CN101116223A - 发射高频信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于发射高频信号的装置。该发射装置能够发射在千兆赫(GHz)和兆兆赫(THz)范围的信号。该装置可以利用例如这样一种悬臂，该悬臂包含在弯曲时能够改变其电属性的材料。

Description

发射高频信号的装置

[1]本申请要求2004年11月20日提交的临时申请60/522,920的优先权。本申请也是2005年6月20日提交的美国专利申请No.11/157,272的部分继续申请，美国专利申请No.11/157,272要求2004年11月20日提交的临时申请60/522,921、2004年11月20日提交的临时申请60/522,922、2004年11月20日提交的临时申请60/522,923、2004年11月20日提交的临时申请60/522,924和2004年11月20日提交的临时申请60/522,925的优先权。

技术领域

[2]本发明涉及设计用来发射高频RF信号的装置或者系列装置，更具体来说，涉及用来发射千兆赫和兆兆赫区域中的RF信号的装置或者系列装置。

背景技术

[3]千兆赫(GHz)和兆兆赫(THz)区域的微波光谱被认为是其中在没有破坏性地电离原始分子的情况下可以检测到巨大的分子共振的区域。尤其感兴趣的是，在从医用感测传感器到生物恐怖警告传感器的应用中，刺激大分子的分子振动的能力。在这些区域中产生信号的机制主要取决于标准的或者奇异的半导体材料的使用或者在特定晶体中由于激光感应共振而产生的RF发射。对于高频，这种装置需要形成量子井和/或量子点，或者需要按特定的形状加工共振晶体。这些方法为每个装置提供窄频响应，或者，对于激光泵晶体形式，它们可以通过频移用于刺激晶体的激光而在整个窄的带宽上进行调谐。

[4]因此，需要存在能够在宽带上工作并且能够提供光谱分析所需的调频的发射器。此外，还需要设计能够用于通信和网络中的装置。

发明内容

[5]一种RF辐射的发射器，该发射器包括：悬臂(cantilever)，其与天线电耦合，其中，一个或者多个悬臂由电信号驱动，以产生用于RF发射的电振荡，所述悬臂构造成使得它在导电层之间包括压电膜；以及驱动电极，其布置成这样，在所述压电膜被加压时，所述悬臂能够被驱动以发射电脉冲。或者，可以使用能够加压所述压电膜的箱型结构或者其它机械结构替代所述悬臂。所述发射器能够发射在MHz、GHz和THz区域中的RF信号。

附图说明

[6]鉴于下面结合附图对本发明的优选实施例的详细描述，有助于理解本发明，在附图中，相同的标记表示相同的部件，其中：

[7]图1至图6示出根据本发明的优选实施例的能够发射高频信号的装置的各种实施例。

具体实施方式

[8]应当明白，本发明的附图和描述被简化了，以示出与清楚地理解本发明有关的元件，然而，为了清楚起见，取消在典型的发射装置中出现的很多其它元件。本领域的普通技术人员将会认识到，在实施本发明中，其它元件和/或步骤是希望的和/或必需的。然而，因为这些元件和步骤是本领域熟知的，并且，因为它们对更好地理解本发明没有帮助，所以这里不讨论这些元件和步骤。本文的公开内容涉及对本领域技术人员所知的这些元件和方法的所有的这种改变和修改。

[9]本发明可以提供一种高频发射器，该发射器能够在宽带频率范围工作，并且能够提供频率扫描，从而简化了光谱分析所需的电子装置。此外，本发明的装置可以设计用来具有各种增益，以用于各种不同的环境和应用中。

[10]例如，可以使用可机械控制的膜，例如，微机电系统(MEMS)。MEMS通常结合到组合电部件和机械部件的微型装置或者系统中，使用集成电路加工技术来制造，并且，其尺寸可以在纳米到毫米的范围内。这些系统可以在微观尺度上感测、控制和致动，并且可以单个地或者以阵列形式运行，以在宏观尺度上产生效应。

[11]MEMS可以包括基底和偏转器。基底(或者基板)和偏转器可以由诸如InP、GaAS、SiN、Si或者SiO₂之类的材料制成。MEMS可以工作，其中，给MEMS施加能量，致使偏转器相对于基底纵向地偏转。偏转器离基底的纵向位移与施加给MEMS的能量成比例。各种不同的MEMS结构可以适用于该发射技术。虽然本文中仅详细地描述了几种选择的结构，但是，其它结构，例如，摇臂(rocking arm)和挠性振膜，可以设计用来基于由接收的RF信号施加在导电元件上的电荷不同而改变振荡。MEMS可以结合到具有机械优点的装置，从而可以提高发射信号的增益。另外，有可能利用多个串联的MEMS，以产生连续的波发射，放大脉冲的功率，或者改变正在发射的脉冲的波形。通过利用可替换的材料，例如，磁致伸缩性材料，可以用磁场替代电场。

[12]例如，可以在各种材料(包括硅)上制造本发明的装置。这些元件的尺寸可以是变化的，从而可以制造这种类型的发射器，其用于具有特定中心频率的宽频率范围上。另外，例如，通过改变MEMS结构的压电膜的维度和/或尺寸，可以增加MEMS发射器的功率水平。将MEMS设计在特定RF频率上共振，也可以增加发射的功率，尤其在那个频率上。通过使用在MEMS之间用特定的或者可控制的延迟器优选串联的多个MEMS元件，可能的是，这些MEMS元件的阵列可以放大由初始元件发射的信号，给初始脉冲增加额外的波形，改变波形的形状，或者改变其频率。

[13]在优选实施例中，有助于产生高频信号的特定信号结构是以允许其异相地组合的方式合并两个方波信号。其例子是，两个方波具有相同的频率(注意，这不是必需的要求)，并且其相差设定为175度。当这两个信号组合时，结果是在原始波形的频率的两倍处出现一组非常短的脉冲。这些脉冲出现在原始波形的每个过渡边缘，并且在所述组合相和两个波形相互抵消的180度相位置之间具有等于5度周期的脉冲宽度。所得到的脉冲在正负值之间交替，并且间隔所述产生信号的半个周期时间。通过组合这些脉冲发生器中的多个，每个发生器相互稍微延迟，在比用于产生所述信号的波形明显更高的频率处，可以产生连续交替的电流信号。例如，使用现代计算机时钟芯片和数字定时控制，每个芯片可以得到1GHz或者更高的驱动信号。通过使用DC偏移，这些PC时钟装置中的两个可以供应1GHz方波信号。然而，有各种不同的方法用于产生这些初始波形。例如，可以以128位的精确度控制这些驱动信号的初始状态。以这样的方式，在该例子中所产生的高频可以得到直到4皮秒或者0.25THz的脉冲宽度。通过使用多个这样结构的电路并且控制时钟的初始定时，有可能在该高频处产生连续的信号。该高频产生方法的附加优点是，可以以较低的驱动频率并且/或者通过组合来自一列相似电路的信号来施加信号功率。这样允许用于产生高频的电部件在比较低的频率工作，从而降低其成本和功率限制。

[14]可发射短的电脉冲的MEMS装置也可以以相同的这样方式使用。其例子是由其间具有一个压电膜的两个导电膜构成的MEMS悬臂。在该结构中，当悬臂没有被加压时，压电材料充当绝缘体，当该悬臂被弯曲时，它发射短的脉冲。因为每当悬臂被加压时，压电膜就沿任意方向发射该脉冲，所以，这些脉冲出现在MEMS结构的振荡频率的两倍处。当压电材料初始被加压时，发射一个极性的脉冲，当它们被松弛时，发射相反极性的第二脉冲。如前面对方波或者高频脉冲的定时脉冲产生的描述一样，MEMS结构可以设计用来产生间隔一定时间延迟的相反极性的脉冲，或者，该设计可以设定成使用MEMS元件作为电容放电装置，其中，初始驱动信号致使压电材料加压和脉动，同时，悬臂释放其与驱动信号的场差。在这种情况下，当压电材料松弛回到其原始位置时，可以没有延迟地出现第二相反脉冲，从而提供较高频率的全单脉冲(full mono-pluse)，其由定时宽度的压电放电而产生的。此外，如前所述，使用这种类型的多个MEMS元件，可以用来产生连续的高频发射。而且，因为压电单脉冲全部是双向的，所以与装置横向放置的天线将接收完整的调制并发射RF能量。结果，MEMS装置充当有源的RF电路元件。

[15]如前所述，压电MEMS装置可以构造用来发射单脉冲，在电荷方面，所述单脉冲全部是双向的。结果，如果第二压电MEMS以正确的定时放电，则可以放大由一个MEMS产生的发送给该第二MEMS的信号。因此，以正确定时的串联的这些装置的阵列可以用作功率放大器。通过改变串联元件的定时，可以改变和控制脉冲形状。在不能快速放电的情况下驱动的MEMS元件中，MEMS元件的定时可以用来改变波形的宽度，从而改变阵列的输出频率。因此，根据驱动机制和MEMS结构，阵列可以设计成放大功率、执行波形成形功能或者改变其输出频率。

[16]可以利用额外的技术，使用热电子转移或者电容切换，其利用这样的电极结构，该电板结构允许MEMS结构从其通过，从而导致电崩溃或者电转移，其中，通过MEMS元件的通过速率或者通过特定电势的放电或者通路来控制电转移的时间周期。以这样的方式，通过MEMS装置触发振荡。这种类型结构的特定例子是这样的悬臂，该悬臂由一个电路振荡地驱动，并且通过第二电路用电势充电。通过使用控制所述振荡驱动的一个电极和充当放电点电极的第二电极，MEMS仅仅在第二放电电极的足够射程内时才放电。当MEMS元件经过放电距离时，在运动元件和所述电极之间的电子转移及时地被限制。通过将绝缘结构放置在电极周围并且将MEMS元件设计用于特定速度，可以精确地控制该放电周期的定时。

[17]压电MEMS也可以用来致使保持在其击穿电势附近的二极管内的电子隧道层击穿。这些MEMS也可以用激活晶体管上的栅极，从而接通晶体管，使得电流可以从其流过。在这两种情况中，MEMS元件的结构可以以使该切换事件出现的时间最小的方式设计，于是，基于二极管或者晶体管的特性，切换时间可以极短。如果这些装置是高频振荡电路的一部分，那么，结果是MEMS控制振荡的频率和振荡器的定时。

[18]本发明还可以提供一组发射器，该发射器能够大批量低成本地制造，用于MHz、GHz和THz产品，例如，通信、计算、数据网络、生物危害报警(biothreat)和化学传感器。本发明可以提供能够将较低频率的RF信号上变频为较高频率的RF信号。还有可能的是，本发明可以直接结合到传输结构的主要部分的天线或者波导中。

[19]现在参照图1，该图示出了两个方波形以及它们组合时的相互作用，这两个方波形彼此异相，并且其相差量不等于180度。

[20]本领域的普通技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行很多修改和改变。因此，本发明应当覆盖本发明的修改和改变，只要它们在附属权利要求及其等同形式的范围内。

Claims (1)

1.一种发射高频信号的装置，该装置包括：悬臂，其包含在弯曲时能够改变其电属性的材料。

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