CN108365350B - 一种太赫兹光电导天线阵列及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹辐射技术领域，具体涉及一种太赫兹光电导天线阵列及其用途。本发明的太赫兹光电导天线阵列，在天线阵列中引入了扼流圈，阻止电流扩散到其他天线单元并减小寄生电容，提高了太赫兹光电导天线阵列的输入电阻，提高了匹配效率和辐射效率。与没有扼流圈的天线阵列相比，本发明的光电导天线阵列的输入电阻得到显著提高。较高的输入电阻与低温砷化镓等半导体材料所构成的光照区电阻差距减小，提高了匹配效率和天线的辐射效率，增大了天线的辐射功率或探测灵敏度。

Description

一种太赫兹光电导天线阵列及其用途
技术领域
本发明属于太赫兹辐射技术领域，具体涉及一种太赫兹光电导天线阵列及其用途。
背景技术
太赫兹(0.1THz-10THz)辐射是电磁波领域里最后一段被研究开发的波段，其介于光子学领域和电子学领域之间，因为技术不成熟而被称为“太赫兹间隙”。相比较于其他电磁波段，太赫兹具有独特的性质，在医疗、安检、材料等应用领域有着安全、穿透能力强等优点，具有很大的应用前景。以半导体材料为衬底的光电导天线的太赫兹发射源和探测器具有室温工作、小型化、价格低等优点。把光电导天线做成阵列后还可以克服光饱和等问题而显著提高太赫兹辐射功率。根据天线理论，设计传统天线时需要使天线的输入阻抗与传输线阻抗匹配才能有良好的辐射效率。类似的，在设计太赫兹光电导天线时，要使计算得到的输入电阻尽量接近光照间隙区电阻。由于光电导天线所使用的半导体材料衬底的电阻率较高，因此光电导天线的光照间隙区电阻一般在10000欧姆以上而且难以降低。所以，设计太赫兹光电导天线的一个重点就在于提高天线的输入电阻。比如，目前常用的蝶形天线经过软件模拟计算得到的输入电阻在几百欧姆左右，与10000欧姆相差巨大，造成严重的阻抗失配，辐射效率很低。为了实现阻抗匹配，提高辐射效率，天线的形状必须经过设计，使天线的输入阻抗尽可能提高到接近10000欧姆。目前国内外的研究工作主要集中在提高单个天线的输入电阻，在考虑天线阵列时，已有的工作一般是简单的把单个天线按规则重复排列，没有考虑到提高天线阵列的输入阻抗。
发明内容
为了改善上述技术问题，本发明提出了一种太赫兹光电导天线阵列，包括天线单元、扼流圈和平行条纹导线。
根据本发明，所述天线单元可以为偶极天线；
根据本发明，所述天线单元可以平行排列，正负极通过平行条纹导线连接；
优选地，所述天线单元的排列方式可以为M行N列，M和N均是正整数；
优选地，每个所述天线单元左右两边都有扼流圈；
根据本发明，对于所述扼流圈的形状没有特别限制，例如其可以为三角形或矩形或梯形；
优选地，一个扼流圈可以分为上下两部分，分别接在平行条纹导线上；
根据本发明，所述天线阵列和扼流圈可以由金属蒸镀在半导体衬底上；
根据本发明，所述半导体衬底可以为低温砷化镓、半绝缘砷化镓、InP(磷化铟)等的一种或多种；
根据本发明，所述金属可以为黄金、钛铂金、铝等的一种或多种；
根据本发明，所述金属蒸镀的厚度可以为0.3～3微米，例如0.5微米；
所述扼流圈可以阻止电流扩散到其他相邻天线，并减小寄生电容，从而提高在设计的工作频段上天线的输入电阻。
所述太赫兹光电导天线阵列工作时，将一束差频连续光或飞秒脉冲通过微透镜照到各天线单元的光照区，光照区的半导体材料被光激发，光生载流子产生太赫兹电场。
优选地，所述太赫兹光电导天线阵列的输入阻抗比普通的天线阵列提高3倍以上，例如3-8倍。
一种辐射源，包括所述太赫兹光电导天线阵列，其中在所述天线正负极上加直流偏压，将太赫兹电场通过天线转化为太赫兹辐射。
一种探测器，包含所述太赫兹光电导天线阵列，其中将所述天线的正负极接锁相放大器，以测量电压。
本发明还提供所述太赫兹光电导天线阵列作为辐射源或探测器的用途。
有益效果
本发明把光电导天线制成阵列，可以克服光饱和等问题，显著提高了太赫兹的辐射功率。本发明的太赫兹光电导天线阵列，在天线阵列中引入了扼流圈，提高了太赫兹光电导天线阵列的输入电阻，提高了匹配效率和辐射效率。与没有扼流圈的天线阵列相比，本发明的光电导天线阵列的输入电阻得到显著提高。
附图说明
图1是采用三角形扼流圈的天线示意图；
图2是采用矩形扼流圈的天线示意图；
图3是3行3列排列方式的天线阵列示意图；
图4是用CST软件模拟计算输入电阻时所用的带三角形扼流圈的天线阵列模型；
图5是用CST软件模拟计算输入电阻时所用的带梯形扼流圈的天线阵列模型；
图6是用CST软件模拟得到的图4模型在工作频段上的三个port的输入电阻和平均电阻；
图7是用CST软件模拟得到无扼流圈模型在工作频段上的三个port的输入电阻和平均电阻。
图8是用CST软件模拟得到的图5模型在工作频段上的三个port的输入电阻和平均电阻。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
实施例1
在厚度50微米的砷化镓衬底上生长3微米厚的低温砷化镓，再以黄金为材料蒸镀图4形状的天线阵列，镀金厚度为0.5微米。该模型以1行3列的方式来排列，共三个天线单元。每个天线单元都是偶极天线，天线的光照区在CST软件中以小箭头表示，从左到右分别命名为port3、port1、port2。经过软件的计算，得到三个port在工作频段上的输入电阻和平均电阻，以图6表示。把模型中的三角形扼流圈去掉，得到三个port在工作频段上的输入电阻和平均电阻，如图7。由于天线阵列总能量由各单元的能量叠加而成，所以这里采用了平均电阻作为评价性能的指标。三个port的输入电阻数据放在内插图里。对比图6和图7，总体而言，图6中平均电阻更大、峰值更集中。本例中，加入扼流圈后，平均电阻的峰值从457Ω提高到了1375Ω，提高了3倍。因此，加入了三角形扼流圈后，天线阵列有着更高的匹配效率和输出功率。
实施例2
在实施例1的基础上，把三角形扼流圈改成梯形扼流圈，其他参数不变。经过CST软件计算得到图8中三个port的输入电阻(内插图)和平均电阻。对比图7和图8可以看出：加入梯形扼流圈后，平均电阻峰值从457Ω提高到了3308Ω，提高了7.2倍。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，包括天线单元、扼流圈和平行条纹导线；
所述天线单元为偶极天线；
所述天线单元平行排列，正负极通过平行条纹导线连接；
所述天线单元的排列方式为M行N列，形成天线阵列，M和N均是正整数；
每个所述天线单元左右两边都有扼流圈；
所述扼流圈的形状为三角形或矩形或梯形；
一个扼流圈分为上下两部分，分别接在平行条纹导线上；
所述天线阵列和扼流圈由金属蒸镀在半导体衬底上。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，所述半导体衬底为低温砷化镓、半绝缘砷化镓、InP的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，所述金属为黄金、钛铂金、铝的一种或多种；
所述金属蒸镀的厚度为0.3～3微米。
4.根据权利要求3所述的太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，所述金属蒸镀的厚度为0.5微米。
5.一种辐射源，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述太赫兹光电导天线阵列。
6.一种探测器，其特征在于，包含权利要求1-4任一项所述太赫兹光电导天线阵列。
7.根据权利要求1-4任一项所述太赫兹光电导天线阵列的用途，其特征在于，其作为辐射源或探测器。
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