Интегральная антенна

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.
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.
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.
Известны определенные интегральные антенны, которые имеют ряд существенных ограничений и недостатков.
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].
Недостатками устройства являются низкие чувствительность и пространственное разрешение, большие габариты и вес.
Значительно улучшить параметры приемной интегральной антенны удалось с помощью диэлектической линзы, фокусирующей падающее излучение на нее (фокально плоскостные многоэлементные приемники «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.
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.
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»].
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.
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.
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).
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.
Недостатками указанной интегральной антенны является ее низкая чувствительность, обусловленная малой концентрацией энергии фокусирующей линзы, низкое пространственное разрешение, большие габариты.
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].
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.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности и пространственного разрешения интегральной антенны.
Заявляемая интегральная антенна, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных устройств фотоники.
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].
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].
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.
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.
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.
Полезная модель поясняется чертежами.
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.
На фиг. 2 приведена схема одного пикселя интегральной антенны с кубической диэлектрической частицей.
Обозначения:
1 - падающее на диэлектрическую частицу излучение;
2 - диэлектрическая частица;
3 - область с повышенной интенсивностью излучения с субволновыми поперечными размерами;
4 - чувствительный элемент;
5 - планарная антенна;
6 - подложка.
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.
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.
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.