn)定值。
[0034] PMMA表面金屬鍍膜選擇如圖4-6所示，選擇10nm鈦?zhàn)鳛檎辰Y(jié)層，隨后加入0.6_的 鋁作為工作層，最外層為0.1M!厚的金作為保護(hù)層，中間鋁工作層厚度的選擇依據(jù)是微波頻 率下的趨膚深度來進(jìn)行，BP:
[0036] ，f為天線的實(shí)際工作頻率，〇為鋁的電導(dǎo)率。
[0037] 在用蒸空鍍膜機(jī)對天線的窄邊進(jìn)行金屬鍍膜時(shí)，不鍍膜的部分必須進(jìn)行特殊保 護(hù)，在此用聚四氟乙烯涂層進(jìn)行保護(hù)。
[0038]圖3是天線在工作頻率為110GHz時(shí)電場強(qiáng)度在天線內(nèi)部隨傳播距離的變化規(guī)律仿 真圖，由此能夠清除地看到在諧振腔的針尖末端電場強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)。
[0039]圖4為天線在工作頻率為110GHz時(shí)Y-0-Z面的電場強(qiáng)度的分布圖，圖5為其在X-0-Z 面的的電場強(qiáng)度分布圖，針尖對電場有強(qiáng)聚焦效果，波束寬度約為輸出端橫截面尺寸60。
[0040]圖6為天線的S11隨工作頻率的變化規(guī)律，在110GHz時(shí)大小約為-17dB，圖7為在 110GHz時(shí)天線駐波比變化規(guī)律，在110GHz時(shí)駐波比約為1.35。
[0041 ]實(shí)施例2 :本實(shí)施例中，天線發(fā)射端的波束大小與針尖端口橫截面的比例有關(guān)，在 其他外部條件不變的情況下，如圖8所示，只改變針尖末梢橫截面的長寬比為0.02x1mm2,其 電場強(qiáng)度在天線內(nèi)部傳播的Y-0-Z界面如圖9所示，針尖末端的束寬與端口的寬度成正比。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:是由太赫茲信號耦合輸入 部分(1)、太赫茲諧振腔(2)以及PMMA表面金屬薄膜鍍層(3)組成。2. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 的太赫茲信號耦合輸入部分形狀為長方體，輸入端橫截面比例為2xlmm 2,長度為10mm。3. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 的太赫茲信號耦合輸入部分(1)的耦合信號輸入波長工作在太赫茲附近。4. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 的太赫茲信號耦合輸入部分(1)的制作材料為PMMA。5. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 太赫茲諧振腔（2)的形狀為正四棱錐，錐面輸入端橫截面尺寸為2xlmm 2,椎體水平長度為 3mm 〇6. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 太赫茲諧振腔(2)的太赫茲輸入端緊接太赫茲信號耦合輸入部分(1)的輸出端，工作于主模 模式。7. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 太赫茲諧振腔(2)的腔體錐尖輸出端尺寸為60χ60μπι 2。8. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 太赫茲諧振腔(2)的制作材料為ΡΜΜΑ。9. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所述 ΡΜΜΑ表面金屬薄膜鍍層(3)的金屬鍍層材料全部位于天線窄邊。10. 按照權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲波段近場成像的探針天線，其特征在于:所 述所述ΡΜΜΑ表面金屬薄膜鍍層(3)包含10nm厚的鈦粘結(jié)層(4)、0·6μπι鋁層(5)和Ο.?μπι金作 為保護(hù)層(6)。
【文檔編號】H01Q1/50GK105846070SQ201610230231
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】樊偉, 崔洪亮, 常天英, 賈成艷
【申請人】吉林大學(xué)