CN104900999A - 一种基于集成电路工艺的太赫兹双频天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于CMOS集成电路工艺的太赫兹双频天线，对矩形辐射贴片微带天线进行改进，使得天线辐射贴片的长度L对应一个频率谐振，而贴片宽度W对应另一个频率谐振，然后从矩形辐射贴片对角线的一角馈电，则此时天线同时激发TM₀₁和TM₁₀两个方向模式，就能使同一个辐射贴片工作于两个太赫兹频率上；所述太赫兹双频矩形辐射贴片微带天线对角线的一角通过通孔与晶体管的栅极相连接工作；根据工作频率f跟辐射单元长度L的关系式，能够确定出所需工作频率下的天线辐射贴片的长宽设计要求。选取矩形辐射贴片对角线上一点作为馈电点，并采用同轴线馈电方式。

Description

一种基于集成电路工艺的太赫兹双频天线

技术领域

本发明涉及太赫兹信号探测领域，更涉及一种利用双频天线作为信号接收部件的探测器结构，能够实现双波段的响应。

背景技术

太赫兹是一种频率介于微波和红外之间的过渡区域，具有透射性强，分辨率高等独特的性能；太赫兹探测技术在宽带通信、雷达、医学成像、无损检测、安全检查等领域有着重要的应用前景。目前太赫兹技术主要围绕太赫兹源，太赫兹探测和应用领域等进行展开。其中，获得信噪比高、灵敏度好、宽频响应的室温太赫兹探测器是推动太赫兹技术应用发展的关键。基于集成电路制造工艺的CMOS太赫兹探测器，具有室温工作，低成本，高成像能力等突出优势，是未来太赫兹技术实用化的可能途径，目前受到国际各大研究机构的广泛关注。

CMOS太赫兹探测器包括CMOS传感器和太赫兹天线两个主要模块。天线的性能及其与晶体管的电学匹配直接决定了探测器的探测性能。目前已报道了多种基于集成电路工艺的太赫兹探测器天线结构[1，2]，广泛使用的矩形贴片微带天线如图1所示，它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片(104)的一表面上敷以金属辐射片(101)和微带馈线(102)，另一面上全部敷以金属薄层(103)作接地线。如果辐射贴片的长度L近似为半波长，我们可以将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长度为λ似为的低阻抗微带传输线。贴片的长度越短，则谐振频率越高。如果将贴片长度L设计在太赫兹波段，该贴片天线将在相应太赫兹波段工作。微带天线具有质量轻、体积小和易于制造等优点。

但另一方面，由于贴片微带天线的谐振频率由辐射贴片长度决定，一个辐射贴片只能对一个谐振频率响应。该天线应用于CMOS太赫兹探测器时，探测器只能探测到一个中心频率的信号，且工作波段较窄，在实际应用中存在工作效率低等显著缺点。

参考文献： 

[1]E.U.Pfeiffer,A.Lisauskas,and H.Roskos“A 0.65THz Focal-Plane Array in a Quarter-Micron CMOS Process Technology”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.7,pp.1968-1976(2009). 

[2]R.Hadi,H.Sherry,J.Grzyb and U.Pfriffer“A 1k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applications in 65-nm CMOS”IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.47,no.12,pp.2999-3012(2012).

发明内容

本发明的目的是，提出一种工作在两个太赫兹频率的宽频太赫兹天线，在实际应用中提升CMOS太赫兹探测器的响应性能和范围。尤其是针对贴片天线存在的单个频率工作问题，实现带双频天线的太赫兹探测器。本发明提出一种基于集成电路工艺实现太赫兹双频天线的太赫兹探测器结构。

一种基于CMOS标准集成电路工艺的太赫兹双频天线，对传统矩形辐射贴片微带天线进行改进，使得天线辐射贴片的长度L对应一个频率谐振，而贴片宽度W对应另一个频率谐振，然后从矩形辐射贴片对角线的一角馈电，则此时天线可以同时激发TM₀₁和TM₁₀两个方向模式，就能使同一个辐射贴片工作于两个太赫兹频率上；所述太赫兹双频矩形辐射贴片微带天线(于对角线的一角)通过通孔与晶体管的栅极相连接工作。根据工作频率f跟辐射单元长度L的关系式，能够确定出所需工作频率下的天线辐射贴片的长宽设计要求。选取矩形辐射贴片对角线上一点作为馈电点，采用同轴线馈电方式。基于CMOS标准集成电路工艺的太赫兹双频天线，双频矩形辐射微带天线的金属辐射贴片用集成电路工艺中的顶层金属制作，底层金属做为接地板，介质层用集成电路后端介质，一般为二氧化硅。顶层金属上的通孔的位置即双频天线矩形辐射贴片对角线上一角馈电点的位置，即通过顶层金属上的通孔进行同轴线馈电，通过通孔再与下层金属相连，最终通过下层金属上的通孔实现与晶体管的栅极相连接工作。

所述CMOS双波段太赫兹天线探测器应用，在晶体管栅极上加上直流偏置电压V_G，同时微带天线产生的交流电压信号加在晶体管栅极上，源极接地，漏极浮空；晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端读出，从而实现对太赫兹信号的探测。

根据传输线模型，，辐射贴片的长度L决定天线的工作波长，这里λe是介质内的导波波长，即为：

${\mathrm{\λ}}_e=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}---\left(1\right)$

考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为：

$L=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\ΔL}---\left(2\right)$

其中，f为工作频率即矩形贴片的长度，c为真空中光速，εe是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度。

本发明的有效效益为：本发明所述的双波段太赫兹探测器是将传统矩形贴片微带天线加以改进，使辐射贴片的长度L对应一个谐振频率，其宽度W对应另一个谐振频率，然后从矩形对角线的一角馈电，实现天线的双频工作，增大天线的工作波段。

本发明所述的双波段太赫兹探测器是将双频天线跟标准集成电路工艺技术相结合，能够实现功能的高度集成化，功耗低，且具有成本优势。

本发明将太赫兹双频天线通过标准集成电路工艺技术中的互连与晶体管相连接，实现带双频天线的太赫兹探测器。即得到带双波天线的CMOS太赫兹探测器，使探测器工作波段更宽，更好的满足实际应用中的需求。该天线在同一个辐射贴片上可以工作于两个不同太赫兹频率。太赫兹双频微带天线用标准集成电路工艺制作，天线通过通孔与晶体管的栅极相连接工作。从而得到带双波天线的CMOS太赫兹探测器，使探测器工作波段更宽。本发明所述的双波段太赫兹探测器其结构简单，减小了探测器的设计难度。

附图说明

图1为传统矩形贴片微带天线结构图。

图2为本发明所述双频微带天线结构图；(2a)是俯视图，(2b)是正视图。

图3为本发明所述基于标准集成电路工艺的双波段太赫兹探测器截面图。

图4为本发明所述的双波段天线回波损耗S₁₁参数图。

图5为本发明所述的双波段天线的增益方向图。

图6为本发明所述基于标准集成电路工艺的太赫兹天线工作实验结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部 的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

对于如图2所示的双频天线，选取矩形对角线的馈电点(202)，此时天线可以同时激发TM₀₁模式和TM₁₀模式，即沿着辐射贴片长度L方向和沿着辐射贴片宽度W方向均可激发一个谐振频率。根据式(2)谐振频率与辐射单元尺寸的关系，我们可以根据实际天线工作频率的需求来设计该双频天线的辐射单元的长度L和宽度W，从而使该太赫兹探测器能够工作于两个频率上，增加探测器工作波段的宽度。

本发明所述的双频天线结构如图2所示为本发明所述双频微带天线的结构示意图，在一块厚度远小于工作波长的介质基片(204)的一面上敷以金属辐射片(201)，另一面上全部敷以金属薄层作接地板(203)而成的，图中(202)是馈电点，采用同轴线馈电。该天线的辐射贴片的长L和宽W分别对应一个谐振频率，x轴上的A点(x,0)为激发TM₁₀模式的馈电点，即由于A点位于辐射贴片y方向的中心线上，A点能够激发沿x方向的主模横磁波TM₁₀；y轴上的B点(0,y)为激发TM₀₁模式的馈电点，即由于B点位于辐射贴片x方向的中心线上，A点能够激发沿y方向的主模横磁波TM₀₁。当馈电点放置于C点(x,y)位置时，此时天线可以同时激发TM₀₁模式和TM₁₀模式，实现同一个辐射贴片工作于两个不同太赫兹频率。

如图2所示。该双频天线的基本构成，在一块厚度远小于工作波长的介质基片(204)的一面上敷以金属辐射片(201)，另一面上全部敷以金属薄层作接地板(203)。图2中俯视图为该双频微带天线的矩形金属辐射单元(201)，将矩形辐射单元对角线的一点(202)作为馈电点，采用同轴线馈电。该双频天线工作的原理是，其辐射贴片的长度L对应一个频率谐振，其宽度W对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，则此时天线可以同时激发TM₀₁和TM₁₀两个方向模式，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。在本实施例中，我们所设计的双频天线辐射贴片的长度L为270μm，宽度W为210μm，馈电点(202)为对角线1/4处，输入阻抗为50Ω。

利用HFSS仿真软件，根据上面所设计的双频微带天线的结构参数，建立了天线的结构模型，进行一系列的求解计算。图4为双频微带天线的回波损耗(S₁₁参数)随频率的变化。从图中可以看到，该天线工作在两个频率上，分别是280GHz和360GHz， 中心频率为280GHz的天线绝对带宽为20GHz，中心频率为360GHz的天线绝对带宽为25GHz，该天线整个工作频率范围为225GHz到400GHz，双频特性很好，从而实现了该太赫兹探测器能够工作在双波段。图5是该双频天线的增益方向图，该双频天线的增益为2.8dB。因此，工作于280GHz和360GHz的双频天线，在带宽、增益等方面完全符合设计要求。

基于标准集成电路工艺的双频太赫兹探测器的结构横截面图如图3所示，双频天线的金属辐射贴片用集成电路工艺中的顶层金属(301)制作，接地板用底层金属(309)，介质层用集成电路后端介质(308)。通过通孔(302)与下层金属(303)相连，通孔(302)的位置即如图2所示馈电点(202)，最终通过通孔(304)实现与晶体管的栅极(305)相连接，工作时在晶体管栅极(305)上加合适偏置直流电压，同时微带天线产生的交流电压信号也加在晶体管栅极(305)上，晶体管源端(306)接地，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端(307)读出，从而实现对太赫兹信号的探测。

图3所示为本发明所述基于0.18μm CMOS标准集成电路工艺的双波段太赫兹探测器截面图。0.18μm CMOS标准集成电路工艺包括六层金属。本发明所述双频天线的金属辐射贴片用集成电路工艺中的第六层金属(301)制作，第一层金属做为接地板(309)，(308)是介质层为二氧化硅。第六层金属层上的通孔(302)的位置即如图2所示双频天线矩形辐射贴片对角线上馈电点(202)的位置，即通过通孔(302)进行同轴线馈电。通孔(302)再与第四层金属(303)相连，最终通过第四层金属上的通孔(304)实现与晶体管的栅极(305)相连接。这里所述金属材料均为铝。本发明所述晶体管是以p型硅为衬底(310)，衬底掺杂浓度为10¹⁷量级。晶体管的源(306)和漏(307)为重掺杂n⁺型，所掺杂质为磷，掺杂浓度为10²⁰量级。晶体管的栅极(305)，其栅长为0.25μm，栅宽为0.5μm，氧化层厚度为4nm，阈值电压为0.5V。

本发明所述基于CMOS标准集成电路工艺的双波段太赫兹探测器，其工作时在晶体管栅极(305)上加合适偏置直流电压V_G，同时微带天线产生的交流电压信号加在晶体管栅极(305)上，晶体管源端(306)接地，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端(307)读出，从而实现对太赫兹信号的探测。

图3所示的基于标准集成电路工艺的太赫兹双频天线的工作实验结果如图6所示， 内置图为测量实验结构图。测量时，施加在晶体管(305)上的直流栅压为V_G＝0.37V，源端(306)接地，漏端浮空，测量漏端直流响应电压。测量时，在源端(306)上提供太赫兹源信号，改变太赫兹源信号频率，测量器件响应电压随太赫兹频率的变化。从图上可以看出，太赫兹双频天线很好地工作在两个频率上，与理论仿真结果符合很好。因此，这类天线仅仅采用一个馈电点就可使天线工作于双波段，同时带宽得到增加，能够更好地满足实际应用中的需求。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用一限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于CMOS集成电路工艺的太赫兹双频天线，其特征是对矩形辐射贴片微带天线进行改进，使得天线辐射贴片的长度L对应一个频率谐振，而贴片宽度W对应另一个频率谐振，然后从矩形辐射贴片对角线的一角馈电，则此时天线同时激发TM₀₁和TM₁₀两个方向模式，就能使同一个辐射贴片工作于两个太赫兹频率上；所述太赫兹双频矩形辐射贴片微带天线对角线的一角通过通孔与晶体管的栅极相连接工作；

根据工作频率f跟辐射单元长度L的关系式，能够确定出所需工作频率下的天线辐射贴片的长宽设计要求。选取矩形辐射贴片对角线上一点作为馈电点，并采用同轴线馈电方式。

2.根据权利要求1所述的基于CMOS集成电路工艺的太赫兹双频天线，其特征是双频矩形辐射微带天线的金属辐射贴片用集成电路工艺中的顶层金属制作，底层金属做为接地板，介质层用集成电路后端介质二氧化硅；顶层金属上的通孔的位置即双频天线矩形辐射贴片对角线上一角馈电点的位置，即通过顶层金属上的通孔进行同轴线馈电，通过通孔再与下层金属相连，最终通过下层金属上的通孔实现与晶体管的栅极相连接工作。

3.根据权利要求1所述的基于CMOS集成电路工艺的太赫兹双频天线，其特征是根据传输线模型，辐射贴片的长度L决定天线的工作波长，这里λe是介质内的导波波长，即为：

${\mathrm{\λ}}_e=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}---\left(1\right)$

考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为：

$L=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\ΔL}---\left(2\right)$

其中，f为工作频率即矩形贴片的长度，c为真空中光速，εe是有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙长度。

4.根据权利要求1-3之一所述的CMOS双波段太赫兹天线和探测器的应用，其特征是在晶体管栅极上加上直流偏置电压V_G，同时微带天线产生的交流电压信号加在晶体管栅极上，源极接地，漏极浮空；晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端读出，从而实现对太赫兹信号的探测。