專利名稱:全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開的一種全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易操作調(diào)諧、相位同步性好，能夠?qū)⑿酒洗笠?guī)模陣列的陣元與波導(dǎo)有效耦合的耦合傳輸裝置。本實用新型通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：矩形波導(dǎo)端口軸向連接喇叭天線，平面鏡（4）與所述芯片（3）平行，正對喇叭天線的喇叭口端，芯片位于平面鏡與喇叭天線構(gòu)成的準(zhǔn)光腔之間；作為介質(zhì)諧振器的芯片制備有太赫茲陣元，集成化太赫茲陣元的陣列制備于芯片的中心線上其諧振駐波的波腹處，芯片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式相匹配，實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的耦合。本實用新型解決了工程應(yīng)用中芯片的集成化陣元與常規(guī)微波傳輸線耦合的難題。
【專利說明】全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型是關(guān)于一種結(jié)合準(zhǔn)光學(xué)原理，實現(xiàn)超寬頻可調(diào)諧的太赫茲傳輸器件，特別適用于太赫茲頻段集成化陣元與波導(dǎo)等常規(guī)微波傳輸線耦合的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲頻段是一個非常有科學(xué)價值的電磁波頻段，它介于毫米波頻段與紅外線頻段之間，屬于遠紅外波段。太赫茲的應(yīng)用除了太赫茲輻射源，太赫茲傳輸器件，太赫茲探測器等關(guān)鍵器件之外，還必須解決不同器件之間的耦合問題。由于物質(zhì)在太赫茲頻段的發(fā)射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學(xué)信息，并且太赫茲波具有波長短、方向性好、光子能量低、高穿透性等獨特性質(zhì)，因此太赫茲技術(shù)逐漸成為國際研宄的熱點。它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研宄領(lǐng)域，以及安全檢查、無損檢測、生物成像、環(huán)境監(jiān)測、食品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、雷達偵察、衛(wèi)星通信和天文觀測等領(lǐng)域等應(yīng)用研宄領(lǐng)域均有著巨大的科學(xué)研宄價值?，F(xiàn)階段，太赫茲輻射源還普遍存在功率小、效率低等問題；而且，熱背景噪聲相對較高，需要高靈敏度的手段探測太赫茲信號，于是就對太赫茲波的高效傳輸與耦合提出了更高的要求。對于太赫茲信號的發(fā)射與接收，可以通過組建陣列的方式來大幅提高發(fā)射功率或接收靈敏度。同時，鑒于太赫茲頻段波長較短，一般在亞毫米量級，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模陣列的陣元的高密度集成，將成百上千個陣元集成于一個芯片上。但是，如何實現(xiàn)集成化的陣元與常規(guī)微波傳輸線的有效耦合，便成為了一個亟待突破的難題。
[0003]目前，在太赫茲頻段廣泛采用的耦合方法可大致分為兩類，一類是將常規(guī)的微波耦合方法推廣至太赫茲頻段；另一類是借鑒準(zhǔn)光學(xué)的能量耦合方法應(yīng)用于太赫茲頻段。對于第一類方法，要實現(xiàn)芯片上陣元與波導(dǎo)等傳輸線的有效耦合，往往采用波導(dǎo)微帶過渡、共面天線等方法。但是隨著頻率的升高，常規(guī)基片的損耗與金屬的表面損耗迅速增大；同時，由于高頻段波長較短，對微帶與金屬腔體的機械加工精度也很難實現(xiàn)。因此，第一類方法往往局限于亞太赫茲頻段，即0.1THz?ITHz頻段。對于第二類方法，往往采用拋面鏡、透鏡等準(zhǔn)光學(xué)方法來合理設(shè)計光路，實現(xiàn)能量的有效耦合。此方法能夠覆蓋整個太赫茲頻段，但是通常用于ITHz?1THz頻段。而且，如何實現(xiàn)芯片上大規(guī)模陣列的多個陣元的有效耦合，尤其是保證相位的同步性；以及如何與常規(guī)的微波傳輸線完美兼容，還沒有得到合理解決。因此，在太赫茲頻段，實現(xiàn)芯片上集成化陣元與常規(guī)微波傳輸線的高效耦合還是工程應(yīng)用中面臨的一個難題。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于加工實現(xiàn)、易于操作調(diào)諧、工作頻率超寬、耦合強度高、相位同步性好，能夠?qū)⒓捎谛酒系拇笠?guī)模陣列的陣元與波導(dǎo)實現(xiàn)有效耦合，提高太赫茲信號的發(fā)射與接收的效率，特別是能夠適用于整個0.1THz?1THz太赫茲頻段，并且耦合頻率與耦合強度可調(diào)的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置。
[0005]本實用新型的上述目的可以通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)，一種全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，包括矩形波導(dǎo)、平面鏡4和作為介質(zhì)諧振器的芯片3，其特征在于:以矩形波導(dǎo)為端口軸向連接喇叭天線，平面鏡4與所述芯片3平行，正對喇叭天線的喇叭口端，芯片3位于平面鏡與喇叭天線構(gòu)成的準(zhǔn)光腔之間；芯片3制備有太赫茲陣元，集成化太赫茲陣元的陣列制備于芯片的中心線上其諧振駐波的波腹處，芯片諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式相匹配，實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的耦合。
[0006]本實用新型相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
[0007]結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于操作。本實用新型以矩形波導(dǎo)為端口的喇叭天線與一個平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔，將集成有太赫茲陣元的芯片置于其諧振駐波的波腹處，充分利用作為介質(zhì)諧振器的芯片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式的匹配，來實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的有效耦合，所用器件少，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)成的準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)簡潔，制造工藝要求低，易于加工，易于操作解決了現(xiàn)有技術(shù)制造工藝要求高，實際應(yīng)用較困難，難于加工等問題。
[0008]易于操作調(diào)諧，工作頻率寬。本實用新型將集成化陣元置于芯片的中線位置處，使其同時處于芯片上多個諧振模式的波腹中。通過調(diào)節(jié)芯片、平面鏡與喇叭天線三者的相對位置，使得芯片不同的諧振模式分別與準(zhǔn)光腔相應(yīng)的諧振模式匹配，實現(xiàn)工作頻率可調(diào)。而且，太赫茲芯片采用高頻損耗低、介電常數(shù)低、厚度薄的晶體材料作為基片，這樣即使在太赫茲頻段，芯片也能夠有多個簡單的諧振模式，易于與準(zhǔn)光腔諧振模式匹配，且覆蓋頻率范圍寬。解決了工程應(yīng)用中芯片上集成化陣元與常規(guī)微波傳輸線的耦合頻點單一，難以調(diào)諧的問題。
[0009]耦合強度高，強度可調(diào)諧。本實用新型能夠?qū)⒓捎谛酒系拇笠?guī)模陣列的陣元與波導(dǎo)實現(xiàn)高效耦合，提高太赫茲信號的發(fā)射與接收的效率。當(dāng)芯片的諧振模式與準(zhǔn)光腔的諧振模式完美匹配時，便實現(xiàn)了芯片上集成的太赫茲陣元與波導(dǎo)端口的有效耦合。實驗結(jié)果表明，其耦合效率相對于現(xiàn)有技術(shù)所用的方法提高了幾十倍。同時，可通過調(diào)節(jié)芯片、平面鏡和喇叭天線三者的相對位置，來方便地調(diào)諧耦合強度，這是現(xiàn)有技術(shù)很難實現(xiàn)的。
[0010]相位同步性好。本實用新型結(jié)合準(zhǔn)光學(xué)的方法，充分利用作為介質(zhì)諧振器的芯片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式的匹配，來實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的有效耦合，并將集成于芯片上的大規(guī)模陣列的陣元處于同一個芯片諧振模式的波腹中，實現(xiàn)與波導(dǎo)傳輸線耦合的相位是同步，解決了常規(guī)的準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)由于光路設(shè)計復(fù)雜，不易操作，難以與大規(guī)模陣列中多個陣元同步耦合，不便與常規(guī)微波傳輸線兼容等問題。
[0011]本實用新型特別適用于0.1THz?1THz整個太赫茲頻段，并且耦合頻率與耦合強度可調(diào)的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置。

【附圖說明】

[0012]圖1是本實用新型所述全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置的分解示意圖。
[0013]圖中:I矩形波導(dǎo)、2喇叭天線，3芯片、4平面鏡。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合基于零壓偏置的肖特基二極管串聯(lián)陣列的太赫茲信號檢測系統(tǒng)，對本實用新型進行進一步說明。
[0015]參閱圖1。在以下描述的一個最佳實施例中，全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置一種全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，包括矩形波導(dǎo)、平面鏡4和為介質(zhì)諧振器的芯片(3)，其特征在于:以矩形波導(dǎo)為端口軸向連接喇叭天線，平面鏡4與所述芯片3平行，正對喇叭天線的喇叭口端，芯片3位于平面鏡與喇叭天線構(gòu)成的準(zhǔn)光腔之間；作為介質(zhì)諧振器的芯片3制備有太赫茲陣元，集成化太赫茲陣元的陣列制備于芯片的中心線上諧振駐波的波腹處；芯片諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式相匹配，實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的耦合。芯片3采用半導(dǎo)體微加工工藝在高阻硅基片上制備肖特基二極管串聯(lián)陣列和用于零壓偏置的電極。通過電磁場仿真確定作為介質(zhì)諧振器的芯片的諧振模式和諧振頻率。并將陣列置于其諧振駐波的中心波腹處，即芯片的中心線，使得能夠有多種諧振模式可選，以便實現(xiàn)工作頻率可調(diào)諧，即工作在諧振頻率點。太赫茲芯片的集成化陣元是具備太赫茲信號產(chǎn)生與檢測性能的器件；陣列結(jié)構(gòu)可為串聯(lián)、并聯(lián)，以及其它任意結(jié)構(gòu)。太赫茲芯片采用高頻損耗低、介電常數(shù)低、厚度薄的晶體材料作為基片，這樣即使在太赫茲頻段，芯片也能夠有多個簡單的諧振模式，易于與準(zhǔn)光腔諧振模式匹配，且覆蓋頻率范圍寬。
[0016]利用一個喇叭天線2與一個平面鏡4構(gòu)成準(zhǔn)光腔，通過電磁場仿真得到以上選定的工作頻率的諧振模式，以確定喇叭天線與平面鏡之間的距離和諧振駐波的波腹位置。喇叭天線的波導(dǎo)端口與平面鏡之間的距離應(yīng)為工作頻率的半波長的整數(shù)倍。同時，將集成有太赫茲陣元的芯片3置于準(zhǔn)光腔諧振駐波的波腹處，波腹處距離平面鏡為工作頻率的(N/2+1/4)波長處(N = O, I, 2，…)，以獲得最大而均勻的耦合強度。
[0017]當(dāng)喇叭天線2、平面鏡4和芯片3三者的相對位置按照以上描述確定后，芯片諧振模式將與準(zhǔn)光腔諧振模式的完美匹配。通過喇叭天線2的矩形波導(dǎo)端口 I饋入待測太赫茲信號，必將激起喇叭天線2與平面鏡4構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振駐波。由于芯片3的諧振模式與準(zhǔn)光腔的諧振模式也是匹配的，同樣也會激起作為介質(zhì)諧振腔的芯片3的諧振。由太赫茲信號檢測陣元肖特基二極管組成的串聯(lián)陣列處于芯片3諧振駐波的中心波幅處，能夠能量均勻而相位同步地接收到待測的太赫茲信號，這樣就實現(xiàn)了波導(dǎo)端口 I與芯片3上串聯(lián)陣列的陣元的高效耦合。同時，從芯片3上的電極就可以讀出零壓偏置的肖特基二極管串聯(lián)陣列的各陣元的感應(yīng)出的相位同步的電壓信號，使得其檢測靈敏度相比單個肖特基二極管得到顯著提高。
【權(quán)利要求】
1.一種全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，包括矩形波導(dǎo)、平面鏡(4)和作為介質(zhì)諧振器的芯片(3)，其特征在于:以矩形波導(dǎo)為端口軸向連接喇叭天線，平面鏡(4)與所述芯片(3)平行，正對喇叭天線的喇叭口端，芯片(3)位于平面鏡與喇叭天線構(gòu)成的準(zhǔn)光腔之間；芯片(3)制備有太赫茲陣元，集成化太赫茲陣元的陣列制備于芯片的中心線上其諧振駐波的波腹處，芯片諧振模式與喇叭天線和平面鏡構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振模式相匹配，實現(xiàn)芯片上太赫茲陣元與波導(dǎo)傳輸線的耦合。2.如權(quán)利要求1所述的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，其特征在于:太赫茲陣元置于芯片的諧振駐波中心波腹處的中心線，使得能夠有多種諧振模式可選，以便實現(xiàn)工作頻率可調(diào)諧，即工作在諧振頻率點。3.如權(quán)利要求1所述的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，其特征在于:待測太赫茲信號通過喇叭天線(2)同軸相連的矩形波導(dǎo)端口(I)饋入，激發(fā)喇叭天線(2)與平面鏡(4)構(gòu)成的準(zhǔn)光腔的諧振和作為介質(zhì)諧振器的芯片(3)的諧振。4.如權(quán)利要求2所述的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，其特征在于:太赫茲陣列的陣元處于芯片(3)諧振駐波的中心波腹處，實現(xiàn)波導(dǎo)端口(I)與芯片(3)上陣列中陣元的高效親合。5.如權(quán)利要求1所述的全頻段覆蓋太赫茲頻段的耦合傳輸裝置，其特征在于:所述的太赫茲芯片的集成化陣元是具備太赫茲信號產(chǎn)生與檢測性能的器件。
【文檔編號】H01P3-10GK204289675SQ201420687001
【發(fā)明者】宋鳳斌, 程焱, 朱勇 [申請人]中國電子科技集團公司第十研究所