CN109655970A - 一种太赫兹片上集成过渡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太赫兹片上集成过渡结构，包括依次连接的：输入端波导、太赫兹芯片电路以及输出端波导；所述输入端波导、输出端波导均由两级波导构成，具体为：第一级标准波导与第二级减高波导；所述输入端波导、输出端波导中的减高波导的末端为短路平面；所述太赫兹芯片电路至少包括：芯片主电路、输入端微带E面探针、输出端微带E面探针；输入端微带E面探针伸入所述输入端波导中的减高波导内；输出端微带E面探针伸入所述输出端波导中的减高波导内；所述输入端微带E面探针与输出端微带E面探针还与芯片主电路相连；本发明的过渡结构实现了标准波导到太赫兹芯片的过渡，减小了电路的尺寸，提高了传输效率。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件领域，特别涉及一种基于波导-微带E面探针结构的太赫兹片上集成过渡结构。
背景技术
一般将波长为3mm～30um的电磁波称为太赫兹波，它介于毫米波和红外光之间，处于从电子学向光子学的过渡区。太赫兹频段在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外光，THz波具有独特的瞬态性、宽带性、相干性和低能等特性，这些特性使其在安检、通信、雷达、射电天文中有广泛应用。
由于太赫兹波频率较高，尺寸较小，传输损耗较大，减低太赫兹波的传输损耗是及为重要的。而太赫兹芯片为平面传输结构，太赫兹波芯片封装一般为波导封装，因此需要将波导和芯片的能量进行转换，即进行芯片与波导之间过渡结构的研究。太赫兹波段标准波导尺寸较小，波导窄边极小(小于0.55mm)，太赫兹芯片的尺寸很难达到标准波导所具备的尺寸(1mm以上)，采用异形划片技术缩短芯片探针部分腔体宽度，将其直接伸入标准波导中，可以减少由于波导E面宽度不连续性所产生的损耗，但是，异形划片具有较高的技术难度。因此研究新型太赫兹波导-芯片过渡技术，具有非常重要的意义。采用太赫兹片上集成微带探针过渡技术进行芯片与波导的能量转换，具有模块制作流程简化、装配一致性高、损耗低、体积小等优点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种太赫兹片上集成过渡结构，基于波导-微带E面探针结构，实现太赫兹片上集成过渡。
本发明采用的技术方案为：一种太赫兹片上集成过渡结构，包括依次连接的：输入端波导、太赫兹芯片电路以及输出端波导；所述输入端波导、输出端波导均由两级波导构成，具体为：第一级标准波导与第二级减高波导；所述输入端波导、输出端波导中的减高波导的末端为短路平面；
所述太赫兹芯片电路至少包括：芯片主电路、输入端微带E面探针、输出端微带E面探针；输入端微带E面探针伸入所述输入端波导中的减高波导内；输出端微带E面探针伸入所述输出端波导中的减高波导内；所述输入端微带E面探针与输出端微带E面探针还与芯片主电路相连。
所述输入端波导中的减高波导的长度大于输入频率的四分之一波导波长，所述输出端波导中的减高波导的长度大于输出频率的四分之一波导波长。
所述输入端波导中的减高波导和输出端波导中的减高波导均设有一开口，所述开口位于相应减高波导的H面径向轴线处，且开口长边与轴线平行，所述输入端波导中的减高波导开口长边长度与太赫兹芯片电路短边长度相等，输出端波导中的减高波导开口长边长度与太赫兹芯片短边长度相等。
所述输入段波导的减高波导开口形成第一腔体槽，输出端波导的减高波导开口形成第二腔体槽；所述太赫兹芯片电路两短边对应的两端分别放置于第一腔体槽与第二腔体槽中。
进一步地，所述输入端微带E面探针通过输入端波导的减高波导的开口插入；所述输出端微带E面探针通过输出端波导的减高波导的开口插入。
进一步地，所述太赫兹芯片电路还包括：渐变匹配结构与接地共面波导；所述接地共面波导包括：中心导带、接地板、衬底基片以及背面金属；所述衬底基片位于接地板与背面金属之间；
所述输入端的E面微带探针和接地共面波导中心导带通过一段高阻抗的渐变匹配结构连接；所述输出端的E面微带探针和接地共面波导中心导带通过一段高阻抗的渐变匹配结构连接；
所述接地板通过大小相同且等距离排列的金属柱穿过衬底与背面金属连接。
进一步地，包括以下可调参数：
输入端波导的减高波导开口位置、输入端波导的减高波导开口尺寸、输入端波导的减高波导长度、输入端波导的减高波导E面宽度、输出端波导的减高波导开口位置、输出端波导的减高波导开口尺寸、输出端波导的减高波导长度、输出端波导的减高波导E面宽度、输入端微带E面探针的结构、输入端微带E面探针的尺寸、输入端微带E面探针的位置、输出端微带E面探针的结构、输出端微带E面探针的尺寸、输出端微带E面探针的位置。
通过调整输入端波导的减高波导的E面宽度，使输入信号以主模进行单模传输；通过调整输出端波导的减高波导的E面宽度，抑制太赫兹芯片电路输出端的杂散波。
本发明的有益效果：本发明通过将微带探针结构集成到太赫兹芯片上，避免异形划片的形式直接将片上集成探针伸入到输入、输出波导E面中心能量最强处，实现标准波导到太赫兹芯片的过渡，减小了电路的尺寸，提高了传输效率，且整体结构简单、加工方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太赫兹片上集成过渡的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的以微带探针中心为基准线的A-A剖面图；
图3为本发明实施例提供的输入端较高波导与太赫兹芯片接触处的B-B剖面图；
图4为本发明实施例提供的太赫兹接地共面波导芯片电路拓扑结构。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本实施例提供一种基于波导-微带E面探针结构的太赫兹片上集成过渡，其正面俯视图如图1所示，包括输入端波导101、太赫兹芯片电路及输出端波导102，图2为图1中以微带E面探针中心线为基准的A-A截面图，图3为输入波导101中减高波导与太赫兹芯片接触面的B-B截面图，所述输入端波导、输出端波导均由宽边即H面宽度相等且窄边即E面宽度减少的两级波导构成，该两个波导具体为：第一级标准波导与第二级减高波导，所述输入端波导的减高波导和输出端波导的减高波导的末端为短路面；输入端波导的减高波导的长度大于输入频率的四分之一波导波长，所述输出端波导的减高波导的长度大于输出频率的四分之一波导波长；所述输入端波导的减高波导和输出端波导的减高波导均设有一开口，所述开口位于相应减高波导的H面径向轴线处且开口长边与轴线平行，所述输入端减高波导开口长边长度与太赫兹芯片短边长度相等，所述输出端减高波导开口长边长度与太赫兹芯片短边长度相等；输入端波导的减高波导和输出端波导的减高波导的开口各自形成一腔体槽。
所述太赫兹芯片电路拓扑结构如图4所示，主要包括：芯片主电路、输入端E面微带探针1、输出端E面微带探针6以及接地共面波导；所述接地共面波导包括：衬底基片2、渐变匹配结构3、接地共面波导中心导带4、接地共面波导接地板5。
所述输入端E面微带探针1通过所述输入端波导的减高波导的开口伸入输入端波导内，将能量从波导腔体耦合至芯片电路；所述输出端E面微带探针6通过所述输出端波导的减高波导的开口伸入输出端波导内，将能量从芯片电流耦合至输出端波导。输入端E面微带探针从输入端波导的减高波导H面能量最强中心处伸入减高波导中，输出端E面微带探针从输出端波导的减高波导H面能量最强中心处伸入减高波导中，且输入端E面微带探针长度小于输入端波导的减高波导E面宽度，输出端E面微带探针长度小于输出端波导的减高波导E面宽度。
所述输入端的E面微带探针1和接地共面波导中心导带4通过一段高阻抗的渐变匹配结构3连接；所述输出端的E面微带探针6和接地共面波导中心导带4通过一段高阻抗的渐变匹配结构3连接。
所述接地共面波导的接地板5通过相同大小等距离排列的金属柱与背面金属连接；所述由输入、输出端片上集成微带探针和基于接地共面波导的芯片主电路组成的太赫兹芯片放置于与所述输入、输出端减高波导开口尺寸相同的腔体槽中，所述接地板边缘线与输入、输出端减高波导的H面相接；所述接地共面波导背面金属与输入、输出端减高波导开口形成的腔体紧密接触，实现接地；
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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，包括依次连接的：输入端波导、太赫兹芯片电路以及输出端波导；所述输入端波导、输出端波导均由两级波导构成，具体为：第一级标准波导与第二级减高波导；所述输入端波导、输出端波导中的减高波导的末端为短路平面；
所述太赫兹芯片电路至少包括：芯片主电路、输入端微带E面探针、输出端微带E面探针；输入端微带E面探针伸入所述输入端波导中的减高波导内；输出端微带E面探针伸入所述输出端波导中的减高波导内；所述输入端微带E面探针与输出端微带E面探针还与芯片主电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，输入端微带E面探针从输入端波导中的减高波导H面能量最强中心处内伸入；输出端微带E面探针从输处端波导中的减高波导H面能量最强中心处内伸入。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，所述输入端波导中的减高波导的长度大于输入频率的四分之一波导波长，所述输出端波导中的减高波导的长度大于输出频率的四分之一波导波长。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，所述输入端波导中的减高波导和输出端波导中的减高波导均设有一开口，所述开口位于相应减高波导的H面径向轴线处，且开口长边与轴线平行，所述输入端波导中的减高波导开口长边长度与太赫兹芯片电路短边长度相等，输出端波导中的减高波导开口长边长度与太赫兹芯片短边长度相等。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，所述输入端微带E面探针通过输入端波导的减高波导的开口插入；所述输出端微带E面探针通过输出端波导的减高波导的开口插入。
6.根据权利要求5所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，所述太赫兹芯片电路还包括：渐变匹配结构与接地共面波导；所述接地共面波导包括：中心导带、接地板、衬底基片以及背面金属；所述衬底基片位于接地板与背面金属之间；
所述输入端的E面微带探针和接地共面波导中心导带通过一段高阻抗的渐变匹配结构连接；所述输出端的E面微带探针和接地共面波导中心导带通过一段高阻抗的渐变匹配结构连接；
所述接地板通过大小相同且等距离排列的金属柱穿过衬底与背面金属连接。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，所述输入段波导的减高波导开口形成第一腔体槽，输出端波导的减高波导开口形成第二腔体槽；所述太赫兹芯片电路两短边对应的两端分别放置于第一腔体槽与第二腔体槽中。
8.根据权利要求7所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，包括以下可调参数：
输入端波导的减高波导开口位置、输入端波导的减高波导开口尺寸、输入端波导的减高波导长度、输入端波导的减高波导E面宽度、输出端波导的减高波导开口位置、输出端波导的减高波导开口尺寸、输出端波导的减高波导长度、输出端波导的减高波导E面宽度、微带E面探针的结构、微带E面探针的尺寸、微带E面探针的位置。
9.根据权利要求8所述的一种太赫兹片上集成过渡结构，其特征在于，通过调整输入端波导的减高波导的E面宽度，使输入信号以主模进行单模传输；通过调整输出端波导的减高波导的E面宽度，抑制太赫兹芯片电路输出端的杂散波。
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