一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，具体指一种基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料制作，对天线窄边进行表面金属镀膜。天线结构包括太赫兹信号耦合输入部分、太赫兹谐振腔、以及PMMA表面金属薄膜镀层。天线经由波导辐射器输入太赫兹信号并改变其传输模式，进而有效改变太赫兹电场辐射，来达到太赫兹近场扫描成像的目的，涉及太赫兹电子器件技术领域。本发明具有结构简单、易于机械加工制造、便于与太赫兹标准波导进行耦合操作的特点，其输出功率和效率明显优于已有的太赫兹近场扫描天线，在材料缺陷检测、物质成分鉴别方面具有广阔的市场前景。
【专利说明】
一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波是一种频率从0.1-10THZ (波长范围0.03mm-3mm)的电磁波，其在整个电 磁波频谱中介于毫米波和远红外之间，处于由电子学向光子学过度区。与微波和毫米波相 比，太赫兹波波长较短，易于实现极大信号带宽和极窄天线波束，而且太赫兹波具有高穿透 性、非电离等特点，这些优越特性使得太赫兹波在材料无损检测、材料成分分析以及安全检 查方面发挥着重要作用。
[0003] 近年来，随着科学界对太赫兹技术的高度关注，太赫兹波发射源的功率和效率变 得越来越成熟，运用电子学倍频技术搭建的太赫兹连续波雷达的发射频率已经达到 110GHz、平均输出功率已达200mW以上；同时，随着光学器件的不断发展，运用太赫兹时域光 谱系统进行太(TDS)赫兹近场成像业已得到了快速的发展，其工作频率已达lOTHz。这些都 使得太赫兹波用于材料检测时的成像的空间分辨率都能够得到明显改善，然而受限于瑞利 散射极限，普通的成像雷达分辨率与波长的关系为：
[0005] 其中，A为太赫兹波长，a为常数。当a接近于1时，雷达的成像分辨率几乎达到最高。 为了突破此衍射极限，比较前沿的方法是采用TDS系统搭建基于散射式的扫描近场光学显 微镜来实现。
[0006] 然而，无论是使用光学方法还是微波电子倍频的方法来进行近场成像，天线作为 系统的最后一个元素，其设计的好坏直接影响着雷达系统的整体性能。目前，常见的用于太 赫兹近场成像的天线有:共面探针和同轴线金属传输线、基于谐振槽天线的金属波导和金 属涂层的介质谐振器，第一种探针天线的工作频段范围最大达到100GHz，但是制造工艺以 及金属传输线使其制作难度增大，其高损耗性使太赫兹电场不能得到很好的利用，第二种 探针天线由于谐振槽受单一固有谐振频率的限制，其在太赫兹近场成像领域里难以达到超 宽带特性。因此，寻求一种易于加工制作、能量利用率高且带宽比较宽的太赫兹近场成像天 线显得尤为重要。
【发明内容】
[0007] 本发明基于以上【背景技术】的分析，提供一种能够用于太赫兹近场成像的探针天 线，其工作频率为太赫兹波段，旨在解决现有技术中探针天线效率低、机械制作难度大的问 题。
[0008] 本发明包括太赫兹信号耦合输入部分、太赫兹谐振腔和PMMA表面金属薄膜镀层， 所述信号耦合输入部分和太赫兹谐振腔均采用PMMA作为基底材料，其本质为介质波导， PMMA表面金属薄膜镀层包括10nm钛粘结层、0.6wii铝和0 . lwii金。耦合输入部分用来接收标 准矩形波导馈入的太赫兹信号，太赫兹谐振腔用来对太赫兹信号进行放大并将信号发射到 自由空间里，PMMA表面金属镀层用来将输入的太赫兹信号转化为介质波导的基模，PMMA材 料在11 OGHz时的介电常数为2.6，介电损耗为0.003。
[0009] 所述親合输入部分形状为长方体，端面横截面积为a = 2mm, b = 1mm，长度为L = 10mm，其中一个端面用来耦合标准型号的矩形波导，另一端连接太赫兹谐振腔，对长方体窄 边(b=mm的边)进行金属镀膜。
[0010] 所述太赫兹谐振腔的形状为正四棱锥，其输入端与耦合输入部分的输出端进行无 缝连接，对椎体窄边进行金属镀膜。
[0011]所述太赫兹谐振腔的输入端面尺寸为2xlmm2,水平长度为S = 3mm，锥尖输出端面 尺寸为60x60wn2。
[0012] 所述PMMA表面金属镀层从里到外分别为10nm厚的钛粘结层、0.6_厚的铝层和0.1 Ml厚的金保护层，金属膜的长和宽与太赫兹耦合输入部分以及太赫兹谐振腔的窄边尺寸一 致。
[0013] 所述PMMA表面技术镀层的钛粘结层在温度20〇C的电阻率为42yQ .cm，铝的电阻率 为2.65tin .cm，金的电阻率为2.4tin .cm。
[0014]所述太赫兹信号耦合输入部分的横截面比例除按上述具体参数尺寸设定之外，可 以通过改变其大小来满足不同型号的标准波导的信号耦合需求。
[0015] 本发明工作时，制作的探针天线直接连接外界标准型号的矩形波导，外界发射的 太赫兹信号通过耦合输入部分进入天线，并通过信号谐振腔改变其工作模式进而辐射到外 部自由空间。
[0016] 本发明的有益效果是:机械制作简单，探针天线的输入电场得到了显著的增强，可 以方便地通过改变耦合输入端的横截面尺寸来适应各种不同的标准矩形波导，进而能够安 装到太赫兹成像雷达设备上。
【附图说明】
[0017] 图1为实施例1的结构示意图。
[0018] 图2为实施例1的PMMA表面金属镀膜示意图。
[0019] 图3为实施例1中电场强度随传播距离的变化规律
[0020] 图4为实施例1的电场强度在Y-0-Z面分布图。
[0021 ]图5为实施例1的电场强度在X-0-Z面分布图。
[0022] 图6为实施例1的耦合输入端的S11示意图。
[0023] 图7为实施例1的耦合输入端的驻波比示意图。
[0024]图8为实施例2的结构示意图。
[0025]图9为实施例2的电场强度在Y-0-Z面分布图。
[0026]其中：卜耦合输入部分，2-太赫兹谐振腔，3-PMMA表面金属镀膜，4-钛粘结层，5-铝 工作层，6-金保护层。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不局限于 下述实施方式。
[0028] 实施例1:本实例利用德国CST(Computer Simulation Technology)公司的三维电 磁场仿真软件CST MICROWAVE STUDIO(微波工作室)对本实施例进行模拟仿真分析。先在 CST中建立一个太赫兹波段的探针天线模型。
[0029] 本实例通过以下方式来制备天线：第一步，通过微纳加工技术制成所需尺寸的太 赫兹耦合输入部分和太赫兹谐振腔腔体;第二步，采用蒸空镀膜机分别在耦合输入波导和 太赫兹谐振腔体的窄边进行表面金属镀膜操作，从里到外分别为钛粘结层、铝工作层和金 保护层，进而制成所需太赫兹波近场探针天线。
[0030] 如图1和2所示，本实例包括太赫兹耦合输入部分1、太赫兹谐振腔2和PMMA表面金 属镀膜3,钛粘结层4、铝工作层5和金保护层6。耦合输入部分和谐振腔分别进行镀膜操作以 后再进行无缝链接。由于天线外部信号的输入要使用标准的矩形金属空心波导，所以耦合 输入部分的端面尺寸大小的设计须考虑介质的介电常数、介电损耗以及天线的工作频段。 欲使波导工作在主模TE10模，其天线工作的截止频率须满足下式：
[0032]其中，a为矩形波导的宽边，y为介质的磁导率，在本发明中设置为l，e为介质在天 线工作频率的复介电常数，在本实施例中选择PMMA材料作为耦合输入部分以及太赫兹谐振 腔的填充介质，工作频率设置为110GHz，介电常数实部设置为2.6，介电损耗为0.003;耦合 输入部分的横截面尺寸设置为2xlmm 2，长度为10mm。
[0033]太赫兹谐振腔体的输入信号源自前面的耦合输入部分并与其无缝连接，其形状设 置为正四棱锥，前端面宽度为2xlmm2,水平长度为3mm，谐振腔的输出端横截面尺寸大小为 60x60wii 2。当从标准矩形波导太赫兹信号馈入耦合输入部分1后，通过在耦合输入部分1和 太赫兹谐振腔体外侧窄边表面金属镀膜可将TE10模转化为微带线的Q-TEM模，此时电场方 向将垂直于天线窄边进行传播;将腔体设置为正四棱锥模型，可以减小太赫兹波在腔体内 沿着针尖传播的波阻抗并使其保持稳定值。
[0034] PMMA表面金属镀膜选择如图4-6所示，选择10nm钛作为粘结层，随后加入0.6_的 铝作为工作层，最外层为0.1M!厚的金作为保护层，中间铝工作层厚度的选择依据是微波频 率下的趋肤深度来进行，BP:
[0036] ，f为天线的实际工作频率，〇为铝的电导率。
[0037] 在用蒸空镀膜机对天线的窄边进行金属镀膜时，不镀膜的部分必须进行特殊保 护，在此用聚四氟乙烯涂层进行保护。
[0038]图3是天线在工作频率为110GHz时电场强度在天线内部随传播距离的变化规律仿 真图，由此能够清除地看到在谐振腔的针尖末端电场强度得到明显增强。
[0039]图4为天线在工作频率为110GHz时Y-0-Z面的电场强度的分布图，图5为其在X-0-Z 面的的电场强度分布图，针尖对电场有强聚焦效果，波束宽度约为输出端横截面尺寸60。
[0040]图6为天线的S11随工作频率的变化规律，在110GHz时大小约为-17dB，图7为在 110GHz时天线驻波比变化规律，在110GHz时驻波比约为1.35。
[0041 ]实施例2 :本实施例中，天线发射端的波束大小与针尖端口横截面的比例有关，在 其他外部条件不变的情况下，如图8所示，只改变针尖末梢横截面的长宽比为0.02x1mm2,其 电场强度在天线内部传播的Y-0-Z界面如图9所示，针尖末端的束宽与端口的宽度成正比。
【主权项】
1. 一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:是由太赫兹信号耦合输入 部分(1)、太赫兹谐振腔(2)以及PMMA表面金属薄膜镀层(3)组成。2. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 的太赫兹信号耦合输入部分形状为长方体，输入端横截面比例为2xlmm 2,长度为10mm。3. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 的太赫兹信号耦合输入部分(1)的耦合信号输入波长工作在太赫兹附近。4. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 的太赫兹信号耦合输入部分(1)的制作材料为PMMA。5. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 太赫兹谐振腔（2)的形状为正四棱锥，锥面输入端横截面尺寸为2xlmm 2,椎体水平长度为 3mm 〇6. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 太赫兹谐振腔(2)的太赫兹输入端紧接太赫兹信号耦合输入部分(1)的输出端，工作于主模 模式。7. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 太赫兹谐振腔(2)的腔体锥尖输出端尺寸为60χ60μπι 2。8. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 太赫兹谐振腔(2)的制作材料为ΡΜΜΑ。9. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所述 ΡΜΜΑ表面金属薄膜镀层(3)的金属镀层材料全部位于天线窄边。10. 按照权利要求1所述的一种用于太赫兹波段近场成像的探针天线，其特征在于:所 述所述ΡΜΜΑ表面金属薄膜镀层(3)包含10nm厚的钛粘结层(4)、0·6μπι铝层(5)和Ο.?μπι金作 为保护层(6)。
【文档编号】H01Q1/50GK105846070SQ201610230231
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】樊伟, 崔洪亮, 常天英, 贾成艳
【申请人】吉林大学