[发明专利]一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法

说明书

本发明公开了一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，该探测装置主要由正交极化发射天线、旋转探测平台、正交极化接收天线三个部分组成。旋转台以不同的角度旋转多次，测量每次的发射和接收太赫兹垂直极化和水平极化信号比值处理之后再次做比，所得到的比值是关于介质介电常数和电导率的方程，联立方程即可测出介质的介电常数和电导率，进而得到介质材料的复介电常数，实现介质材料的电磁参数定性研究分析。该装置结构简单，测量方法易于实现，太赫兹频段的天线尺寸达到毫米级以下，小尺寸的天线可与CMOS电路集成在芯片内，具有小型、集成化及便携式的优良特性。

技术领域

本发明属于太赫兹成像技术领域，具体涉及一种基于片上正交极化天线探测介质介电常数和电导率的太赫兹探测方法。

背景技术

太赫兹波(THz)信号频率范围是0.1THz-10THz，信号波长在3mm-30μm之间。近年来，由于THz辐射源与探测器技术不断取得突破，尤其是超快激光技术和半导体材料技术的快速发展，大大促进了THz技术的研究与应用。太赫兹波穿透性好，能够穿透非极性液体和许多介电材料(塑料、纸张等)，同时对非极性不透明材料进行成像，获得比X射线更高的对比度，作为超声波和X射线成像技术的补充。另外，太赫兹光子能量小(相比于X射线的光子能量为千电子伏)，1THz频率光子的能量只有4meV，不会对生物分子及活体组织的检测产生电离等危害。由于THz波的独特物质响应特性，使其作为探测技术的优势日渐突出，并使在真正意义上实现无损探测成为了可能。

太赫兹探测装置的研究主要分为光学方法和固态电子学方法。传统光学方法构建的太赫兹探测装置体积庞大，成本高昂，同时，由于光学方法的种种局限性使其不易推广普及以及广泛应用。然而，目前，CMOS器件的特征尺寸已进入20nm，晶体管截止频率f_t突破了500GHz，以微电子学方法实现太赫兹单片集成电路(TMIC)已从工艺硬件上获得了可行性。相比光学方法，以CMOS工艺实现的系统体积小、易于集成、对环境温度要求低，在太赫兹应用中具有较大的优势。因此，随着微电子技术的快速发展和固态集成电路制造技术逐渐成熟，太赫兹探测器的固态集成化便携式研究成为可能，而且优势日益彰显。天线的尺寸与频率大小成反比，当探测信号频率在太赫兹波段时，小尺寸的天线集成在CMOS芯片上，与集成电路结合在一起，使得基于片上正交极化天线探测介质介电常数和电导率的太赫兹探测装置和方法的设计成为可能，基于片上正交极化天线的太赫兹探测技术可以准确获取介质的复介电常数，介质的介电常数不仅表明了其绝缘性能，同时实部和虚部分别表示了介质探测时的相位调制和振幅调制，即色散和增益/损耗特性，这对物料特性的探测具有十分重要的意义。这也是太赫兹探测系统尽管其价格高昂，但因其探测信息完全，仍然在农业、医疗等科研院所的太赫兹探测研究中占主要地位的原因。因此，太赫兹探测技术的研究将具有重要意义和广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法。该探测装置主要应用于对物质内部品质参数等精细领域的便携精准探测，主要探测物质的介电常数和电导率，对物质特性的探测具有十分重要的意义。

本发明的技术方案为：

一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，基于垂直极化原理采用极化天线获取垂直极化电磁波接收信号与入射信号比值关系，推导垂直极化下该比值与入射角之间关系方程；

步骤2，基于水平极化原理获取相同入射角水平极化情况下电磁波接收信号与入射信号比值关系，推导水平极化该比值与入射角之间关系方程；

步骤3，在该探测入射角下,利用步骤1-2所得垂直极化太赫兹信号比值与水平极化太赫兹信号比值处理之后再次做比，获取介质材料的介电常数和介质电导率与进入介质的入射角之间的一种有效关系；

步骤4，通过旋转探测平台调整入射角，基于步骤1-3获取不同入射角θ下介质材料的介电常数ε和电导率σ与入射角θ关系方程；