-

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6438
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
H 01Q 13/00
(54) ДЕТЕКТИРУЮЩАЯ АНТЕННА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
(21) Номер заявки: u 20100025
(22) 2010.01.13
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Есман Александр Константи-
нович; Кулешов Владимир Констан-
тинович; Зыков Григорий Люциано-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Детектирующая антенна терагерцового диапазона, содержащая на лицевой стороне
прозрачной диэлектрической подложки двухплечевую металлическую антенну, концы
внутренних частей плеч которой электрически соединены с выпрямительным элементом,
отличающаяся тем, что внутренние части обоих плеч выполнены в виде равнобедренных
треугольных неоднородных волноводных линий, с углом при вершине в 45°, а их основа-
ния связаны соответственно с внутренними концами оставшихся частей антенны, каждая
из которых выполнена в виде, как минимум, одной аподизированной металлической ди-
фракционной решетки.
2. Детектирующая антенна терагерцового диапазона по п. 1, отличающаяся тем, что
аподизированные металлические дифракционные решетки имеют средний период в 5,5
раза меньший, чем длина волны детектируемого электромагнитного излучения.
3. Детектирующая антенна терагерцового диапазона по п. 1, отличающаяся тем, что
количество периодов в каждой из аподизированных металлических дифракционных реше-
ток выбрано равным простому числу.
4. Детектирующая антенна терагерцового диапазона по п. 1, отличающаяся тем, что
коэффициент заполнения штрихов аподизированных металлических дифракционных ре-
шеток изменяется по линейному закону.
(56)
1. Патент России 2345454.
2. Патент США 7091918 B1 (прототип).
BY6438U2010.08.30

2. BY 6438 U 2010.08.30
2
Полезная модель относится к области антенной техники дальнего инфракрасного - те-
рагерцового - диапазона и может быть использована при разработке, в том числе и много-
канальных, высокоэффективных датчиков электромагнитного излучения с длиной волны
0,1…0,35 мм, а также для прямого преобразования излучения окружающей среды.
Известна диэлектрическая антенна [1], содержащая круглый волновод с ребристым
фланцем, расположенным на открытом конце волновода, диэлектрический стержень,
установленный соосно внутри волновода и выступающий за пределы волновода, диэлек-
трическую втулку, расположенную на выступающей части диэлектрического стержня, вы-
ступающая часть диэлектрического стержня дополнительно снабжена диэлектрической
вставкой такого же сечения, как и стержень, причем она установлена на расстоянии
Ll = (0,6…0,7)λ от открытого конца волновода, длина ее составляет L2 = (1,1…1,3)λ, а
относительная диэлектрическая проницаемость материала вставки должна быть
ε2 = (0,8…0,9)ε1, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона, ε1, ε2 - относительные
диэлектрические проницаемости диэлектрического стержня и диэлектрической вставки
соответственно.
Данное устройство имеет низкую эффективность преобразования энергии электромаг-
нитного излучения в энергию электрического сигнала, вызванную резким изменением
свойств волноведущей структуры (в том числе и эффективной диэлектрической проница-
емости) при переходе от волновода к антенне, что вызывает отражение электромагнитного
излучения. Размер диэлектрической антенны по двум координатам существенно меньше
длины волны, что также ограничивает эффективность ее работы.
Наиболее близкой по технической сущности является детектирующая антенна [2], со-
держащая расположенную на прозрачной подложке двухплечевую антенну, внутренние
стороны плеч которой соединены выпрямительным элементом, металлический экранный
слой, образующий точки соединения по постоянному току для каждого плеча антенны в
местах их соединения с выпрямительным элементом.
Данное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования
энергии электромагнитного излучения в энергию электрического сигнала, вызванную от-
сутствием оптимального согласования волнового сопротивления антенны с открытым
пространством, а именно на границе раздела двух сред (материал антенны и воздух) резко
изменяется эффективная диэлектрическая проницаемость.
Техническая задача - повышение эффективности преобразования электромагнитного
излучения в электрический сигнал.
Поставленная техническая задача решается тем, что детектирующая антенна терагер-
цового диапазона, содержащая на лицевой стороне прозрачной диэлектрической подлож-
ки двухплечевую металлическую антенну, концы внутренних частей плеч которой
электрически соединены с выпрямительным элементом, внутренние части обоих плеч вы-
полнены в виде равнобедренных треугольных неоднородных волноводных линий, с углом
при вершине в 45°, а их основания связаны соответственно с внутренними концами
оставшихся частей антенны, каждая из которых выполнена в виде, как минимум, одной
аподизированной металлической дифракционной решетки.
Для эффективного решения поставленной технической задачи аподизированные ме-
таллические дифракционные решетки имеют средний период в 5,5 раза меньший, чем
длина волны детектируемого электромагнитного излучения.
Для эффективного решения поставленной технической задачи количество периодов в
каждой из аподизированных металлических дифракционных решеток выбрано равным
простому числу.
Для эффективного решения поставленной технической задачи коэффициент заполне-
ния штрихов аподизированных металлических дифракционных решеток изменяется по
линейному закону.
Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет оп-
тимального согласования детектирующей антенны как с выпрямительным элементом, так
и с волновым сопротивлением открытого пространства.

3. BY 6438 U 2010.08.30
3
Сущность изобретения поясняется фигурой, где:
1 - прозрачная диэлектрическая подложка,
2 - плечи металлической антенны,
3 - выпрямительный элемент,
4 - равнобедренные треугольные неоднородные волноводные линии,
5 - аподизированные металлические дифракционные решетки.
В детектирующей антенне терагерцового диапазона на прозрачной диэлектрической
подложке 1 расположены плечи 2 детектирующей антенны, внутренние части которых
выполнены в виде равнобедренных треугольных неоднородных волноводных линий 4, с
углом при вершине в 45°, электрически соединенных своими вершинами с выпрямитель-
ным элементом 3, а основаниями - с соответствующими оставшимися частями, выполнен-
ными в виде аподизированных металлических дифракционных решеток 5.
В конкретном исполнении прозрачная диэлектрическая подложка 1 выполнена мето-
дами фотолитографии из полиимида. Плечи 2 детектирующей антенны выполнены по ин-
тегральной технологии из тонкого 50 нм слоя золота с топологией, представленной на
фигуре. Выпрямительный элемент 3 - это диод Шоттки, выполненный по интегральной
технологии на основе GaAs, в котором один золотой электрод образует барьер Шоттки с
тонким базовым слоем GaAs, а второй золотой электрод имеет омический контакт с кри-
сталлом GaAs. Электроды выпрямительного элемента 3 соединены с равнобедренными
треугольными неоднородными волноводными линиями 4, с углом при вершине в 45°.
Равнобедренные треугольные неоднородные волноводные линии 4 выполнены из золотой
пленки толщиной 50 нм. Аподизированные металлические дифракционные решетки 5 вы-
полнены из тонкого 50 нм слоя золота в виде периодической решетки, коэффициент за-
полнения штрихов которой изменяется по линейному закону, уменьшая тем самым
перепад эффективной диэлектрической проницаемости (показателя преломления) на гра-
ницах их раздела с окружающим пространством.
Работает устройство следующим образом. Электромагнитное излучение терагерцово-
го диапазона (1…2,5 ТГц) поступает из окружающего пространства на оба плеча 2 детек-
тирующей антенны. В связи с тем, что внешние части плеч 2 детектирующей антенны
выполнены в виде аподизированных металлических дифракционных решеток 5, на грани-
це раздела их с окружающей средой перепад эффективной диэлектрической проницаемо-
сти уменьшается. Поэтому от поверхности детектирующей антенны лишь незначительная
часть (доли процента) энергии поступающего электромагнитного излучения отражается, а
подавляющая же часть энергии поступающего электромагнитного излучения преобразует-
ся в переменные токи частот принимаемого излучения. Так как период аподизированных
металлических дифракционных решеток 5 значительно меньше длины волны детектиру-
ющего электромагнитного излучения, то входное электромагнитное излучение без потерь
распространяется по аподизированным металлическим дифракционным решеткам 5 к
равнобедренным треугольным неоднородным волноводным линиям 4. Распространяюще-
еся электромагнитное излучение во всех металлических частях детектирующей антенны
вызывает переменные токи частот принимаемого электромагнитного излучения, которые
поступают через равнобедренные треугольные неоднородные волноводные линии 4 и де-
тектируются выпрямительным элементом 3. Полученное электрическое напряжение на
выходе выпрямительного элемента 3 будет пропорционально энергии преобразуемого
электромагнитного излучения терагерцового диапазона.
Оптимальное согласование приемной антенны с окружающим пространством и вы-
прямительным элементом 3 в предлагаемом устройстве позволяет существенно повысить
эффективность детектирования электромагнитного излучения.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.