CN112557761A - 一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元，每个像素单元仅由交叉耦合振荡器和探测器两个模块所组成，且振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代。本发明的有益效果为，(1)成像阵列结构简单,每个像素单元仅由振荡器和探测器两个模块所组成，振荡器是结构简单的交叉耦合振荡器，交叉耦合的结构可以产生稳定的差分信号输出。(2)电学参量的测量简单易行，交叉耦合振荡器的差分输出传输到一对差分的探测器上，将振荡器产生的不易测量的功率信号转化为容易测量的电压信号。(3)振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代。(4)成像分辨率由单像素点中的谐振器尺寸直接决定。

Description

一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元
技术领域
本发明涉及近场成像技术领域，尤其涉及一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元。
背景技术
太赫兹波介于毫米波和红外辐射之间，可以穿透生物大分子、各种有机无机物等物质，使得太赫兹成像在食品药品质检、材料无损检测等领域具有重要意义。然而，传统太赫兹波长成像受长波长对应的衍射极限的影响，分辨率只有几百微米数量级，远大于微纳结构材料尺寸，无法满足高分辨率的观测需求。近场成像是突破衍射极限，获得亚波长分辨率的重要方法。使用电学方法来完成近场成像这一目标，是近期较为新颖火热的研究方向。该方法需要传感模块与待测物品直接接触并感知，故而传感模块是电学法近场成像应用中的关键部分。总体来讲，近场传感器件可分为宽带传感以及谐振传感两大类，相对来说谐振传感具有更高的灵敏度和精度。谐振器作为谐振传感的核心，有不同的种类和应用环境。常用的谐振器如分裂环形谐振器、互补型分裂环形谐振器、螺旋形谐振器、互补型螺旋形谐振器等，这些谐振器在PCB板级电路检测待测物介电常数的应用中均已得到使用，应用方式主要有两种：①谐振器单独使用，并使用矢量网络分析仪来分析待测物对于谐振器S参数的影响。②应用到振荡器中，使用频谱分析仪分析待测物对于频移的影响；或者使用锁相环(PLL)电路或者频率综合器将频率变化转化为输出电压的变化。而将谐振器应用到片上作为检测介电常数的应用却并没有很多，最主要的应用方式是将谐振器加载到振荡器和探测器之间的传输线上，将待测物对谐振器的影响转化为振荡器到探测器的功率传输上，最终引起探测器输出电压的变化。
近场成像能够实现主要归功于不同的待测物质具有不同的介电常数。在PCB板级电路上对于介电常数的测量方法可以迁移到片上，当单个介电常数测量单元的尺寸缩小做到片上时，就可以看做成像阵列中的一个像素点，多个像素点等间距阵列排布即可实现一定面积上的近场成像。然而这种方法迁移是存在问题的，主要问题在于：①如果谐振器单独使用，考虑到后期成像阵列的目标，由于仪器的贵重与不方便性，不能对每个像素都使用矢网或者频谱仪来测量；②如果将谐振器应用到振荡器中，由于单像素面积小型化的需要，不能对每个成像单元都使用大面积的PLL电路或者频率综合器来把频偏转化为可测的电压变化。同时作为目前主流的片上介电常数探测方法，将谐振器加载到振荡器和探测器之间的传输线上，仍然面临着振荡器中大面积电感存在而导致的单像素面积过大的问题。为了解决单像素面积大，同时不便使用大型仪器来测量的刚性需求，迫切需要一种高分辨率简易的太赫兹近场成像阵列方式。
发明内容
基于上述需求，本发明提出一种新型的太赫兹近场成像阵列单元，目的主要有以下三点：1.高分辨率，要求单个像素中用于和待测物品直接接触的谐振器尺寸在同样谐振频率下尽可能小；2.成像电路简易，单像素所需电路模块及所占芯片面积尽可能小；3.用于表征介电常数的电学参量容易测量。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元，每个像素单元仅由交叉耦合振荡器和探测器两个模块所组成，且振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代。
其中，
所述谐振器为如下三种结构之一：
第一种结构：由三层反向堆叠的分裂环形谐振器构成。
第二种结构：由两层反向堆叠的螺旋形谐振器构成。
第三种结构：曲折式互补传导传输线由上下两层金属构成，上层金属是将一定长度的传输线弯曲成2维结构，由许多个单元格连接组成；下层金属是一个镂空的2维周期性地平面。
其中，所述探测器为使用一对差分的nFET的探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
(1)成像阵列结构简单,每个像素单元仅由振荡器和探测器两个模块所组成，振荡器是结构简单的交叉耦合振荡器，交叉耦合的结构可以产生稳定的差分信号输出。(2)电学参量的测量简单易行，交叉耦合振荡器的差分输出传输到一对差分的探测器上，将振荡器产生的不易测量的功率信号转化为容易测量的电压信号。(3)振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代，由于不再使用电容以及大面积的电感器件，大大减小了单像素的芯片面积。(4)成像分辨率由单像素点中的谐振器尺寸直接决定，通过研究相同谐振频率下减小尺寸的方法，对于提高成像分辨率大有作用。
附图说明
图1所示为本申请的单像素点电路结构图；
图2所示为本申请分裂环形谐振器(SRR)结构图；
图3所示为本申请螺旋形谐振器(SR)结构图；
图4所示为本申请曲折式互补传导传输线(CCS TL)结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明公开了一种新型的太赫兹近场成像阵列单元。
如图1所示，每个像素单元仅由交叉耦合振荡器和探测器两个模块所组成，振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代。
该发明能够实现的原理在于：不同的待测物质具有不同的介电常数，介电常数反映了介质对于外电场的反抗作用。高频情况下由于极化的延迟，使介电常数呈现复数形式，实部代表待测物存储电磁场的能力，虚部则代表了待测物的损耗。振荡器的谐振单元由上层金属制作而成，当待测物质放到谐振器上方表面，在谐振器所激发的感应电磁场环境下，待测物质将与谐振器构成一个新的谐振单元，待测物的不同将直接引起等效谐振器的不同，等效谐振器在谐振时不同的损耗将导致振荡器产生不同的输出功率，这一不同的输出功率将通过一对差分探测器转化为不同的电压值。根据上述联系便可以建立输出电压与待测物介电常数之间的函数关系，当测得某像素点的电压值后，通过这一函数映射关系便可以得到待测物的介电常数值。
谐振器作为成像电路中的传感模块，其尺寸及种类直接影响着成像分辨率及性能。具体实施方案中，有三种谐振器的结构可以考虑。
第一种结构如图2所示，由三层反向堆叠的分裂环形谐振器构成，三层堆叠有助于实现谐振器尺寸的小型化，分裂环形谐振器作为一种超材料，由于在谐振频率处磁导率或者介电常数的单负特性，会产生一个陡峭的阻带。由于通常的交叉耦合振荡器中的LC并联谐振回路同样在谐振时呈现带阻特性，使用该分裂环形谐振器可以用来完成替代的功能。
第二种结构如图3所示，由两层反向堆叠的螺旋形谐振器构成，同样两层堆叠有助于实现谐振器尺寸的小型化，经过理论分析以及仿真验证，螺旋形谐振器与分裂环形谐振器相比可以在相同谐振频率下使用更小的尺寸。
第三种结构如图4所示，曲折式互补传导传输线由上下两层金属构成，上层金属如图4(a)所示，是将一定长度的传输线弯曲成2维结构，由许多个单元格连接组成，其尺寸远远小于工作波长，使得该谐振器结构能够更加紧凑，尺寸缩小；下层金属如图4(b)所示，是一个镂空的2维周期性地平面。该曲折式CCS TL低磁化率、低传播性、高灵活性和集成的特性使之适用于单片集成设计。
当振荡器振荡稳定后，在谐振器上方的近场区域放置待测物，待测物在谐振器激发的电磁近场范围内与谐振器共同组成新的谐振单元，谐振单元的这一变化通过振荡器的输出功率表现出来，由于输出功率的测量比较麻烦，本发明又使用一对差分的nFET作为探测器，将射频功率变化转化为直流输出电压的变化。电压量容易测量，从而整个探测过程实现了用易测量的电压变化表征了难测量的介电常数变化。
由于单像素的成像电路结构简单，十分有利于多像素点的阵列集成，所以多个近场成像单元可以更加紧凑放置，更加适用于大规模近场成像阵列的应用环境，同时多像素点实时同步成像必将大大提高成像速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，每个像素单元仅由交叉耦合振荡器和探测器两个模块所组成，且振荡器中的LC谐振回路由谐振器所替代。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，
所述谐振器为如下三种结构之一：
第一种结构：由三层反向堆叠的分裂环形谐振器构成；
第二种结构：由两层反向堆叠的螺旋形谐振器构成；
第三种结构：曲折式互补传导传输线由上下两层金属构成，上层金属是将一定长度的传输线弯曲成2维结构，由许多个单元格连接组成；下层金属是一个镂空的2维周期性地平面。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率简易太赫兹近场成像阵列单元，其特征在于，所述探测器为使用一对差分的nFET的探测器。
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Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1771624A (zh) * 2003-04-24 2006-05-10 松下电器产业株式会社 高频谐振电路
CN101656523A (zh) * 2009-09-07 2010-02-24 浙江大学 三维结构TE011-λ/4-π模谐振器
US20100295635A1 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 Eva Schubert Terahertz Resonator
CN102403180A (zh) * 2010-09-08 2012-04-04 中国科学院电子学研究所 一种分布作用太赫兹振荡器
CN103236827A (zh) * 2013-03-22 2013-08-07 天津大学 Cmos太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法及电路
US20130264500A1 (en) * 2010-07-26 2013-10-10 Hans W. P. Koops Device for generating thz radiation with free electron beams
US20130328635A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Canon Kabushiki Kaisha Oscillator
CN203984393U (zh) * 2014-08-06 2014-12-03 杭州电子科技大学 基于环形结构的双推-推压控振荡器
CN106026924A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 复旦大学 一种应用于生物成像的太赫兹波cmos注入锁定倍频器
CN106026920A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 复旦大学 一种应用于太赫兹皮肤成像领域的cmos集成电路太赫兹检测器
US20160380591A1 (en) * 2014-02-28 2016-12-29 Canon Kabushiki Kaisha Element
CN106505949A (zh) * 2016-10-21 2017-03-15 天津大学 一种采用cmos工艺实现的太赫兹振荡器
CN107390447A (zh) * 2017-07-18 2017-11-24 上海师范大学 一种太赫兹波段的慢光器件及其制作
CN107505281A (zh) * 2017-07-25 2017-12-22 西安交通大学 一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器
US20180152141A1 (en) * 2015-06-15 2018-05-31 Canon Kabushiki Kaisha Semiconductor device
US20190078938A1 (en) * 2016-03-16 2019-03-14 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs Detector for terahertz electromagnetic waves

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1771624A (zh) * 2003-04-24 2006-05-10 松下电器产业株式会社 高频谐振电路
US20100295635A1 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 Eva Schubert Terahertz Resonator
CN101656523A (zh) * 2009-09-07 2010-02-24 浙江大学 三维结构TE011-λ/4-π模谐振器
US20130264500A1 (en) * 2010-07-26 2013-10-10 Hans W. P. Koops Device for generating thz radiation with free electron beams
CN102403180A (zh) * 2010-09-08 2012-04-04 中国科学院电子学研究所 一种分布作用太赫兹振荡器
US20130328635A1 (en) * 2012-06-06 2013-12-12 Canon Kabushiki Kaisha Oscillator
CN103236827A (zh) * 2013-03-22 2013-08-07 天津大学 Cmos太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法及电路
US20160380591A1 (en) * 2014-02-28 2016-12-29 Canon Kabushiki Kaisha Element
CN203984393U (zh) * 2014-08-06 2014-12-03 杭州电子科技大学 基于环形结构的双推-推压控振荡器
US20180152141A1 (en) * 2015-06-15 2018-05-31 Canon Kabushiki Kaisha Semiconductor device
US20190078938A1 (en) * 2016-03-16 2019-03-14 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs Detector for terahertz electromagnetic waves
CN106026924A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 复旦大学 一种应用于生物成像的太赫兹波cmos注入锁定倍频器
CN106026920A (zh) * 2016-05-11 2016-10-12 复旦大学 一种应用于太赫兹皮肤成像领域的cmos集成电路太赫兹检测器
CN106505949A (zh) * 2016-10-21 2017-03-15 天津大学 一种采用cmos工艺实现的太赫兹振荡器
CN107390447A (zh) * 2017-07-18 2017-11-24 上海师范大学 一种太赫兹波段的慢光器件及其制作
CN107505281A (zh) * 2017-07-25 2017-12-22 西安交通大学 一种基于硅微谐振器的太赫兹波检测器

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FANYI MENG等: "Monolithic_Sub-Terahertz_SPDT_Switches_With_Low_Insertion_Loss_and_Enhanced_Isolation", 《IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
刘海燕: "基于超材料的微带天线小型化研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *
刘青爽: "《异向介质特性及其在微波器件中的应用》", 30 November 2017 *
袁媛: "带有DGS的互补型传导传输线双模带通滤波器的研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 *

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