CN109556711B - 一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器 - Google Patents
一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，包括：用来接收太赫兹波信号的差分天线，用于探测该差分天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号并成倍叠加后读出的晶体管；所述晶体管包括四个晶体管，每两个所述晶体管并联；所述差分天线的两个馈电处与每两个并联的晶体管的源极之间分别设置一个T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现差分天线到晶体管之间的功率最大化传输。本发明能对太赫兹波信号有更高响应，以增大探测响应度。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波探测器技术领域，具体涉及一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹技术被认为是“未来改变世界的十大技术之一”。目前，国际上对太赫兹辐射波段两侧的电磁波技术，即红外技术和微波技术的研究水平已经非常成熟。由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,并且此波段既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波电子学理论来研究，所以目前科学界对于该波段的了解一直比较有限,于是太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,以至于它被业内称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(terahertz gap)”。从二十多年前开始,随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世及快速发展,太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展,因为太赫兹辐射的量子能量很低，信噪比很高，频谱极宽，具有一系列特殊的性质，在基础研究、核技术、医疗诊断、安全检测、射电天文、物体成像、宽带移动通信和国防军事等领域显示了重大的科学价值及实用前景,与此同时,其他方面的工程应用潜力也受到关注。目前国际上已提出基于场效应晶体管的探测器结构，该结构是将片上贴片天线接收到的太赫兹波信号传输到N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (NMOSFET)的源极，并在天线处以及N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极分别接固定电势，此外，为了使天线与晶体管之间的阻抗匹配好，还在天线与晶体管之间进行了阻抗匹配网络的设计。并且为了消除偏置电压对天线与晶体管阻抗匹配的影响，还在偏置端接了一根四分之一波长的传输线。该结构的缺点是单一晶体管对太赫兹的幅度和频率响应都有限，在较高的频率无法实现对太赫兹信号的探测，并且阻抗匹配网络的设计在高频时不适用。
综上所述，为了克服使用单个场效应晶体管对太赫兹信号响应频率不高的问题，迫切需要提出一种并联结构的场效应晶体管结构，解决对太赫兹信号频率响应不高的问题，实现高频的太赫兹响应。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，可以有效解决探测器对太赫兹频率响应不高的问题，实现太赫兹探测器对太赫兹高频响应的效果。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，包括：
用来接收太赫兹波信号的差分天线，用于探测该差分天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号并成倍叠加后读出的晶体管；所述晶体管包括四个晶体管，每两个所述晶体管并联；所述差分天线的两个馈电处与每两个并联的晶体管的源极之间分别设置一个T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现差分天线到晶体管之间的功率最大化传输。
四个所述晶体管的栅极外接直流偏置电源以使晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长传输线构成的阻抗变换器，消除对差分天线与晶体管之间的阻抗匹配的影响。
所述晶体管为N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
每个所述T形阻抗匹配网络由三段传输线连接形成，两段传输线串接，第三传传输线的一端接在两段串接的传输线之间，另一端接地，两段串接的传输线的一端与差分天线连接而另一端分别与对应的两个并联的晶体管的源极连接。
该差分天线为贴片天线制作形成。
本发明的太赫兹波探测器具有以下益效果：
(1)通过并联对管结构的场效应晶体管探测器对太赫兹信号整流的两倍叠加，从而提高场效应晶体管能够产生响应的太赫兹信号频率，增大探测频率；
(2)天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间的阻抗匹配网络可以提高太赫兹波信号的功率传输效率，也起到增大探测响应度的作用。
附图说明
图1是本发明的太赫兹波探测器的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是采用两组并联的晶体管来接收太赫兹信号源传输到差分天线再传输到对应的T形匹配网络后的太赫兹信号的。
参见图1所示，一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，包括：用来接收太赫兹波信号的差分天线，用于探测该差分天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号由漏极输出叠加后读出的晶体管；所述晶体管包括四个晶体管，每两个所述晶体管并联；所述差分天线的两个馈电处与每两个并联的晶体管的源极之间分别设置一个T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现差分天线到晶体管之间的功率最大化传输。
本发明中，差分天线用来接收太赫兹波信号，差分天线将接收到的太赫兹波信号传输到两组并联的晶体管的源极，为了使得天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给两组并联的晶体管，在天线与并联的晶体管的源极之间增加一阻抗匹配网络，在两组并联的晶体管的栅极外接直流偏置电源并且在此栅极处接一开路四分之一波长的阻抗变换器。
具体的，本发明中，每个所述T形阻抗匹配网络由三段传输线(TL1，TL2，TL3)连接形成，两段传输线串接，第三段传输线的一端接在两段串接的传输线之间，另一端接地，两段串接的传输线的一端与差分天线连接而另一端分别与对应的两个并联的晶体管的源极连接。由于场效应晶体管的源极输入阻抗实部和虚部都很大，而天线馈电处的输入阻抗远小于晶体管的源极输入阻抗，所以在差分天线的两个馈电处与对应的两个并联的晶体管之间设置由三段传输线 (TL1，TL2，TL3)组成的T型阻抗匹配网络通过三次阻抗的变换可以实现两者的阻抗匹配，从而实现差分天线到对应的两个并联的晶体管之间的功率最大化传输。
其中，差分天线用来接收太赫兹波信号，差分天线将接收到的太赫兹波信号通过两个馈电处传输到两组并联的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极，由N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管探测到读出，实现相应的信号的探测。而为了使得差分天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给两组并联的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，在差分天线与两组并联的N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源极之间分别增加一个T形阻抗匹配网络。
本发明中，该差分天线为贴片天线制作成阵列，形成阵列贴片天线来形成。
本发明中，将差分天线选择为贴片天线的原因是其结构简单，可以实现很好的俘获太赫兹信号的功能，并且带宽较宽，对于实际测量过程中太赫兹信号源的频率偏移容错率较高。
本发明中，优先的，所述晶体管为N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管，各个晶体管的各参数一致，通过其沟道的非线性整流从而得到探测信号，并且并联结构实现整流信号的叠加，实现高频太赫兹信号的响应。
探测器的核心部分就是N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，当差分天线耦合的THz信号从阻抗匹配网络传输到对应的晶体管中后，晶体管沟道的非线性整流可将THz信号整流成较微弱的直流信号后通过其漏极读出，而在高频这个直流更小，晶体管并联结构可以实现这个信号的两倍叠加，从而实现太赫兹信号的探测。
进一步的，四个所述晶体管的栅极外接直流偏置电源提供直流偏置电压以使晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长传输线构成的阻抗变换器，消除对差分天线与晶体管之间的阻抗匹配的影响。
综上，可以看出，本发明的太赫兹波探测器具有有益效果：
(1)通过并联对管结构的场效应晶体管探测器对太赫兹信号整流的两倍叠加，从而提高场效应晶体管能够产生响应的太赫兹信号频率，增大探测频率；
(2)天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间设计的阻抗匹配网络可以提高太赫兹波信号的功率传输效率，也起到增大探测响应度的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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 (3)
1.一种基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，其特征在于，包括：用来接收太赫兹波信号的差分天线，用于探测该差分天线接收的太赫兹波信号并整流成较微弱的直流信号并成倍叠加后读出的晶体管；所述晶体管包括四个晶体管，每两个所述晶体管并联；
所述差分天线的两个馈电处与每两个并联的晶体管的源极之间分别设置一个T形阻抗匹配网络，以使天线馈电处的输入阻抗与晶体管的源极输入阻抗匹配，以实现差分天线到晶体管之间的功率最大化传输;
每个所述T形阻抗匹配网络由三段传输线连接形成，两段传输线串接，第三传输线的一端接在两段串接的传输线之间，另一端接地，两段串接的传输线的一端与差分天线连接而另一端分别与对应的两个并联的晶体管的源极连接；
四个所述晶体管的栅极外接直流偏置电源以使晶体管的沟道打开，并且在该栅极处接一开路四分之一波长传输线构成的阻抗变换器，消除对差分天线与晶体管之间的阻抗匹配的影响。
2.根据权利要求1所述基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，其特征在于，所述晶体管为N型-金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述基于并联对管结构的场效应晶体管太赫兹探测器，其特征在于，该差分天线为贴片天线制作形成。
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