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太赫兹双缝隙天线的等效电路模型

摘要 -本文主要分析等效电路模型和数值双缝隙天线（矩量法）。双缝隙天线集成与异质结构反向二极管用先进设计系统（ADS）软件是为太赫兹医疗成像应用而开发的。结果显示约-12dB的回波损耗100千兆赫的集总元件与MOM分析结果接近。

关键词：双缝隙天线，等效电路模型，高频天线，医学图像应用。

I．引言

在许多服务无线通信中，如快速访问万维网和视频电话，快速发送大型文档，它们对增加带宽要求的能力日益增长，同时也需要在成像系统更高空间分辨率的情况下完成。最近，在天文学应用空间领域，快速增长的太赫兹技术被认为是解决多种生物学，医学，成像和安全性，高数据率通信等问题的技术之一。太赫兹量子远不如X射线能量集中，造成生物组织无电离危险。而这也是真微波，太赫兹波段的较短波长允许更大的空间分辨率。

此外，最近的研究检测出乳房组织中的肿瘤和非肿瘤的电磁响应特征吸收峰容易在100-900 GHz的频率范围内出现差异。因此，切除组织的太赫兹成像是作为一种操作室工具，以确保手术部位无恶性组织。另外，由于太赫兹辐射的非电离性，安全检查应用已显著增加，每个都需要一个小的图像采集时间，以优选视频速率。

在本文中，二极管集成双缝隙天线被设计用来校正离轴传感器由于小透镜尺寸在高频率下光束操作失真问题。此外，标准的RF阻抗匹配技术是用来提高耦合FPA二极管的响应性能。目标应用是实时视频速率太赫兹成像的表征切除的组织。假定所调查的组织，以通过脉冲连续波太赫兹源照明，允许直接检测。这样，FPA由零偏压锑基于异质向后二极管单片集成到每个天线检测器。这消除了对本地振荡器和笨重抑制滤波器的需要，从而允许密集阵列。本文安排如下，在第二节中，我们简要地概述了采用矩量法分析印刷在半无限基板上的缝隙天线。第三节在原理图窗口中使用ADS软件提出了等效电路模型。这种方法是用于精确和有效地分析天线回波损耗。

II．天线设计和仿真结果

所采用的天线结构是由两个时隙的偶极子通过传输线连接到一个二极管。从插槽收集的辐射被传递到位于所述传输线中心部位的二极管。如图2所示，二极管的直流输出电压通过直流焊盘上的两个槽的一侧转移到读出电路。我们注意到，直流焊盘的电容被选择足够大，使得它作为低通滤波器，从而有效地表现为对太赫兹波信号短路。

在设计垫片尺寸时，也要注意不要扭曲天线辐射方向图。对于二极管，在其最高灵敏度和最低的噪音工作时，需要天线阻抗匹配。传统双缝隙天线提供除了电子束倾斜能力这样的设计的灵活性。通过修改共面线的部分，一个更好的阻抗匹配也能收到响应受益二极管。加入端口和进行模拟，对结果分析后，天线设计的参数定义为与硅衬底的厚度h=120mu;m和介电常数ε_r=11.7。导体宽度和长度分别为802mu;m和1229.3mu;m、缝隙宽度和长度分别为75mu;m和420mu;m。天线在自由空间的条件下被仿真和调整。图2和3显示出了该天线的布局，并且分别得到了-13.187dB在100GHz频率的回波损耗参数。

III．等效电路模型

将贴片分成三个部分来进行分析。如图，第一部分是上部双缝隙天线，第二部分是其对称结构，第三部分是两者之间的二极管。

第一部分可以分为五个子模块。第一个模块是有两个平行的切口的贴片，这两个切口改变了电流长度，电流长度可用LC并联电路来等效。等效模型如图5所示。

(1)

其中，R2为E槽的电阻，Q为品质系数（为1），是谐振频率，C1是贴片电容值。

(2)

其中L1是贴片电感值。

缝隙的存在改变了贴片本身的电感和电容值。因此，整个的电感值应该是

(3)

其中是E型槽带来的电感差值。可用下式求取：

(4)

式中C2是由于E型槽而引进的电容值，求取方法如下：

(5)

C1可用下列公式计算：

(6)

(7)

(8)

(9)

2、3、4子模块组成的是一个宽度从W1变换到W2的曲折微带线。第二个子模块是长宽分别为50微米和25微米的微带线，可以将其称为pi;型电路，电感值和电容值可由下面公式计算出，分别是35.856pH和2.7128fF。

(10)

(11)

第四个子模块与前面两者相似，微带线长度和宽度分别为343.5微米和15微米，电感值和电容值分别是239.9pH和13.859fF。

第三部分子模块是子模块2与4 之间的宽度突变部分，等效为LC电路，可用下列公式计算其电容电感值。

(12)

第五个子模块是双缝隙微带天线和二极管之间的匹配网络，如图9。

双缝隙天线与匹配网络之间的开口可以等效为一个电容，开口宽5微米，长15微米，其电容值可由下面公式计算，计算结果Ca、Cb分别为2.624fF和0.01377677fF。

(13)

二极管与匹配网络是在两个相同的双缝隙天线中间，增加了结构的零偏差敏感度，在不降低结电阻的同时提高了结电容，可以提高毫米波和准毫米波探测器的低噪声性能。第一部分的等效电路可以用于反向二极管的分析。整个结构如图12所示，最终结构在100GHz处的回波损耗为-12.59dB。

IV． 结论

本文利用ADS软件对等效电路模型和数值分析方法分别对双缝隙天线进行了分析。由于其利于小型化，集成某种异质结反向二极管的双缝隙天线有可以作为良好的焦平面传感器单元。在给定的图像区域内，尽可能的多使用天线可以提高图像的分辨率。只有当各单元增益不同但差别不大时阵列才可以良好的工作。它是通过利用将有着不相等的缝隙长度的增益提高了4dB的单元进行离轴化而完成的。

随着单元数的增加，图像的分辨率也随之提高。可以利用等效电路模型，考虑单元的寄生效应来分析这些单元在不同频率段的响应。这个平面阵列可以置于超半球透镜后面，成像并直接输出直流量。直流量可以直接驱动显示设备因此不需要使用外插探测器。

V．致谢

感谢管理大学和TIFAC核心无线科技研究中心，Thiagarajar工程大学对工作的支持。

100GHz毫米波天线有效特性的实验验证

摘要

毫米波天线的特性，通常是由近场测量系统来完成的，由于有相位测量的问题，因此会遇到一些困难。在这里用实验来检验100 GHz毫米波天线的工作特性是通过一种有效的近场无相位表征天线的算法。

1引言

毫米波天线在一些民用和军事应用时使用。

相关的例子包括用于探测毫米波辐射（30GHz的 - 950GHz）的高增益望远镜，用于执行云和降水（33GHz - 95GHz）的遥感机载雷达，采用在先进的巡航控制系统的汽车雷达（76 GHz - 77 GHz）。此外，还发现毫米波天线在室内局域网设备中的应用和用于操作80 GHz-90 GHz频带的卫星电信。

测试毫米波波段工作的天线特性通常在一个近场室内进行。在这种情况下，所测量的数据是通过近场与远场（NF-FF）转化技术得到的，这样以便确定在远区中对散热器的行为进行处理。然而，在这样高的频率工作时，逐步实现准确的测量成为一个艰巨的任务。实际上，测量的相位精确度会受到测量设备的时间稳定性和相位稳定性的严重影响。这些影响包括电缆类型、连接类型，依据内置近场扫描和环境噪声来源感知的定位系统的精度等。然而，在一个合理的时间进行近场调查应该作为一个对毫米波天线的近场特性研究的主要障碍。

对无相位近场与远场变换技术而言，使用规避相位测量问题是一个可能的解决方案。

建立一个可靠的和精确的表征无相位近场与远场变换算法需要的天线实验是对未知的涉及“最少的”尽可能多的参数的一种有效形式的选择。这更是对于大功率和大量未知的毫米波频率工作的散热器所必需的。此外，这种环境杂波的影响，很难被控制在毫米波频率，因此应该适当地抵消。最后，上面提到的一个关键问题是要面对近场测量整体时间的减少。

本文旨在解决上述无相位近场与远场天线特性的算法问题。特别是，利用由扁长椭球波函数（PSWFs）来给未知孔径场的有效表示正在测试的天线（AUT）的激励在大小，形状上的先验信息。实际上，这种先验知识散热器是以“实质上限带”和“基本空间有限”的口径场为特征， PSWFs允许代表“充其量”，即参数最少的空间。

此外，该算法充分利用了先验知识对非冗余近场数据的自动表示，这样便大大减少了测量时间，另一方面也在侧面有效执行环境杂波滤波。

该算法是表征天线在100GHz反对利用测量设备在网络工程学和通信天线实验室的实验数据收集工作（DIET）。实验结果表明毫米波的可靠和准确的无相位表征。

2天线表征方法

我们考虑一个孔径天线为AUT，放在平面同时对的空间辐射（如图1）。我们还假设，为一个“有效”的孔径，孔径平面分布是可以忽略不计的。

我们利用无相位天线特性的算法和AUT振幅平方分布的近场两部分的知识，即S₁和S₂来测量两个平面与（如图1）。

为了简单起见，我们将从一个标量的问题出发，即只考虑一个笛卡尔分量的近场。

根据有效孔径A的知识，我们可以用一个非冗余采样技术的装置来代表近场。因此，关于第个平面的近场振幅是否被检测到非均匀网格取决于和。

现在让我们根据孔径场表示的相关分量，由中的平面波谱（PWS）相应的组件，组成的最小矩形，并且显示在窗口平面，其中包括A（图1）。

口径场和PWS，通常由傅里叶变换关系得到，是傅里叶变换算子的极限。因此，由于对有效孔径A的几何信息了解，口径场可以通过PWSF表示，如下公式1，其中是“空间带宽积”，是相应的特征值，，

(1)

是确定天线的未知膨胀系数。实际上，Omega;是在谱域以外，其中假定可以忽略不计。此外，为了表示具有有限精度的孔径场，只需要项。和的值取决于分别和的值。

从和的近场所测量的平方幅度与未知膨胀系数估计使近场对和尽可能接近所测量的数据中的相应平方幅度。尤其是，系数通过优化以下目标函数估计 （2）

因此，优化的目标函数（2）在表征程序中是基于一个迭代例程。在每一次迭代步骤中，评价的目的功能，是从实际的系数估计的来看，目前估计（复杂）的两个测量平面近场是非均匀采样网格。正好为所测量的场的数据。因此，估计在每个步骤中的近场的过滤，对反演过程的稳定性有利的影响。

很显然，由于一个有效的插值程序，计算的规范所涉及的功能（2），无论是测量和估计近场计算的正则网格。

我们可以进一步了解关于该算法的细节。

3实验结果

上述天线表征算法已在近场扫描设施的平面通过实验测试。

近场测量装置是由测量仪器及平面近场定位器组成的。对于测量设备，毫米波信号是由HP8350B扫频仪使信号源产生， HP83550A射频插件和HP83558A源调制器共同完成的允许在75GHz-110GHz带宽的信号。源调制器的输出馈送AUT。辐射信号是通过法兰波导探针的装置，接着是HPW365A隔离器接收。所接收的信号通过混频器装置下的变频并且被驱动到HP8757C标量网络分析仪（SNA）的检测器上。

近场定位是由两个相同的正交线性定位的允许60cmx60cm的最大扫描区域驱动的直流电动机（物理学仪模型M-417.40）组成。测量系统安装在光学平台上。光学台上所有的测量区域的侧面和金属部件的定位器已用适合吸收板。AUT安装在一个滑动的定制支架，固定在光学平台上，允许连续变化的自动探测距离。测量过程是自动和远程控制，通过定制的LabVIEW程序，驱动的测量设备和近场定位。

喇叭天线（型号ATM P / N10-443-6R）在75GHz-110 GHz频段工作一直被认为其特性在100GHz处。在该频率下，天线孔径等于，其中是波长。近场测量已经在远离天线孔径平面的平面和进行。为了方便比较，除了非均匀采样，近场的平方幅度也已收集在一个统一的网格中。

在统一的情况下，/4采样步骤已经使用的两个测量平面S₁和，大小为，测量点的总数目是。

另一方面，为减少截断误差，非均匀采样已经在尺寸大小为的更大区域进行。尽管如此，用于第一和第二平面的较小数字即和也被要求作为测量点。假定取样网格已经通过等于 。值得强调的是，非均匀采样允许保存的总扫描时间相当于均匀采样情况下的97％。

关于口径场的PSWFs扩大，已经考虑400个未知数（N=

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