RU171359U1

RU171359U1 - Integrated antenna

Info

Publication number: RU171359U1
Application number: RU2016148800U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-05-29

Abstract

Полезная модель относится к интегральным антеннами, предназначенным для работы в миллиметровом, терагерцовом и инфракрасном диапазонах длин волн, и может найти применение в терагерцовой микроскопии, в системах построения изображения объектов, медицине и др. Антенна содержит планарные антенны, размещенные на подложке, с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к миллиметровому, терагерцовому или инфракрасному излучениям, и помещенные в область фокусировки излучения соответствующего фокусирующего элемента, изготовленного из материала, прозрачного для падающего излучения. При этом фокусирующий элемент выполнен в виде диэлектрической частицы с характерными размерами не менее λ/2, где λ длина волны используемого излучения, и коэффициентом преломления материала частицы не менее 1.7, а каждый чувствительный элемент с планарной размещаются в диэлектрической частице в области формирования повышенной интенсивности излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. Технический результат заключается в повышении чувствительности и пространственного разрешения интегральной антенны. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to integrated antennas designed to operate in the millimeter, terahertz and infrared wavelength ranges, and can be used in terahertz microscopy, in imaging systems for objects, medicine, etc. An antenna contains planar antennas placed on a substrate with integrated each element sensitive to millimeter, terahertz or infrared radiation, and placed in the focus area of the radiation of the corresponding focusing element made and material transparent to the incident radiation. In this case, the focusing element is made in the form of a dielectric particle with characteristic dimensions of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, and the refractive index of the particle material is at least 1.7, and each sensitive element with a planar particle is placed in a dielectric particle in the region of formation of increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4. The technical result consists in increasing the sensitivity and spatial resolution of the integrated antenna. 3 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к интегральным антеннам, предназначенным для работы в миллиметровом, терагерцовом и инфракрасном диапазонах длин волн, и может найти применение в терагерцовой микроскопии, в системах построения изображения объектов, медицине и др.The utility model relates to integrated antennas designed to operate in the millimeter, terahertz and infrared wavelength ranges, and can be used in terahertz microscopy, in imaging systems for objects, medicine, etc.

Расположенный на стыке хорошо освоенных инфракрасного и микроволнового диапазонов электромагнитного спектра диапазон терагерцовых частот (0.1-10 ТГц) интенсивно осваивается только сейчас. Это освоение стимулировано как вследствие расширения технологий примыкающих к нему диапазонов, так и благодаря специфическим особенностям терагерцового излучения, делающим его необычайно перспективным для фундаментальных и прикладных исследований.Located at the junction of the well-developed infrared and microwave ranges of the electromagnetic spectrum, the range of terahertz frequencies (0.1-10 THz) is being intensively mastered only now. This development is stimulated both as a result of the expansion of the technology of the ranges adjacent to it, and due to the specific features of terahertz radiation, which makes it extremely promising for basic and applied research.

Высокая потребность в высокочувствительных интегральных антеннах при решении задач терагерцовой радиометрии, интро- и рефлектоскопии на практике зачастую сталкивается с неразрешимыми трудностями, поскольку на настоящий момент отсутствуют терагерцовые интегральные антенны, оптимально сочетающие критерии высокой чувствительности, быстродействия, удобства эксплуатации и сравнительно низкой стоимости.The high need for highly sensitive integrated antennas for solving terahertz radiometry, intro and reflectoscopy problems in practice often encounters insoluble difficulties, since there are currently no terahertz integrated antennas that optimally combine criteria of high sensitivity, speed, ease of use, and relatively low cost.

Известны определенные интегральные антенны, которые имеют ряд существенных ограничений и недостатков.Certain integrated antennas are known which have a number of significant limitations and disadvantages.

Известна интегральная антенна, в которой элементарными антеннами были пирамидальные рупоры, расположенные в виде шестигранной решетки Браве и в другом варианте - открытые концы волноводов [Матвеев В.И. Из истории развития неразрушающего контроля // Контроль. Диагностика. - 2005. - №2. - с.71-76].An integrated antenna is known in which the elementary antennas were pyramidal horns located in the form of a hexagonal Bravais lattice and, in another embodiment, the open ends of the waveguides [Matveev V.I. From the history of the development of non-destructive testing // Control. Diagnostics. - 2005. - No. 2. - p. 71-76].

Недостатками устройства являются низкие чувствительность и пространственное разрешение, большие габариты и вес.The disadvantages of the device are low sensitivity and spatial resolution, large dimensions and weight.

Значительно улучшить параметры приемной интегральной антенны удалось с помощью диэлектической линзы, фокусирующей падающее излучение на нее (фокально плоскостные многоэлементные приемники «Focal Plate Area»).It was possible to significantly improve the parameters of the receiving integrated antenna with the help of a dielectric lens focusing the incident radiation on it (focal plane multi-element receivers "Focal Plate Area").

В интегрированных линзовых антеннах миллиметрового, террагерцового и инфракрасного диапазонов широко используются матричные приемники [патенты: РФ 2335823, US 6310346, EP 1369673 и т.д.]. В таких устройствах первичные антенные элементы устанавливаются непосредственно на плоской поверхности диэлектрической линзы, расположенной вблизи ее фокальной поверхности.In integrated millimeter, terahertz, and infrared lens antennas, array receivers are widely used [patents: RF 2335823, US 6310346, EP 1369673, etc.]. In such devices, the primary antenna elements are mounted directly on the flat surface of the dielectric lens located near its focal surface.

Однако чувствительность таких приемных интегральных антенн не велика, кроме того, велика область фокусировки линзы на чувствительном элементе, равная не менее величины дифракционного предела линзы, большие габариты линзы, значительно превышающие длину волны (диаметр не менее 10-20λ) используемого излучения λ, большое расстояние расположения между приемными элементами матрицы. Кроме того, большие размеры активной площади чувствительного элемента с антенной (пикселя), определяемой размером фокального пятна диэлектрической линзы, приводит к большой их емкости, что снижает быстродействие устройства.However, the sensitivity of such receiving integrated antennas is not large, in addition, the area of focusing of the lens on the sensor is large, equal to at least the magnitude of the diffraction limit of the lens, large dimensions of the lens, significantly exceeding the wavelength (diameter of at least 10-20λ) of the radiation used λ, large distance location between the receiving elements of the matrix. In addition, the large size of the active area of the sensitive element with the antenna (pixel), determined by the size of the focal spot of the dielectric lens, leads to their large capacity, which reduces the speed of the device.

Известны интегральные антенны с матричными приемниками, реализованными на планарных структурах, таких как высокочастотные печатные и керамические платы, различные полупроводниковые микросхемы, например [Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed, US Patent 5,706,017, issued January 6, 1998; (Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed, US Patent 5,706,017, issued January 6, 1998, Неизвестный И.Г., Климов Ф.Э., Шумский В.Н. Матричные фотонные приемники для дальней инфракрасной и субмиллиметровой области спектра // УФН, 2012, т. 185, №10, с. 1031-1042, патент РФ №2414688 «Матричный приемник терагерцового излучения»].Known integrated antennas with matrix receivers implemented on planar structures, such as high-frequency printed and ceramic boards, various semiconductor microcircuits, for example [Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed, US Patent 5,706,017, issued January 6, 1998; (Hybrid antenna including a dielectric lens and planar feed, US Patent 5,706,017, issued January 6, 1998, Unknown I.G., Klimov F.E., Shumsky V.N. Matrix photonic receivers for the far infrared and submillimeter spectral regions // UFN, 2012, t. 185, No. 10, p. 1031-1042, RF patent No. 2414688 "Matrix receiver of terahertz radiation"].

В патенте США №6590544 "Dielectric lens assembly for a feed antenna" раскрыт вариант интегральной антенны с планарными антеннами в виде щелевых и спиральных антенных элементов и общей полусферической диэлектрической линзы с многослойным цилиндрическим продолжением.US Pat. No. 6,590,544, "Dielectric lens assembly for a feed antenna", discloses a variant of an integrated antenna with planar antennas in the form of slotted and helical antenna elements and a common hemispherical dielectric lens with a multilayer cylindrical extension.

В патенте США №7683844 "Mm-wave scanning antenna" раскрыт еще один вариант интегрированной линзовой антенны, в котором первичные антенные элементы реализованы на полупроводниковой микросхеме и общей фокусирующей диэлектрической линзы.In US patent No. 7683844 "Mm-wave scanning antenna" disclosed another version of an integrated lens antenna, in which the primary antenna elements are implemented on a semiconductor chip and a common focusing dielectric lens.

Еще один вариант интегрированной линзовой антенны раскрыт в патентной заявке PCT/RU2011/000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device". В указанной заявке раскрыта линзовая антенна с электронным сканированием луча, содержащая общую для всех антенных элементов сферическую диэлектрическую линзу с плоской поверхностью, антенные элементы и систему переключения, выполненную с возможностью подачи сигнала по меньшей мере на один из антенных элементов. В данном варианте первичные антенные элементы реализованы на диэлектрической плате (например, печатной или керамической).Another embodiment of an integrated lens antenna is disclosed in patent application PCT / RU2011 / 000371 "Electronically Beam Steerable Antenna Device". In this application, a lens antenna with electron beam scanning is disclosed, comprising a spherical dielectric lens with a flat surface common to all antenna elements, antenna elements and a switching system configured to supply a signal to at least one of the antenna elements. In this embodiment, the primary antenna elements are implemented on a dielectric board (for example, printed or ceramic).

В качестве прототипа выбрана интегральная антенна, приведенная в работе [A. Rogalski, F. Sizov. Terahertz detectors and focal plane arrays // Opto-Electron. Rev., v. 19, no. 3, 2011, pp. 79-139], состоящей из планарных антенн, размещенных на подложке, с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к миллиметровому, терагерцовому или инфракрасному излучениям, и помещенные в область фокусировки излучения соответствующей фокусирующей линзы, изготовленной из материала, прозрачного для падающего излучения.As a prototype, the integrated antenna described in [A. Rogalski, F. Sizov. Terahertz detectors and focal plane arrays // Opto-Electron. Rev., v. 19, no. 3, 2011, pp. 79-139], consisting of planar antennas placed on a substrate, integrated into each element, sensitive to millimeter, terahertz or infrared radiation, and placed in the radiation focusing area of the corresponding focusing lens made of a material transparent to incident radiation.

Недостатками указанной интегральной антенны является ее низкая чувствительность, обусловленная малой концентрацией энергии фокусирующей линзы, низкое пространственное разрешение, большие габариты.The disadvantages of this integrated antenna is its low sensitivity due to the low concentration of energy of the focusing lens, low spatial resolution, large dimensions.

Область фокусировки излучения у таких линз имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения для идеальной безаберрационной линзы равен 2.44λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Фокальное пятно получило название пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].The radiation focusing region for such lenses has the form of an ellipsoid of revolution. The minimum size of the transverse axis of the ellipsoid of revolution for an ideal non-aberrational lens is 2.44λF / D, where λ is the wavelength of the radiation used, F is the distance from the lens to the focus area, and D is the size of the lens aperture. The focal spot is called the Airy spot [Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

Диаметр пятна Эйри является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная оптическая система, и определяет минимальное расстояние между приемными пикселями.The diameter of the Airy spot is an important parameter of the optical system, which determines its own resolution in the focal plane. It shows the minimum distance between the field of point sources in the focal plane that this optical system is able to register, and determines the minimum distance between the receiving pixels.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности и пространственного разрешения интегральной антенны.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the sensitivity and spatial resolution of the integrated antenna.

Заявляемая интегральная антенна, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных устройств фотоники.The inventive integrated antenna, in addition, provides an actual extension of the instrument arsenal of modern photonics devices.

Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978]. Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].It is known that the fundamental Rayleigh criterion for resolving optical systems is that the minimum size of a distinguishable object is slightly less than the wavelength of the radiation used and is fundamentally limited by the diffraction of this radiation [Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978]. The inability to focus light in free space into a spot with dimensions less than a certain diffraction limit also follows from a relationship such as the Heisenberg uncertainty relation [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of an Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

В результате проведенных исследований было обнаружено что при облучении диэлектрических частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала не менее 1.7, происходит формирование внутри частицы области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: куб, шар, усеченный шар, цилиндр, диск, пирамида, усеченная пирамида и т.д. [И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V. 105, 084102 (2014)]. Кроме того, формирование области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 происходит и в случае при их облучении диэлектрических волной с плоским фронтом и сферически сходящимся фронтом.As a result of the studies, it was found that upon irradiation of dielectric particles with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a material refractive index of at least 1.7, a region with an increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ is formed inside the particle / 3-λ / 4. In this case, the dielectric particles can have a different surface shape: a cube, a ball, a truncated ball, a cylinder, a disk, a pyramid, a truncated pyramid, etc. [I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // "Vestnik NSU. Series: Information Technology". 2014, No. 4, S. 4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V. 105, 084102 (2014)]. In addition, the formation of a region with increased radiation intensity and with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 occurs also in the case when they are irradiated with a dielectric wave with a flat front and a spherically converging front.

На основе диэлектрических частичек, формирующих области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, возможно разработать высокочувствительную интегральную антенну с высоким пространственным разрешением.Based on dielectric particles forming regions with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, it is possible to develop a highly sensitive integrated antenna with high spatial resolution.

Поставленная задача достигается тем, что интегральная антенна, содержащая планарные антенны, размещенные на подложке, с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к миллиметровому, терагерцовому или инфракрасному излучениям, и помещенные в область фокусировки излучения соответствующего фокусирующего элемента, изготовленного из материала прозрачного для падающего излучения, новым является то, что фокусирующий элемент выполнен в виде диэлектрической частицы с характерными размерами не менее λ/2, где λ длина волны используемого излучения, и коэффициентом преломления материала частицы не менее 1.7, а каждый чувствительный элемент с планарной антенной размещаются в диэлектрической частице в области формирования повышенной интенсивности излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4. При этом диэлектрическая частица выполнена в форме куба. При этом диэлектрическая частица выполнена в форме шара. При этом диэлектрическая частица и подложка выполнены из одного материала.The problem is achieved in that the integrated antenna containing planar antennas placed on the substrate, integrated into each element, sensitive to millimeter, terahertz or infrared radiation, and placed in the focus area of the radiation of the corresponding focusing element made of a material transparent to the incident radiation, new is that the focusing element is made in the form of a dielectric particle with characteristic dimensions of at least λ / 2, where λ is the wavelength used radiation refractive material particles and ratio of not less than 1.7, and each sensor element with a planar antenna are arranged in the dielectric particle in the formation of increased radiation intensity with the transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4. In this case, the dielectric particle is made in the form of a cube. In this case, the dielectric particle is made in the form of a ball. In this case, the dielectric particle and the substrate are made of the same material.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведен пример результатов математического моделирования фокусировки излучения в диэлектрическом кубе с размером ребра, равным длине волны падающего излучения, и с коэффициентом преломления материала, равным 2, соответственно для Е и Н поляризаций.In FIG. Figure 1 shows an example of the results of mathematical modeling of focusing radiation in a dielectric cube with an edge size equal to the wavelength of the incident radiation and with a material refractive index of 2, respectively, for E and H polarizations.

На фиг. 2 приведена схема одного пикселя интегральной антенны с кубической диэлектрической частицей.In FIG. 2 shows a diagram of one pixel of an integrated antenna with a cubic dielectric particle.

Обозначения:Designations:

1 - падающее на диэлектрическую частицу излучение;1 - radiation incident on a dielectric particle;

2 - диэлектрическая частица;2 - dielectric particle;

3 - область с повышенной интенсивностью излучения с субволновыми поперечными размерами;3 - region with increased radiation intensity with subwavelength transverse dimensions;

4 - чувствительный элемент;4 - a sensitive element;

5 - планарная антенна;5 - planar antenna;

6 - подложка.6 - substrate.

Как следует из фиг. 1, при падении излучения на диэлектрическую частицу внутри ее может образовываться область с повышенной интенсивностью электромагнитного поля с субволновыми размерами 2. При величине кубической частицы менее половины длины волны падающего излучения область повышенной концентрации электромагнитного излучения не формируется.As follows from FIG. 1, when radiation falls on a dielectric particle, a region with an increased intensity of the electromagnetic field with sub-wave sizes can form inside it. With a cubic particle less than half the wavelength of the incident radiation, a region of increased concentration of electromagnetic radiation is not formed.

Работа интегральной антенны происходит следующим образом. Электромагнитное или оптическое излучение 1 падает на диэлектрическую частицу 2 с характерными размерами не менее λ/2. В результате дифракции и интерференции волн на частице 2 в теле частицы формируется область с повышенной интенсивностью излучения с малыми поперечными размерами 3. Установлено, что при коэффициенте преломления материала частицы 2 менее 1.7 область повышенной интенсивности излучения 3 формируется на внешней границе частицы 2. При увеличении коэффициента преломления материала частицы 2 область с повышенной интенсивности излучения 3 приближается к внешней границе частицы 2, на которую падает излучение 1. Минимальный поперечный размер этой области составляет λ/3-λ/4, что и определяет пространственное разрешение интегральной антенны. В этой области 2 перпендикулярно направлению падения излучения 1 располагается планарная антенна 5, размещенная на подложке 6, с интегрированным в каждую элементом 4, чувствительным к миллиметровому, терагерцовому или инфракрасному излучениям.The operation of the integrated antenna is as follows. Electromagnetic or optical radiation 1 is incident on a dielectric particle 2 with characteristic dimensions of at least λ / 2. As a result of diffraction and interference of waves on particle 2, a region with increased radiation intensity with small transverse dimensions 3 is formed in the particle body. It is established that, with a refractive index of particle 2 material less than 1.7, a region of increased radiation intensity 3 is formed at the outer boundary of particle 2. With an increase in the coefficient the refraction of the material of a particle 2, a region with an increased radiation intensity 3 approaches the outer boundary of a particle 2 onto which radiation 1 falls. The minimum transverse size of this Asti is λ / 3-λ / 4, which determines the spatial resolution of the integrated antenna. In this region 2, perpendicular to the direction of incidence of radiation 1, there is a planar antenna 5 located on the substrate 6, with each element 4 integrated into it, sensitive to millimeter, terahertz or infrared radiation.

Установлено, что за счет меньшего объема области фокусировки диэлектрической частицы по сравнению с областью фокусировки идеальной линзы, достигается повышение интенсивности прошедшего через частицу излучения не менее чем в 5-10 раз. Значительно меньшие размеры диэлектрических частиц, по сравнению с диэлектрической линзой, уменьшают возможное расстояние между приемными пикселями, позволяют уменьшить размер первичной антенны и чувствительного элемента, что позволяет увеличить быстродействие устройства и уменьшить габариты интегральной антенны.It has been established that due to the smaller volume of the focusing region of the dielectric particle in comparison with the focusing region of an ideal lens, an increase in the intensity of radiation transmitted through the particle is achieved by no less than 5-10 times. Significantly smaller sizes of dielectric particles, compared with a dielectric lens, reduce the possible distance between the receiving pixels, reduce the size of the primary antenna and the sensing element, which allows to increase the speed of the device and reduce the size of the integrated antenna.

Claims

1. An integrated antenna comprising planar antennas placed on a substrate, integrated into each element, sensitive to millimeter, terahertz or infrared radiation, and placed in the radiation focusing area of the corresponding focusing element made of a material transparent to incident radiation, characterized in that the focusing element is made in the form of a dielectric particle with characteristic dimensions of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, and the refractive index material particles of at least 1.7, and each sensor element with a planar antenna are arranged in the dielectric particle in the formation of increased radiation intensity with the transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4.

2. The integrated antenna according to claim 1, characterized in that the dielectric particle is made in the form of a cube.

3. The integrated antenna according to claim 1, characterized in that the dielectric particle is made in the form of a ball.

4. The integrated antenna according to claim 1, characterized in that the dielectric particle and the substrate are made of the same material.