CN219801257U - 一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备，所述超表面太赫兹天线包括接地层、介质层、超材料超结构单元、辐射单元以及馈电单元，所述介质层为一可容置所述辐射单元和所述接地层的矩形介质板；所述接地层与所述辐射单元分别铺设于所述介质层相对的两个表面；所述超材料超结构单元由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，且与所述辐射单元位于所述介质层的同一侧；所述辐射单元包括用于形成谐振的矩形微带贴片天线，所述矩形微带贴片天线一侧与所述超材料超结构单元连接、另一侧与所述馈电单元连接。与现有技术相比，本实用新型减小了天线的体积，提高了天线的方向性、增益、分辨率，且整体成本更低。

Description

一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备

技术领域

本实用新型涉及超材料和超表面天线技术，特别是一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备。

背景技术

太赫兹生物组织成像因其具有非电离、辐射小、成本低、疼痛小、无创等特点，被认为是一种很有前途的疾病诊断和监测工具，受到国内外学者的广泛关注。健康组织和肿瘤组织的介电对比度代表了太赫兹成像用于癌症检测的基础。天线作为太赫兹成像系统中关键器件，其传输与探测性能直接影响成像效果，这类天线需要具备高增益、良好的阻抗匹配、高反射系数、小尺寸、定向辐射、时域特性好等特点，才能获得准确的成像信息。现有的太赫兹天线在应用于太赫兹生物成像时分辨率低、成本高而且体积庞大。

因此，如何设计一种高分辨率、高增益、低成本、紧凑型的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备，是业界亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型提出了一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线及太赫兹成像设备，以解决天线在应用于太赫兹生物组织成像时方向性差、分辨率低、成本高且体积庞大的问题。

本实用新型的技术方案为，提出了一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线，包括接地层、介质层、超材料超结构单元、辐射单元以及馈电单元，

所述介质层为一可容置所述辐射单元和所述接地层的矩形介质板；

所述接地层与所述辐射单元分别铺设于所述介质层相对的两个表面；

所述超材料超结构单元由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，且与所述辐射单元位于所述介质层的同一侧；

所述辐射单元包括用于形成谐振的矩形微带贴片天线，所述矩形微带贴片天线一侧与所述超材料超结构单元连接、另一侧与所述馈电单元连接。

进一步，所述介质层采用RF4玻璃微纤维和介电常数为4.3、厚度为1.6mm、损耗角正切为0.025的矩形介质板制成。

进一步，所述馈电单元采用微带线，其与所述辐射单元位于所述介质层的同一侧表面，且所述馈电单元分别连接到所述辐射单元的底边中心与所述介质层的底边中心。

进一步，所述馈电单元的特性阻抗为50欧姆。

进一步，所述超材料超结构单元设于所述辐射单元的上方，且与所述辐射单元之间的距离为6mm。

进一步，在所述介质层的表面铺设有铜层，所述铜层的厚度为0.035mm。

进一步，所述细胞单元阵列中每个细胞单元的设置方向相同。

进一步，所述矩形微带贴片天线采用0.245-0.255THz的贴片天线。

本实用新型还提出了一种太赫兹成像设备，其具有上述超表面太赫兹天线。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型中将接地层和辐射单元设置在介质层相对的两侧表面上，减小了天线的体积；

2、超材料超结构单元由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，能够增强辐射方向图，提高了天线的方向性、增益、分辨率；

3、2×4欧米茄形细胞单元阵列的结构简单，整体成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型超表面太赫兹天线的辐射单元结构示意图；

图2为本实用新型超表面太赫兹天线的三维立体结构示意图；

图3为本实用新型超表面太赫兹天线的超材料超结构单元的结构示意图；

图4为本实用新型超表面太赫兹天线的另一实施例中超材料超结构单元的结构示意图；

图5为本实用新型超表面太赫兹天线在自由空间中无障碍时的S11参数；

图6为本实用新型超表面太赫兹天线的增益参数；

图7为本实用新型超表面太赫兹天线在0.245THz的2D radiation patten参数；

其中，1为介质层、2为辐射单元、3为馈电单元、4为超材料超结构单元。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。

现有的天线在应用于太赫兹生物成像时分辨率低、结构复杂、成本高且体积庞大，本实用新型的思路在于，提出一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线，由接地层、介质层1、超材料超结构单元4、辐射单元1、以及馈电单元3组成，通过将接地层和辐射单元1设置在介质层1相对的两侧表面，减小天线的体积，超材料超结构单元4采用2×4欧米茄形超材料结构阵列单元，提高了天线的方向性、增益、分辨率，且结构简单，整体成本较低。

请参见图2，本实用新型提出的超表面太赫兹天线，包括接地层、介质层1、超材料超结构单元4、辐射单元1、以及馈电单元3等5个部分组成；

其中，介质层1为一可容置辐射单元1和接地层的矩形介质板；

接地层与辐射单元1分别铺设于介质层1相对的两个表面上，图2所示为正视图，接地层设置在介质层1的背面，故图2中未示意出，通过该设计方式，能够减小天线的体积；

超材料超结构单元4由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，且与辐射单元1位于介质层1的同一侧表面，这里采用2×4欧米茄形超材料结构阵列单元能够提高天线的方向性、增益、分辨率；

辐射单元1包括用于形成谐振的矩形微带贴片天线，其一侧连接到超材料超结构单元4、另一侧与馈电单元3连接，以保证本实用新型的正常工作。

进一步的，本实用新型中介质层1采用RF4玻璃微纤维和介电常数为4.3、厚度为1.6mm、损耗角正切为0.025的矩形介质板制成，其矩形介质板的长设置为26.7mm、宽设置为36mm，能够容置接地层和辐射单元1铺设在其表面，既可满足天线中正常的信号传输，又能减小整体的厚度、体积和价格。

进一步的，本实用新型中馈电单元3采用微带线，其为支在介质基片上的单一导体带构成的太赫兹波传输线，与传统的金属波导相比，微带线的体积更小、重量更轻，适用的频带更宽、可靠性更高且成本更低。

如图1和图2所示，馈电单元3与辐射单元1设置在介质层1的同一侧表面，且馈电单元3分别连接到辐射单元1的底边中心与介质层1的底边中心，其馈电单元3与辐射单元1合并成一个整体的导电单元，能保证天线的正常工作。

优选的，本实用新型中馈电单元3的特性阻抗为50欧姆。

请参见图5，本实用新型中超材料超结构单元4设置在辐射单元1的上方，且与辐射单元1之间的距离d为6mm，并与馈电单元3连接，以保证天线的正常工作。

请参见图2及图3，本实用新型中超材料超结构单元4由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，其2×4欧米茄形细胞单元阵列中每个细胞单元的设置方向相同，均为底边设置在下方，原边设置在上方，该设计方式能够提高天线的方向性。这里2×4是一种阵列的排布方式，即设置有两行四列欧米茄形细胞单元，在本实用新型其他实施例中，欧米茄细胞单元阵列可以不限于上述排布方式。请参见图4，其为本实用新型中2×4欧米茄形细胞单元阵列的另一种铺设方式，其也能起到相同的技术效果。

进一步的，本实用新型在介质层1的表面还铺设有铜层，其厚度为0.035mm。

进一步的，本实用新型中矩形微带贴片天线采用0.245-0.255THz的贴片天线，其与超材料超结构单元4配合能产生超宽频谐振，从而提高天线的增益和方向性。

请参见图6，其为本实用新型在自由空间中无障碍时的S11参数，该参数中，介质板的长度为53.4mm、宽度为72mm、厚度为1.6mm。由于矩形微带贴片天线的宽度会影响回波信号S11参数，因此矩形微带贴片天线的宽度需要根据实际需要设置。本实用新型的谐振频率和阻抗宽带，可以通过改变超材料细胞单元结改变。

请参见图7，其分别为本实用新型在0.245THz的2D radiation pattern参数，其具备良好的阻抗匹配、高反射系数、良好的增益、定向辐射、时域特性好等特点。

本实用新型还提出了一种太赫兹成像设备，其采用上述超表面太赫兹天线。该设备可以用于薄膜检测和介电常数测量、不同方向的应变测量、位移测量、生物分子检测、水中葡萄糖溶度测量和其他传感应用，采用该基于欧米茄形的超表面太赫兹天线，具备高增益、高分辨率、低成本、结构简单、体积小的优点。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、接地层、辐射单元1和超材料超结构单元4设于介质层1的相对的两侧表面，减小了天线的体积；

2、辐射单元1由矩形微带贴片天线构成，能够生成超宽频谐振，提高了天线的分辨率；

3、超材料超结构单元4由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，能够提高天线的增益，降低损耗和窄主瓣幅度；

4、本实用新型整体的结构简单，整体的成本更低。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于欧米茄形的超表面太赫兹天线，包括接地层、介质层、超材料超结构单元、辐射单元以及馈电单元，其特征在于，

所述介质层为一可容置所述辐射单元和所述接地层的矩形介质板；

所述接地层与所述辐射单元分别铺设于所述介质层相对的两个表面；

所述超材料超结构单元由2×4欧米茄形细胞单元阵列构成，且与所述辐射单元位于所述介质层的同一侧；

所述辐射单元包括用于形成谐振的矩形微带贴片天线，所述矩形微带贴片天线一侧与所述超材料超结构单元连接、另一侧与所述馈电单元连接。

2.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述介质层采用RF4玻璃微纤维和介电常数为4.3、厚度为1.6mm、损耗角正切为0.025的矩形介质板制成。

3.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述馈电单元采用微带线，其与所述辐射单元位于所述介质层的同一侧表面，且所述馈电单元分别连接到所述辐射单元的底边中心与所述介质层的底边中心。

4.根据权利要求3所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述馈电单元的特性阻抗为50欧姆。

5.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述超材料超结构单元设于所述辐射单元的上方，且与所述辐射单元之间的距离为6mm。

6.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，在所述介质层的表面铺设有铜层，所述铜层的厚度为0.035mm。

7.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述细胞单元阵列中每个细胞单元的设置方向相同。

8.根据权利要求1所述的超表面太赫兹天线，其特征在于，所述矩形微带贴片天线采用0.245-0.255THz的贴片天线。

9.一种太赫兹成像设备，其特征在于，所述太赫兹成像设备具有如权利要求1至8任意一项权利要求所述的超表面太赫兹天线。