CN105024647A - 一种全波段太赫兹三倍频模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全波段太赫兹三倍频模块，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的输入端的匹配波导、芯片通道和输出端的匹配波导；芯片通道内设置太赫兹全波段倍频芯片，所述太赫兹全波段倍频芯粘接在金属上基座上，所述太赫兹全波段倍频芯片分别与输入端的匹配波导和输出端的匹配波导连接。本发明基于太赫兹集成电路微纳制备技术，具有结构紧凑、安装简便、集成度高的特点；本发明具有全波段带宽的特点；本发明具有无需外加偏置的特点；同时具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。

Description

一种全波段太赫兹三倍频模块
技术领域
本发明属于基于太赫兹集成电路微纳制备技术领域，特别涉及一种全波段太赫兹三倍频模块。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简写THz)通常是指频率在0.1THz～10THz(波长为30μm～3mm)范围内的电磁波。1THz(1012Hz)对应波数为33.3cm-1，能量为4.1meV，波长为300μm。从频谱上看，太赫兹波在电磁波谱中介于微波与红外之间，处于电子学向光子学过渡的区域，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。在电子学领域，太赫兹波被称为亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。
传统的电子学方法和光学方法都难以产生高质量的太赫兹波，随着光电子技术和半导体技术的发展，使用超快激光轰击非线性晶体或光电导偶极可以实现毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波，这就为研究提供了一个稳定和有效的手段；利用电真空返波管(BWO)通过锁相，也可以实现1.2THz频率以下毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波；量子级联(QCL)外加锁相机制，可实现2THz频率以上毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波。但这些技术都存在系统复杂、集成度差以及造价昂贵等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种在输出带宽提高的同时保持良好的倍频效率性能的全波段太赫兹三倍频模块。
技术方案：本发明提供了一种全波段太赫兹三倍频模块，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的输入端的匹配波导、芯片通道和输出端的匹配波导；芯片通道内设置太赫兹全波段倍频芯片，所述太赫兹全波段倍频芯粘接在金属上基座上，所述太赫兹全波段倍频芯片分别与输入端的匹配波导和输出端的匹配波导连接。
进一步，所述每组倍频芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的太赫兹肖特基反并联管对、输入端波导微带耦合单元、输出端波导微带耦合单元和高低阻低通滤波器；太赫兹肖特基反并联管对内形成直流和射频回路，太赫兹肖特基反并联管对的两端分别与输出端波导微带耦合单元与高低阻低通滤波器相连，高低阻低通滤波器和输入端波导微带耦合单元相连，输入端波导微带耦合单元和输入端的匹配波导相连，输出端波导微带耦合单元和输出端的匹配波导相连。
进一步，所述倍频芯片为砷化镓薄膜或石英基底，倍频芯片本体的厚度为10～15μm，采用这个洪都的基底有助于降低信号传输损耗。
进一步，所述太赫兹肖特基反并联管对的拓扑结构为反并联结构，这样利于实现杂波分量抑制。
进一步，所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接法兰盘。这样能够实现与外部其他部件的连接，
进一步，所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接，通过定位销实现固定定位。
倍频芯片及其部件的制作工艺选用电子束光刻(EBL，electronic beamlithography)、电感耦合反应离子刻蚀(ICP Etching，inductively coupled plasmareactive ion etching)、分子束外延(MBE，Molecular beam epitaxy)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)中的任一种。
工作原理：本发明的输入输出耦合采用损耗较小的波导微带过渡方式，倍频芯片上太赫兹肖特基反并联管对采用反并联电路结构，利于实现杂波抑制。倍频芯片的太赫兹肖特基反并联管对内形成直流和射频回路，输出端波导微带耦合单元设置于太赫兹肖特基反并联管对的一侧，太赫兹肖特基反并联管对的另一侧与高低阻低通滤波器相连，高低阻低通滤波器和输入端波导微带耦合单元相连。通过增加太赫兹肖特基反并联管对的数目，提高对输入功率的承载能力，倍频芯片完成信号的激励，并在芯片通道的输出一侧内完成倍频信号输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于微纳技术，具有结构紧凑、安装简便、集成度高的特点；在进行倍频芯片电路设计时，综合考虑端口匹配与其它电路结构的协同设计，明显减弱了端口反射，提高了端口驻波性能；在进行倍频芯片电路设计时，综合考虑全波段匹配与其它电路结构的协同设计，明显提高了电路带宽性能，具有全波段带宽；本发明采用的工艺为微纳集成制造技术，一致性好。无需外加偏置，减少了制作成本，更便于系统集成。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是金属下基座的立体示意图；
图3是金属下基座的俯视图；
图4是倍频芯片的结构示意图；
图5是太赫兹肖特基反并联管对的局部示意图；
图6是输入功率为20mW条件下220-320GHz全波段三倍频器倍频效率结果；
图7是输入功率为6mW条件下320-500GHz全波段三倍频器倍频效率结果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～3所示，本实施例包括金属上基座1和金属下基座2，金属上基座1和金属下基座2形成的腔体内分别设置结构相同的输入端的匹配波导3、芯片通道4的两端分别与输出端的匹配波导5和输入端的匹配波导3连接，芯片通道4内倍频芯片7粘接到金属上基座1上。为实现与外部其他部件的连接，金属上基座1和金属下基座2的两侧分别设置连接法兰盘8。金属上基座1和金属下基座2通过定位销9连接，通过定位销9实现固定定位。
本实施例中输入端的匹配波导3、芯片通道4、输出端的匹配波导5是在金属上下基座上通过精密数控铣(CNC Milling，ComputerizedNumericalControl Milling)的方式得到。金属上基座1和金属下基座2为铝制成，其他实施例中可以选择铜，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金得到。
如图4和图5所示，倍频芯片7包括芯片本体71、太赫兹肖特基反并联管对72、输入端波导微带耦合单元73、输出端波导微带耦合单元74和高低阻低通滤波器75；所述太赫兹肖特基反并联管对72内形成直流和射频回路，输出端波导微带耦合单元73设置于太赫兹肖特基反并联管对72的一侧，太赫兹肖特基反并联管对72的另一侧与高低阻低通滤波器75相连，高低阻低通滤波器75和输入端波导微带耦合单元73相连，输入端波导微带耦合单元73和输入端的匹配波导3相连，输出端波导微带耦合单元74和输出端的匹配波导5相连。本实施例的太赫兹肖特基反并联管对75的拓扑结构为反并联结构，利于实现杂波抑制。
本实施例中，倍频芯片7及其部件的制作工艺选用电子束光刻制成。本实施例的倍频芯片7面积为180um×1150um，厚度12um，金属上基座1和下基座的总尺寸为27mm×30mm×25mm。本实施例的倍频芯片7为石英基底。
倍频芯片7和芯片通道4主要是负责信号的耦合、激励、合成等工作。太赫兹肖特基反并联管对72内形成直流和射频回路。输入端波导微带耦合单元73用于把输入功率耦合到太赫兹肖特基反并联管对72，由太赫兹肖特基反并联管对72激励出的奇次谐波信号经输出端波导微带耦合单元74耦合到输出导波结构，最后经波导口输出。
如图6所示，在输入功率为20mW条件下倍频效率结果，从曲线可见220-320GHz全波段宽范围内倍频效率高于2％，同时无明显驻波。如图7所述，在输入功率为6mW条件下倍频效率结果，从曲线可见320-500GHz带宽范围内，倍频效率高于1.5％。结果表明，本发明提供的结构具有相当好的宽带性能与非常优越的端口特性，倍频效率性能优良。

Claims (6)

1.一种全波段太赫兹三倍频模块，其特征在于，包括金属上基座(1)和金属下基座(2)，金属上基座(1)和金属下基座(2)形成的腔体内分别设置结构相同的输入端的匹配波导(3)、芯片通道(4)和输出端的匹配波导(5)；芯片通道(4)内设置太赫兹全波段倍频芯片(7)，所述太赫兹全波段倍频芯(7)粘接在金属上基座(1)上，所述太赫兹全波段倍频芯片(7)分别与输入端的匹配波导(3)和输出端的匹配波导(5)连接。
2.根据权利要求1所述的全波段太赫兹三倍频模块，其特征在于：所述每组倍频芯片(7)包括芯片本体(71)和分别设置于芯片本体(71)上的太赫兹肖特基反并联管对(72)、输入端波导微带耦合单元(73)、输出端波导微带耦合单元(74)和高低阻低通滤波器(75)；太赫兹肖特基反并联管对(72)内形成直流和射频回路，太赫兹肖特基反并联管对(72)的两端分别与输出端波导微带耦合单元(74)与高低阻低通滤波器(75)相连，高低阻低通滤波器(75)和输入端波导微带耦合单元(73)相连，输入端波导微带耦合单元(73)和输入端的匹配波导(3)相连，输出端波导微带耦合单元(74)和输出端的匹配波导(5)相连。
3.根据权利要求2所述的全波段太赫兹三倍频电路，其特征在于：所述倍频芯片(7)为砷化镓薄膜或石英基底，倍频芯片(7)的厚度为10～15μm。
4.根据权利要求2所述的全波段太赫兹三倍频电路，其特征在于：所述太赫兹肖特基反并联管对(72))的拓扑结构为反并联结构。
5.根据权利要求1所述的全波段太赫兹三倍频电路，其特征在于：所述金属上基座(1)和金属下基座(2)的两侧分别设置连接法兰盘(8)。
6.根据权利要求1所述的全波段太赫兹三倍频电路，其特征在于：所述金属上基座(1)和金属下基座(2)通过定位销(9)连接。
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