CN105337033B - 一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，属于天线技术以及电磁功能器件领域。设计出在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断。最终通过电控改变结构谐振模式来实现单元散射特性的改变从而实现对反射相位的控制。其相移控制的机理具体为当晶体管处于截断状态时，谐振单元结构电容片对入射太赫兹波电场分量呈现很强的电容效应，而晶体管导通时，电容片间形成连接，原先的电容效应消失，由于电容的改变，使得谐振改变，从而改变反射相位。具有扫描速度快，加工简单，成本低的优点。

Description

一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线

技术领域

本发明涉及一种亚波长反射天线用单元，具体讲是一种1-bit反射阵辐射单元及平板反射阵天线，属于天线技术以及电磁功能器件领域。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。

高帧率、高分辨率三维成像雷达要求具有低成本、高增益、实时可控的可重构太赫兹天线扫描技术。目前在毫米波段普遍采用的传统相控阵孔径天线通过机械式扫描和多馈源波束成形实现实时可重构，其缺点是复杂的馈电系统、庞大的接收单元模块、传输线馈电系统的高频损耗等，因此难以满足太赫兹雷达成像系统对高集成化、大带宽、高速率、低成本的要求，也难以实现对太赫兹波频率、极化、辐射特性实时可控的要求。

电控反射阵列天线利用离散控制器件，如PIN结开关、MEMS开关、铁氧体器件、石墨烯、液晶等构建反射单元，不需要传输线馈电网络和大量的接收单元，可以实现快速、自适应的天线可重构和波束扫描。

反射天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可调控的反射阵兼备了反射面天线和相控阵天线的特点。但是传统的反射阵在高频段尤其是太赫兹波段存在加工工艺和偏置网络结构的限制，限制了反射阵天线的电控设计。

近年来随着半导体材料及技术的发展，电控晶体管展现出了卓越的表现，成为了当今微电子产业的核心。微结构单元及阵列是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性，人工微结构目前包含频率选择表面结构(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。随着近代微细加工技术的发展，人工微结构在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

Hirokazu Kamoda等人利用pin结二极管加载的贴片天线实现了60Ghz的电控扫描[1]，其结构单元，其单元层较多，结构复杂，现有工艺在太赫兹频段很难实现，而且在pin结二极管的响应速率较慢，很难实现高速扫描。介于上述现有的缺点和难点，本设将晶体管和人工微结构结合并巧妙的结构设计，使得馈电与反射单元处于同一层，大大降低了制作难度的同时，提高了单元相位响应时间，从而提高了整个反射阵的扫描速率。

本发明通过将电控晶体管与人工微结构巧妙并有效的结合加利用，提出的一种基于人工微结构结合晶体管的单层反射阵单元及反射阵列，可以制作出对太赫兹电磁波反射调控的新型反射单元，提高了波束扫描速度并克服了现有的工艺和技术的不足。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易加工、损耗小的反射阵列天线，主要通过将人工微结构和电控晶体管阵列相结合，通过对晶体管结构的通断控制，实现天线波束的电控扫描。

本发明解决所述技术问题采用的设计方案为，设计出在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，之后利用微电子加工工艺将阵列结构与晶体管相结合，并通过外加电压控制晶体管的通断。最终通过电控改变结构谐振模式来实现单元散射特性的改变从而实现对反射相位的控制。其相移控制的机理具体为当晶体管处于截断状态时，谐振单元结构电容片对入射太赫兹波电场分量呈现很强的电容效应，而晶体管导通时，电容片间形成连接，原先的电容效应消失，由于电容的改变，使得谐振改变，从而改变反射相位。

因而本发明一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，包括：金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的反射天线阵列，其特征在于介质基板为半导体材料；反射天线阵列的每个单元天线为金属贴片；针对每列单元天线设置两条阴极金属馈线，分别位于该列单元天线的两侧，其中一条连通该列全部单元天线，另一条悬空，天线阵列中所有阴极金属馈线连接同一外加阴电极；针对每列单元天线，其中每个金属贴片与悬空的阴极金属馈线之间分别相对伸出一“T”型枝节，每一相对的“T”型枝节的顶部设置于一欧姆贴片上，欧姆贴片设置于介质基板上，在各欧姆贴片上设置掺杂的异质材料用以连接相对的“T”型枝节顶部；针对每列单元天线设置一条阳极金属馈线，该阳极金属馈线穿过该列所有“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料，并且反射天线中所有阳极金属馈线分别与外接的数字编码馈电接口相连，并最终由数字编码电路分别加载电压；通过外加阳电极与外加阴电极之间的电压差来控制“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，从而调制该反射天线反射信号。

进一步的，所述基板为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。

进一步的，所述馈线及单元天线为Au、Ag、Cu或Al。

进一步的，欧姆贴片的材料为Ti、Al、Ni或Au。

进一步的，掺杂异质材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。

所述反射天线阵列为多个单元构成的M*N的阵列，其中M>2，N>2。

本发明的有益效果是：(1)、晶体管具有快速调制功能，所以将其作为本发明的核心动态功能材料，可实现高速的切换特性，最终实现天线的高速扫描。(2)、本发明中采用二维平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。(3)、本发明通过电控来进行工作，而不需要外加光激励、温度激励等其他较为复杂的激励方式，使得该器件在小型化、实用化与产量化方面具有很大的优势。(4)、本发明所设计的反射结构，通过改变晶体管的通断即可实现电磁波反射相位的变化，并最终通过相位控制实现反射面天线的波束扫描。

附图说明：

图1为基于晶体管器件的太赫兹单层反射阵单元结构阵列示意图。

图2为基于晶体管器件的太赫兹单层反射阵单元结构正面示意图。

图3为单元反射相移曲线图。

图4为单元反射系数曲线图。

图中：1.半导体介质层，2.外加金属阴电极，3.外加金属阳电极，4.单元天线，5.金属地板。

具体实施方式

本发明将人工微结构与晶体管相结合形成一种反射单元结构，并通过二维平面排列形成复合阵列反射面，通过控制晶体管的通断改变人工微结构谐振模式，实现反射波相移的高速转换，从而对太赫兹波进行相位控制，实现波束扫描。

本发明的整体设计方案示意图如图1，包括半导体基板1材料为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等、电压加载电极线2、数字编码馈电接口3、调制单元阵列4。其中，半导体基板1上设置反射单元阵列结构4、负电压加载电极2、数字编码馈电接口3及金属板5。

所述反射单元包括晶体管和辐射单元结构，如图2所示。包含两条阴极金属金属馈线，其中一条连通该列全部单元天线，另一条悬空，天线阵列中所有阴极金属馈线连接同一外加阴电极；针对每列单元天线，其中每个金属贴片与悬空的阴极金属馈线之间分别相对伸出一“T”型枝节，该“T”型枝节材料为Au、Ag、Cu、Al等，相对的“T”型枝节顶部通过掺杂异质材料连接，并且“T”型枝节位于介质基板上的欧姆贴片上，其中欧姆贴片与掺杂异质材料相连；该欧姆贴片为Ti、Al、Ni或Au，该掺杂异质材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs、AlGaAs/InGaAs/InP等；针对每列单元天线设置一条阳极金属馈线，该阳极金属馈线穿过该列所有“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料，并且反射天线中所有阳极金属馈线分别与外接的数字编码馈电接口相连，并最终由数字编码电路分别加载电压；通过外加阳电极与外加阴电极之间的电压差来控制“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，从而调制该反射天线反射信号。

该反射单元是通过改变晶体管的通断来实现对太赫兹反射电磁波相位的改变，其通断状态通过外加电压大小予以控制。具体为：当改变结构中与晶体管电极相连的电极线2和数字编码馈电接口3所加载电压差时，晶体管将会出现截断或导通状态。当晶体管处于截断状态时，谐振单元结构电容片对入射太赫兹波电场分量呈现很强的电容效应，而晶体管导通时，电容片间形成连接，原先的电容效应消失，由于电容的改变，使得谐振改变，从而改变反射相位。因此通过外加电压信号可实现对反射结构中谐振模式的快速动态调谐，从而实现反射相位的快速调控。

上述人工微结构结合晶体管的单层反射阵单元及其组成的反射阵列经三维模拟仿真软件证明了其可行性。结果表明，外加电压改变晶体管的截断和导通状态，使得该器件的谐振模式发生改变，从而改变反射波的相位以此对空间反射波进行相位控制，进而实现波束扫描。图3和图4分别表示了反射单元的相移图和单元的反射效率，图中的OFF表示不加电压，此时位于人工电磁媒质下的晶体管处于导通状态，ON表示特定电压下，此时的晶体管处于夹断状态。在特定频率范围内，这两种状态的相差约为180°，所以这就说明了该反射单元能实现对反射相位的控制。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，包括：金属地板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的反射天线阵列，其特征在于介质基板为半导体材料；反射天线阵列的每个单元天线为金属贴片；针对每列单元天线设置两条阴极金属馈线，分别位于该列单元天线的两侧，其中一条连通该列全部单元天线，另一条悬空，天线阵列中所有阴极金属馈线连接同一外加阴电极；针对每列单元天线，其中每个金属贴片与悬空的阴极金属馈线之间分别相对伸出一“T”型枝节，每一相对的“T”型枝节的顶部设置于一欧姆贴片上，欧姆贴片设置于介质基板上，在各欧姆贴片上设置掺杂的异质材料用以连接相对的“T”型枝节顶部；针对每列单元天线设置一条阳极金属馈线，该阳极金属馈线穿过该列所有“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料，并且反射天线中所有阳极金属馈线分别与外接的数字编码馈电接口相连，并最终由数字编码电路分别加载电压；通过外加阳电极与外加阴电极之间的电压差来控制“T”型枝节顶部之间的掺杂异质材料的载流子浓度，实现通断切换，从而调制该反射天线反射信号。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，其特征在于所述基板为蓝宝石、高阻硅、InP、GaAs或碳化硅。

3.如权利要求1所述的一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，其特征在于所述馈线及单元天线为Au、Ag、Cu或Al。

4.如权利要求1所述的一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，其特征在于欧姆贴片的材料为Ti、Al、Ni或Au。

5.如权利要求1所述的一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，其特征在于掺杂异质材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。

6.如权利要求1所述的一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线，其特征在于所述反射天线阵列为多个单元构成的M*N的阵列，其中M>2，N>2。