CN109639240A - 基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器 - Google Patents

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朱华利
黎雨坤
杜浩
胡江
徐锐敏
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    • H03B19/00—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
    • H03B19/06—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source by means of discharge device or semiconductor device with more than two electrodes
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Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其包括依次连接的第一共面波导CPW传输线、第一人工表面等离激元SSPP传输线、倍频管芯、第二人工表面等离激元SSPP传输线及第二共面波导CPW传输线。本发明的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器利用具有衰减结构和渐变槽深结构的共面波导CPW传输线及人工表面等离激元SSPP传输线，实现波动量和波阻抗的宽带匹配，将信号由传统CPW过渡到新型SSPP波导，具有集成度高、损耗小、线间串扰极低等特点，在太赫兹集成器件中具有良好的应用前景。

Description

基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器
技术领域
本发明属于太赫兹倍频器技术领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器。
背景技术
波长为3mm～30um的电磁波称为太赫兹波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。相对于微波毫米波而言，太赫兹波具有频率高波长短的特点，可使电子设备具有较大通信带宽、较高分辨率，并能实现小型化与轻量化；而相对于光波而言，太赫兹波具有较高穿透性，能够提升电子设备在烟尘等恶劣环境下的工作能力，太赫兹波的光子能量较低，能够用于对生物活体组织进行无损检查等。因此，研究太赫兹技术、抢占新的频谱资源是大势所趋。
表面等离激元是沿金属-电介质交界面传播的可见光波段的电磁波，表面等离激元可以将电磁能量束缚在很小的亚波长范围内进行传播，而在垂直于分界面的方向，电磁场能量呈指数衰减，而通过设计人工周期结构可以实现太赫兹人工表面等离激元的应用。人工表面等离激元具有两个显著的优点：第一，由于结构化的表面等离子体频率远低于金属本身的等离子体频率，因此具有较小的损耗；第二，可以通过改变金属表面的结构参数来灵活控制人工表面等离激元的色散特性，进而获得可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线。
基于固态半导体非线性器件的谐波产生是目前太赫兹源的一种典型的方法，如太赫兹倍频器。在太赫兹频段，实现倍频的电路形式主要有混合集成电路形式与单片集成电路形式，然而在太赫兹频段传输线损耗较大，且电路中谐波控制电路、匹配电路占据了电路的大部分面积，无法满足现代通信系统对小型化、低剖面、高度集成电路/系统的需求。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种具有高集成度、低损耗、低串扰的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器。
本发明的技术方案是：一种基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，包括依次连接的第一共面波导CPW传输线、第一人工表面等离激元SSPP传输线、倍频管芯、第二人工表面等离激元SSPP传输线及第二共面波导CPW传输线；所述第一共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构将电磁场能量过渡至第一人工表面等离激元SSPP传输线，所述第一人工表面等离激元SSPP传输线采用第一带通滤波器对设定频段进行滤波，并采用第一人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，所述第二人工表面等离激元SSPP传输线采用第二人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，并采用第二带通滤波器对设定频段进行滤波，所述第二共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构接收第二人工表面等离激元SSPP传输线处理后的电磁场能量并输出。
进一步地，所述一共面波导CPW传输线包括输入CPW-SSPP过渡结构，所述输入CPW-SSPP过渡结构一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构。
进一步地，所述第一人工表面等离激元SSPP传输线包括输入端SSPP滤波结构和输入端SSPP匹配结构，所述输入端SSPP滤波结构采用SSPP耦合带线结构，其光栅结构的宽度与输入CPW-SSPP过渡结构中心带末端相同，所述输入端SSPP匹配结构的输入端的刻槽单元宽度与输入端SSPP滤波结构的光栅结构宽度相同，其输出端的刻槽单元宽度小于输入端的刻槽单元宽度。
进一步地，所述倍频管芯包括反向并联二极管对芯片和有源倍频管馈电，所述反向并联二极管对芯片分别与第一人工表面等离激元SSPP传输线和第二人工表面等离激元SSPP传输线连接，并通过有源倍频管馈电进行馈电。
进一步地，所述所述第二人工表面等离激元SSPP传输线包括输出端SSPP匹配结构和输出端SSPP滤波结构，所述输出端SSPP匹配结构的输入端的刻槽单元宽度与输入端SSPP匹配结构的输出端的刻槽单元宽度相同，其输出端的刻槽单元宽度小于输入端的刻槽单元宽度，所述输出端SSPP滤波结构采用SSPP耦合带线结构，其光栅结构的宽度与输出端SSPP匹配结构的输出端的刻槽单元宽度相同。
进一步地，所述第二共面波导CPW传输线包括输出SSPP-CPW过渡结构，所述输出SSPP-CPW过渡结构一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构且中心带末端宽度与输出端SSPP滤波结构的光栅结构的宽度相同。
本发明的有益效果是：本发明的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器利用具有衰减结构和渐变槽深结构的共面波导CPW传输线及人工表面等离激元SSPP传输线，实现波动量和波阻抗的宽带匹配，将信号由传统CPW过渡到新型SSPP波导，具有集成度高、损耗小、线间串扰极低等特点，在太赫兹集成器件中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器的结构示意图。
其中附图标记为：1、输入CPW-SSPP过渡结构，2、输入端SSPP滤波结构，3、输入端SSPP匹配结构，4、反向并联二极管对芯片，5、有源倍频管馈电，6、输出端SSPP匹配结构，7、输出端SSPP滤波结构，8、输出SSPP-CPW过渡结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器的结构示意图。一种基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，包括依次连接的第一共面波导CPW传输线、第一人工表面等离激元SSPP传输线、倍频管芯、第二人工表面等离激元SSPP传输线及第二共面波导CPW传输线；所述第一共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构将电磁场能量过渡至第一人工表面等离激元SSPP传输线，所述第一人工表面等离激元SSPP传输线采用第一带通滤波器对设定频段进行滤波，并采用第一人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，所述第二人工表面等离激元SSPP传输线采用第二人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，并采用第二带通滤波器对设定频段进行滤波，所述第二共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构接收第二人工表面等离激元SSPP传输线处理后的电磁场能量并输出。
在本发明的一个可选实施例中，上述第一共面波导CPW传输线采用传统共面波导传输线，通过特殊设计衰减的结构和渐变槽深结构，实现共面波导到新型人工表面等离激元传输线(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)的过渡。
第一共面波导CPW传输线包括输入CPW-SSPP过渡结构1，输入CPW-SSPP过渡结构1采用标准50欧姆共面波导通过特殊设计衰减地结构和渐变槽深结构，实现波动量和波阻抗的宽带匹配，将电磁场能量束缚在亚波长的SSPP传输。输入CPW-SSPP过渡结构1包括中心带和两侧的接地带，输入CPW-SSPP过渡结构1的一端为平整端面，另一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构，具体为两侧为槽深渐增的刻槽结构，从而将输入的电磁场能量过渡至第一人工表面等离激元SSPP传输线。
在本发明的一个可选实施例中，上述第一人工表面等离激元SSPP传输线包括输入端SSPP滤波结构2和输入端SSPP匹配结构3，第一人工表面等离激元SSPP传输线采用SSPP耦合带线实现相应频段的滤波，并同时采用SSPP传输线阻抗匹配到倍频管芯，实现倍频功能。
输入端SSPP滤波结构2采用SSPP耦合带线结构，实现带通功能的带通滤波器，滤除输入杂波，输入端SSPP滤波结构2包括两侧的光栅结构及光栅结构两侧的“冖”型连通结构，光栅结构两侧为相同槽深的刻槽结构，光栅结构的宽度与输入CPW-SSPP过渡结构1中心带末端相同，光栅结构的具体宽度可以根据不同需求进行设定，实现对设定频段进行滤波，连通结构的两端分别具有与光栅结构对应的刻槽结构，该刻槽结构与光栅结构一侧的刻槽结构相同，且具有相同的槽深，利用该结构可以实现与第一共面波导CPW传输线的匹配，将电磁场能量过渡至输入端SSPP匹配结构。
输入端SSPP匹配结构3采用SSPP传输线结构，通过改变SSPP几何尺寸实现输入端SSPP滤波结构2与倍频管芯之间的阻抗匹配，输入端SSPP匹配结构3设置为两侧具有刻槽的刻槽结构，刻槽结构前端的一节刻槽单元即输入端的刻槽单元宽度与输入端SSPP滤波结构2的光栅结构宽度相同，刻槽结构其它的刻槽单元即输出端的刻槽单元宽度相同且小于输入端的刻槽单元宽度，利用该结构可以实现与输入端SSPP滤波结构2的匹配，将电磁场能量过渡至输入端SSPP匹配结构3。
在本发明的一个可选实施例中，上述倍频管芯包括反向并联二极管对芯片4和有源倍频管馈电5，反向并联二极管对芯片4分别与第一人工表面等离激元SSPP传输线和第二人工表面等离激元SSPP传输线连接，并通过有源倍频管馈电5进行馈电，对电磁波能量实现倍频功能。反向并联二极管对芯片4利用其非线性特性产生各次谐波，并采用传统微带线结构的有源倍频管馈电5对芯片进行馈电。
在本发明的一个可选实施例中，上述第二人工表面等离激元SSPP传输线包括输出端SSPP匹配结构6和输出端SSPP滤波结构7，第二人工表面等离激元SSPP传输线采用SSPP耦合带线实现相应频段的滤波，滤除不必要的谐波分量。
输出端SSPP匹配结构6采用SSPP传输线结构，通过改变SSPP几何尺寸实现输出端SSPP滤波结构与倍频管芯之间的阻抗匹配，输出端SSPP匹配结构6设置为两侧/任意一侧具有刻槽的刻槽结构，刻槽结构前端的刻槽单元即输入端的刻槽单元宽度相同且与输入端SSPP匹配结构3的光栅结构宽度相同，刻槽结构末端的一节刻槽单元即输出端的刻槽单元宽度小于输入端的刻槽单元宽度，利用该结构可以实现与输入端SSPP匹配结构3的匹配，将电磁场能量过渡至输出端SSPP匹配结构6。
输出端SSPP滤波结构7采用SSPP耦合带线结构，实现带通功能的带通滤波器，滤除二极管对芯片产生的不必要谐波成分，输出端SSPP滤波结构7包括两侧的光栅结构及光栅结构两侧的“冖”型连通结构，光栅结构两侧为相同槽深的刻槽结构，光栅结构的宽度与输出端SSPP匹配结构6输出端的刻槽单元宽度相同，并小于输入端SSPP滤波结构2的光栅结构宽度，光栅结构的具体宽度可以根据不同需求进行设定，实现对倍频后的电磁波的设定频段进行滤波，连通结构的两端分别具有与光栅结构对应的刻槽结构，该刻槽结构与光栅结构一侧的刻槽结构相同，且具有相同的槽深。
在本发明的一个可选实施例中，上述第二共面波导CPW传输线采用传统共面波导传输线，将束缚在SSPP波导传输的电磁场能量通过特殊设计衰减地结构和渐变槽深结构的共面波导，实现波动量和波阻抗的宽带匹配，将电磁场能量过渡到标准50欧姆的共面波导并输出。
第二共面波导CPW传输线包括输出CPW-SSPP过渡结构8，输出CPW-SSPP过渡结构8采用标准50欧姆共面波导通过特殊设计衰减地结构和渐变槽深结构，实现波动量和波阻抗的宽带匹配，将束缚在SSPP波导传输的电磁场能量过渡到共面波导。输出CPW-SSPP过渡结构8包括中心带和两侧的接地带，输出CPW-SSPP过渡结构8的一端为平整端面，另一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构，具体为两侧为槽深渐增的刻槽结构，中心带末端宽度与输出端SSPP滤波结构7的光栅结构的宽度相同，从而将输出端SSPP滤波结构7处理后的电磁场能量过渡至第二共面波导CPW传输线。
本发明的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器采用65nm CMOS片上SSPP传输线代替传统的微带线结构，在不改变单片模块体积结构的基础上，比传统微带结构集成器件具有更高的线间串扰抑制度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，包括依次连接的第一共面波导CPW传输线、第一人工表面等离激元SSPP传输线、倍频管芯、第二人工表面等离激元SSPP传输线及第二共面波导CPW传输线；所述第一共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构将电磁场能量过渡至第一人工表面等离激元SSPP传输线，所述第一人工表面等离激元SSPP传输线采用第一带通滤波器对设定频段进行滤波，并采用第一人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，所述第二人工表面等离激元SSPP传输线采用第二人工表面等离激元阻抗匹配至倍频管芯，并采用第二带通滤波器对设定频段进行滤波，所述第二共面波导CPW传输线采用渐变槽深结构接收第二人工表面等离激元SSPP传输线处理后的电磁场能量并输出。
2.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第一共面波导CPW传输线包括输入CPW-SSPP过渡结构，所述输入CPW-SSPP过渡结构一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构。
3.如权利要求2所述的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第一人工表面等离激元SSPP传输线包括输入端SSPP滤波结构和输入端SSPP匹配结构，所述输入端SSPP滤波结构采用SSPP耦合带线结构，其光栅结构的宽度与输入CPW-SSPP过渡结构中心带末端相同，所述输入端SSPP匹配结构的输入端的刻槽单元宽度与输入端SSPP滤波结构的光栅结构宽度相同，其输出端的刻槽单元宽度小于输入端的刻槽单元宽度。
4.如权利要求3所述的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，所述倍频管芯包括反向并联二极管对芯片和有源倍频管馈电，所述反向并联二极管对芯片分别与第一人工表面等离激元SSPP传输线和第二人工表面等离激元SSPP传输线连接，并通过有源倍频管馈电进行馈电。
5.如权利要求4所述的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第二人工表面等离激元SSPP传输线包括输出端SSPP匹配结构和输出端SSPP滤波结构，所述输出端SSPP匹配结构的输入端的刻槽单元宽度与输入端SSPP匹配结构的输出端的刻槽单元宽度相同，其输出端的刻槽单元宽度小于输入端的刻槽单元宽度，所述输出端SSPP滤波结构采用SSPP耦合带线结构，其光栅结构的宽度与输出端SSPP匹配结构的输出端的刻槽单元宽度相同。
6.如权利要求5所述的基于人工表面等离激元的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第二共面波导CPW传输线包括输出SSPP-CPW过渡结构，所述输出SSPP-CPW过渡结构一端两侧的接地带均设置为弧形衰减结构，其中心带设置为渐变槽深结构且中心带末端宽度与输出端SSPP滤波结构的光栅结构的宽度相同。
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