一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法
本专利技术属于太赫兹成像
，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。
技术介绍
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ft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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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；步骤5，基于步骤4联立介电常数ε和电导率σ与不同入射角θ之间的关系方程，可知只有电常数ε和电导率σ为未知量，最终解出介电常数ε和电导率σ，利用已知公式求解介质材料复介电常数。进一步，所述基于片上正交极化天线由三个部分组成，分别是用于发射水平极化、垂直极化波的正交极化发射天线，用于支撑介质以及改变旋转角度的旋转平台，用于接收水平极化垂直极化波的正交极化接收天线。进一步，所述步骤1的具体过程包括：步骤1.1，利用垂直极化下电磁场边界条件，分析介质没有极化衰减情况下电磁波进入介质层时电场磁场关系；步骤1.2，获取垂直极化电场接收信号与入射信号比例关系，推导垂直极化下该比值与入射角之间关系：电磁波经介质面进入介质后会在另一介质面透射出去，进入介质的折射波以可以忽略的部分在介质内部反射，依据光学原理透射波在另一介质面仍以同一入射角透过介质；步骤1.3，获取衰减损耗情况下垂直极化电磁波接收信号与入射信号比例关系，推导衰减下该比值与入射角之间关系，计算介质厚度为d的衰减情况下太赫兹电场强度接收与发射信号之比。进一步，所述步骤2具体包括：步骤2.1，利用水平极化下电磁场边界条件，分析介质没有极化损耗情况下电磁波进入介质层时电场磁场关系，获得水平极化下电场进入介质时折射波与入射角关系方程；步骤2.2，获取水平极化电场接收信号与入射信号比例关系，推导水平极化下该比值与入射角之间关系方程：太赫兹波经介质面进入介质后会在另一介质面透射出去，进入介质的折射信号以可以忽略的部分在介质内部反射，依据光学原理折射波在另一介质面仍以同一入射角透过介质，利用极化接收天线接收有效信号；步骤2.3，获取衰减损耗情况下水平极化太赫兹波接收信号与入射信号比例关系，推导衰减下该比值与入射角之间关系，计算介质厚度为d的衰减水平极化情况下太赫兹电场强度接收与发射信号的关系方程。进一步，所述步骤3具体包括：步骤3.1，结合步骤1-2垂直和水平极化条件及结果，将所得垂直极化和水平极化信号比值处理之后再次做比，获得垂直极化太赫兹信号与水平极化太赫兹信号比值方程；步骤3.2，分析介质阻抗和折射角与介质材料的介电常数ε和电导率σ关系方程，分析入射角固定时，接收天线端的垂直极化太赫兹信号与水平极化太赫兹信号之比，获取介质材料的介电常数ε和电导率σ与进入介质的入射角之间的一种有效关系。进一步，所述步骤4具体包括：步骤4.1，以入射角θx探测介质，获得介质材料的介电常数ε和电导率σ与入射角θx关系方程；步骤4.2，以入射角θy探测介质，获得介质材料的介电常数ε和电导率σ与入射角θy关系方程。基于片上正交极化天线的太赫兹探测装置和方法，装置由三个部分组成，分别是用于发射水平极化、垂直极化波的正交极化发射天线，用于支撑介质以及改变旋转角度的旋转平台，用于接收水平极化垂直极化波的正交极化接收天线。由于信号频率在太赫兹波段，极化天线尺寸达到毫米级以下，所以发射、接收极化天线可分别与振荡器和混频器电路集成在芯片内部，使得探测装置高集成、小型化和便于携带。装置探测实现方法，通过极化发射天线发射等功率的水平极化波和垂直极化波调整旋转平台使探测入射角为θx，分别获得垂直和水平极化在入射角θx情况下电磁波接收信号与入射信号比值关系E⊥x、E//x，将以上比值处理之后再次做比推导水平极化该比值与入射角之间关系方程，获取介质材料的介电常数ε和电导率σ与进入介质的入射角θx之间的一种有效关系fx(ε,γ)。同理，再次旋转平台，此时入射角为θy使其作用在介质同一点，测量并计算垂直和水平极化在入射角θy情况下电磁波接收信号与入射信号比值关系E⊥y、E//y，获得介电常数ε和电导率σ与进入介质的入射角θy之间的一种有效比值关系fy(ε,γ)。所得比值方程均是只与介电常数ε和电导率σ有关的方程，联立方程便可解出介质的具体介电常数ε和电导率σ，从而得到介质的复介电常数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，其特征在于：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；步骤5，基于步骤4联立介电常数ε和电导率σ与不同入射角θ之间的关系方程，可知只有电常数ε和电导率σ为未知量，最终解出介电常数ε和电导率σ，利用已知公式求解介质材料复介电常数。

【技术特征摘要】
1.一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，其特征在于：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；步骤5，基于步骤4联立介电常数ε和电导率σ与不同入射角θ之间的关系方程，可知只有电常数ε和电导率σ为未知量，最终解出介电常数ε和电导率σ，利用已知公式求解介质材料复介电常数。2.根据权利要求1所述的一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，其特征在于：所述基于片上正交极化天线由三个部分组成，分别是用于发射水平极化、垂直极化波的正交极化发射天线，用于支撑介质以及改变旋转角度的旋转平台，用于接收水平极化垂直极化波的正交极化接收天线。3.根据权利要求1所述的一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程包括：步骤1.1，利用垂直极化下电磁场边界条件，分析介质没有极化衰减情况下电磁波进入介质层时电场磁场关系；步骤1.2，获取垂直极化电场接收信号与入射信号比例关系，推导垂直极化下该比值与入射角之间关系：电磁波经介质面进入介质后会在另一介质面透射出去，进入介质的折射波以可以忽略的部分在介质内部反射，依据光学原理透射波在另一介质面仍以同一入射角透过介质；步骤1.3，获取衰减损耗情况下垂直极化电磁波接收信号与入射信号比例关系，推导衰减下该比值与入射角之间关系，计算介质厚度为d的衰减情况下太赫兹电场强度接收与发射信号之比。4.根据权利要求3所述的一种基于片上正交极化天线的太赫兹探测方法，其特征在于：介质厚度为d的衰减情况下太赫兹电场强度接收与发射信号之比为：其中E”⊥为透射电场；为垂直极化进...

【专利技术属性】
技术研发人员：白雪，李明利，徐雷钧，赵不贿，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32