CN105552576A - 一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，是将多个太赫兹阵元进行排列形成天线阵列，所述太赫兹阵元由一个太赫兹有源器件以及一个与之相连接的太赫兹片上无源天线组成；所述太赫兹有源器件将太赫兹信号馈入所述的无源天线，再由无源天线向外辐射太赫兹波；调节所述天线阵列中不同太赫兹阵元的发射强度和相位，进行波束形成与能量聚合，从而形成大功率的太赫兹波输出。采用相控阵天线阵列对波束的指向进行调节，用于发射波束与接收方向的对准；使用波束形成的办法实现高增益。

Description

一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法
技术领域
本发明涉及一种新型的用于卫星星间通信的基于半导体工艺的太赫兹信号源。
背景技术
太赫兹技术在军事应用和无线通信，特别是对带宽和安全性要求很高的空间通信方面具有广阔的应用前景。太赫兹(THz)频段高于毫米波而低于长波红外，其频段范围在0.3THz至30THz之间(波长1mm～10μm)。与毫米波通信相比，太赫兹通信具有带宽大、天线小、定向性好、安全性高、抗电磁干扰和散射小等特点；相比于自由空间激光通信，太赫兹具有选频特性好、抗背景噪声、对准较容易、调制方式多等优点，特别适用于星间链路通信。
我国星间通信由于整体起步较晚，在毫米波和激光通信方面都处于起步阶段，而且由于电子工业基础与半导体工艺所限，所需要的大功率激光源或毫米波源等都的需要进口。但是在太赫兹通信方面我国与国外差距并不大，有可能实现弯道超车。由于星间通信距离远，而太赫兹波的路径衰减较大，为保证接收端能接收足够的能量，发射端必须有大功率的太赫兹源。
目前的主流太赫兹源主要有两种。一种是根据半导体激光器差频来产生太赫兹信号，另一种是基于电真空器件倍频产生太赫兹信号。但二者离星间通信的要求都有很大的距离：依据激光原理很难产生大功率太赫兹信号(美国NASA的红外激光源功率也只有0.5瓦)；而采用电真空电子工作原理的传统毫米波源虽然功率可以做得很高，但由于体积和功耗所限无法实现上星。
发明内容
本发明提出基于半导体有源电路与无源天线阵列的采用巨量波束形成和空间能量合成方法实现的大功率太赫兹源。其中太赫兹相控阵天线阵列实现空间能量合成(Space-powerCombining)与波束形成(Beamforming)。通过空间能量合成能够用大量的功率微小的太赫兹源实现较大的发射功率。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，是将多个太赫兹阵元进行排列形成天线阵列，所述太赫兹阵元由一个太赫兹有源器件以及一个与之相连接的太赫兹片上无源天线组成；所述太赫兹有源器件将太赫兹信号馈入所述的无源天线，再由无源天线向外辐射太赫兹波；调节所述天线阵列中不同太赫兹阵元的发射强度和相位，进行波束形成与能量聚合，从而形成大功率的太赫兹波输出。
进一步讲，采用相控阵天线阵列对波束的指向进行调节，用于发射波束与接收方向的对准。
所述无源天线是螺旋天线、环形天线、贴片天线和双极天线中的任何一种。
采用在一片硅基晶圆上集成多个所述的太赫兹阵元，用以实现在40dBi至50dBi量级的高增益。将多片硅基晶圆进行拼接形成巨量太赫兹阵列，从而形成一个大功率的太赫兹信号源，实现60dBi至80dBi量级的增益。
若采用300GHz频率的太赫兹波作为载波，那么在介电常数9.8的硅材料中的等效波长为320um，其四分之一波长天线的尺寸为160umx160um。在1米口径的圆盘形面积上，可以实现包含3千万个阵元的天线阵列。在无馈线损失的情况下，能实现80dB的增益。这样即使单个源的输出功率为0.1uW，理论上可以合成出的功率将达到10W。即使存在10dB的馈线及实现损失，其输出功率仍然能达到1W。在半导体制程中，1米口径的圆盘可以由12个12寸(直径0.3m)晶圆(wafer)拼接近似而成。多晶圆的拼接可以是圆形晶圆的拼接，也可以是先将每块晶圆剪裁成矩形再进行拼接。
频率 300GHz
等效波长λ(介电常数9.8) 320um
阵元面积 (160um)2
口径1m的阵元数目n 3x 107
无损阵面增益G 80dBi
拼接12寸晶圆数(0.3m直径/晶圆) 12个
在波束形成过程中，通过调整相控阵阵元的相位可以调整波束的发射角度，实现快速的发射机与接收机之间的波束对准，实时的对发射平台抖动造成的波束偏离进行补偿。相对于发射机平台的100Hz(10mS)级别的机械抖动，电子方式的相位调整在1GHz电子时钟的控制下其调整速度仅为ns级别，速度远远快于机械振动，能够迅速及时的对波束方向进行调整，避免信号链路的中断，降低系统的误码率。
附图说明
图1是标准商业化半导体工艺发展路线图；
图2是圆形口径天线阵的增益；
图3是单个太赫兹阵元的示意图；
图4是多个太赫兹阵元组成的阵列示意图；
图5是在12寸晶圆上的多个太赫兹阵元组成的阵列示意图；
图6是多个晶圆拼接而成的巨量阵元组成的大功率太赫兹源示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法的设计思路是基于半导体有源电路与无源天线阵列的采用巨量波束形成和空间能量合成方法实现的大功率太赫兹源，主要是将多个太赫兹阵元进行排列形成天线阵列，所述太赫兹阵元由一个太赫兹有源器件以及一个与之相连接的太赫兹片上无源天线组成；所述太赫兹有源器件将太赫兹信号馈入所述的无源天线；再由无源天线向外辐射太赫兹波；调节所述天线阵列中不同太赫兹阵元的发射强度和相位，进行波束形成与能量聚合，从而形成大功率的太赫兹波输出。同时采用相控阵天线阵列对波束的指向进行调节，用于发射波束与接收方向的对准。为了实现高增益，采用在一片硅基晶圆上集成多个所述的太赫兹阵元，实现在40dBi至50dBi量级的高增益。
图1示出了标准商业化半导体工艺发展路线图，由图1可知：基于SiGe的双极CMOS(BiCMOS)工艺到2020年其三极管的截止频率可以高达2THz以上。按此推算，其二极管的最高工作频率可以高达50THz(波长为6微米)以上。也就是说可以利用振荡器的方式来产生10THz(波长等于30微米)以上频率的信号。虽然每个单一的信号源其信号强度都很弱，本发明可以使用波束形成的办法实现高增益。
本发明的理论仿真(见图2)表明：如果采用圆形口径，直径为2000个波长的圆形口径天线阵可以通过波束形成的方式实现80dBi以上的增益(108倍)。也就是说，即使一个单管半导体信号源的输出功率只有不到一微瓦，通过波束形成也可以实现高达100瓦的信号强度。
如图3所示为本发明中的单个太赫兹阵元的示意图。其由一个太赫兹有源器件(三极管或二极管)以及一个与之相连接的太赫兹片上无源天线组成。有源器件将太赫兹信号馈入天线，再由天线向外辐射太赫兹波。无源天线可以是螺旋天线，也可以是适合太赫兹波发射的其他形状的天线，如环形天线、双极天线等。
如图4所示为将多个太赫兹阵元进行排列，形成天线阵列的局部示意图。天线阵列可以通过调节其中不同阵元的发射强度和相位，进行波束形成与能量聚合，从而形成更大功率的太赫兹波输出。此外，相控阵天线阵列还能按照需求对波束的指向进行调节，有利于发射波束与接收方向的对准。
如图5所示为在一片硅基晶圆(可以是但不限于12寸晶圆)上集成多个太赫兹阵元的示意图。若采用300GHz频率的太赫兹波作为载波，那么在介电常数9.8的硅材料中的等效波长为320um，其四分之一波长天线的尺寸为160umx160um。在0.3米(12寸)直径的晶圆上，可以实现包含2百70多万个阵元的天线阵列。
如图6所示将多片硅基晶圆进行拼接形成更大口径的巨量太赫兹阵列，形成一个大功率的太赫兹源。将12个12寸晶圆进行拼接，可以近似组成一个口径1米的大圆盘，其中可以包含共约3千万个阵元的天线阵列。在无馈线损失的情况下，能实现80dBi的增益。这样即使单个有源器件的输出功率为0.1uW，理论上可以合成出的功率将达到10W。即使存在10dB的馈线及实现损失，其输出功率仍然能达到1W。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，但这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于：将多个太赫兹阵元进行排列形成天线阵列，所述太赫兹阵元由一个太赫兹有源器件以及一个与之相连接的太赫兹片上无源天线组成；所述太赫兹有源器件将太赫兹信号馈入所述的无源天线，再由无源天线向外辐射太赫兹波；调节所述天线阵列中不同太赫兹阵元的发射强度和相位，进行波束形成与能量聚合，从而形成大功率的太赫兹波输出。
2.根据权利要求1所述基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于，采用相控阵天线阵列对波束的指向进行调节，用于发射波束与接收方向的对准。
3.根据权利要求1所述基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于，所述无源天线是螺旋天线、环形天线、贴片天线和双极天线中的任何一种。
4.根据权利要求1所述基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于，采用在一片硅基晶圆上集成多个所述的太赫兹阵元，以实现在40dBi至50dBi量级的增益。
5.根据权利要求4所述基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于，将多片硅基晶圆进行拼接形成巨量太赫兹阵列，从而形成一个大功率的太赫兹信号源，实现在60dBi至80dBi量级的增益。
6.根据权利要求5所述基于空间波束合成实现大功率太赫兹源的方法，其特征在于，多片硅基晶圆的拼接是圆形晶圆的拼接或是先将每片硅基晶圆剪裁成矩形后再进行拼接。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107086370A (zh) * 2017-06-02 2017-08-22 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线
CN110703243A (zh) * 2019-09-29 2020-01-17 天津大学 新基于再生接收原理的硅基太赫兹主动式阵列成像技术
CN110957993A (zh) * 2018-09-27 2020-04-03 天津大学青岛海洋技术研究院 一种基于SiGe工艺的太赫兹全360°反射型移相器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SAMET ZIHIR等: "A 60 GHz Single-Chip 256-Element Wafer-Scale Phased Array with EIRP of 45 dBm Using Sub-Reticle Stitching", 《2015 IEEE RADIO FREQUENCY INTEGRATED CIRCUITS SYMPOSIUM》 *
WOORIM SHIN等: "A 108–114 GHz 4×4 Wafer-Scale Phased Array Transmitter With High-Efficiency On-Chip Antennas", 《IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS》 *
刘青宜等: "太赫兹光导天线阵列功率空间合成规律研究", 《光电子技术》 *
吴琳琦: "基于CMOS工艺的片上天线研究", 《优秀硕士学位论文全文数据库(信息科技辑)》 *
李春化等: "太赫兹准光传输面临的挑战", 《火控雷达技术》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107086370A (zh) * 2017-06-02 2017-08-22 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线
CN107086370B (zh) * 2017-06-02 2023-08-01 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段三维渐变介电常数阵列天线
CN110957993A (zh) * 2018-09-27 2020-04-03 天津大学青岛海洋技术研究院 一种基于SiGe工艺的太赫兹全360°反射型移相器
CN110957993B (zh) * 2018-09-27 2023-07-14 天津大学青岛海洋技术研究院 一种基于SiGe工艺的太赫兹全360°反射型移相器
CN110703243A (zh) * 2019-09-29 2020-01-17 天津大学 新基于再生接收原理的硅基太赫兹主动式阵列成像技术

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