CN109828330B - 具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，包括依次连接的：输入高次模抑制结构、太赫兹芯片电路及输出高次模抑制结构；所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构均至少包括：三级波导，三级波导的H面宽度相等且E面宽度逐级增加或减少，且输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导E面重合；所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的末端与太赫兹芯片宽度相等；本发明通过在太赫兹片上集成天线过渡的输入、输出端引入多段渐变波导结构实现标准波导与太赫兹芯片的阻抗匹配并抑制高次模。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件领域，特别涉及一种太赫兹片上集成天线过渡结构。
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。
由于太赫兹波频率较高，对环境尺寸极为敏感度，减低太赫兹波在传输过程中产生的损耗是及其重要的。而太赫兹单片为平面传输结构，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。采用太赫兹片上集成天线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。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)，芯片腔体宽度大大宽于标准波导，故而需要在过渡结构设计的同时考虑波导过渡的设计，波导的宽度转化也带来了较高的损耗。采用异形划片技术缩短芯片天线部分宽度，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。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，通过在太赫兹片上集成天线过渡的输入、输出端引入多段渐变波导结构实现标准波导与太赫兹芯片的阻抗匹配并抑制高次模。
本发明采用的技术方案为：具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，包括依次连接的：输入高次模抑制结构、太赫兹芯片电路及输出高次模抑制结构；
所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构均至少包括：三级波导，三级波导的H面宽度相等且E面宽度逐级增加或减少，且输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导E面重合；所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的末端与太赫兹芯片宽度相等；
所述输入高次模抑制结构中波导的E面中心线与太赫兹芯片电路中心线处于同一水平面，所述输出高次模抑制结构中波导的E面中心线与芯片中心线处于同一水平面；
所述太赫兹芯片电路至少包括：芯片主电路与天线电路；所述天线电路具体为：输入端片上集成偶极子天线与输出端片上集成偶极子天线；所述输入端片上集成偶极子天线伸入所述输入高次模抑制结构的末级波导内，所述输出端片上集成偶极子天线一端伸入所述输出高次模抑制结构的末级波导内；所述输入端片上集成偶极子天线与输出端片上集成偶极子天线还与芯片主电路相连。
进一步地，所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导均设有一凸台，所述凸台下端位于相应末级波导的H面径向轴线中心处，所述凸台上端与相应末级波导径向轴线顶端平行。所述芯片主电路放置于所述输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构的末级波导的凸台上。
进一步地，所述太赫兹芯片电路还包括：接地共面波导；所述接地共面波导包括：中心导带、衬底、接地板以及背面金属，所述衬底位于接地板与背面金属之间，采用InP作为衬底；
所述输入端偶极子天线包括两个对称的部分，其中一部分通过第一高阻线与接地板连接，另一部分通过第二高阻线与中心导带连接；
所述输出端偶极子天线包括两个对称部分，其中一部分通过第三高阻线与接地板连接，另一部分通过第四高阻线与中心导带连接；
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。
所述接地板边缘线与输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的H面相接；所述接地共面波导背面金属分别与输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导凸台形成的腔体紧密接触。
进一步地，包括以下可调参数：输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中的波导级数、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的长度、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的E面宽度。
通过调整输入高次模抑制结构中各级波导的E面宽度，使输入信号以主模进行单模传输；通过调整输出高次模抑制结构中各级波导的E面宽度可抑制单片电路输出端的杂散波。
本发明的有益效果：本发明通过在太赫兹片上集成天线过渡的输入、输出端引入多段渐变波导结构实现标准波导与太赫兹芯片的阻抗匹配并抑制高次模，从而简化片上集成天线以及太赫兹芯片主电路的匹配网络，减小了电路的尺寸，增大了设计的灵活性，且多级渐变波导整体结构简单、加工方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构示意图；
图2为本发明实施例提供的图1所示结构的A-A剖面图；
图3为本发明实施例提供的基于接地共面波导的太赫兹芯片拓扑结构。
具体实施方式
波导的H面、E面：通常E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面。
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。
本实施例以含有四级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构为例对本发明的内容进行说明，如图1所示为该过渡结构的正面俯视图，包括依次连接的：输入高次模抑制结构101、太赫兹芯片电路及输出高次模抑制结构102，图2为图1中输入高次模抑制结构101的A-A截面图，所述输入、输出高次模抑制结构均由宽边即H面宽度相等且窄边即E面宽度逐级增加的四个波导构成，所述输入高次模抑制结构和输出高次模抑制结构的E面宽度最宽波导即末级波导的末端与太赫兹芯片宽度相等，所述输入高次模抑制结构的E面中心线与芯片中心线处于同一水平面，所述输出高次模抑制结构的E面中心线与芯片中心线处于同一水平面；所述输入高次模抑制结构和输出高次模抑制结构的末级波导均设有一凸台，所述凸台下端位于相应末级波导的H面径向轴线中心处，所述凸台上端与相应末级波导径向轴线顶端平行。
所述太赫兹芯片拓扑结构如图3所示，主要包括：天线电路与芯片主电路；天线电路包括：输入端片上集成偶极子天线1、输出端片上集成偶极子天线5；芯片主电路包括：接地共面波导中心导带2、InP衬底3、接地共面波导接地板4、以及接地共面波导背面金属、InP衬底3位于接地共面波导接地板4与接地共面波导背面金属之间。InP衬底3面积大于接地共面波导背面金属，天线电路部分设置于延伸出的衬底部分之上。
输入端偶极子天线1伸入输入端多级渐变波导的末级波导内，将能量从输入端末级波导腔体耦合至单片电路；所述输出端偶极子天线5伸入所述输出端多级渐变波导的末级波导内，将能量从单片电路耦合至输出端末级波导腔体。
输入端偶极子天线1包括对称的两个部分，其中一部分通过第一高阻线与接地共面波导的接地板4连接，输入端偶极子天线1另一部分通过第二高阻线与接地共面波导的中心导带2连接；输出端偶极子天线5包括对称的两个部分，其中一部分通过第三高阻线与接地共面波导的接地板4连接，输出端偶极子天线5另一部分通过第四高阻线与接地共面波导的中心导带2连接；
接地共面波导的接地板4通过相同大小且等距离排列的金属柱穿过衬底与背面金属连接；基于接地共面波导的芯片主电路这部分放置于所述输入、输出端多级渐变波导的末级波导凸台上；天线电路部分在凸台外，伸入相应的末级波导中；所述接地板边缘线与输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的H面相接；所述接地共面波导背面金属与输入、输出高次模抑制结构波的末级波导凸台形成的腔体紧密接触，实现接地。
本发明的结构包括以下可调参数：输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中的波导级数、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的长度、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的E面宽度。
通过调整所述输入端多级渐变波导和输出端多级渐变波导的级数、各级波导的长度及E面宽度可实现单片电路输入端及输出端与标准波导输入端及输出端的阻抗匹配；通过调整输入端多级渐变波导中各级波导的E面宽度可使输入信号以主模进行单模传输；通过调整多级渐变波导中各级波导的E面宽度可抑制单片电路输出端的杂散波。具体的参数调整可通过仿真实现。
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.具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，包括依次连接的：输入高次模抑制结构、太赫兹芯片及输出高次模抑制结构；
所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构均至少包括：三级波导，三级波导的H面宽度相等且E面宽度逐级增加或减少，且输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导E面重合；所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的末端与太赫兹芯片宽度相等；
所述输入高次模抑制结构中波导的E面中心线与太赫兹芯片中心线处于同一水平面，所述输出高次模抑制结构中波导的E面中心线与太赫兹芯片中心线处于同一水平面；
所述太赫兹芯片至少包括：芯片主电路与天线电路；所述天线电路具体为：输入端片上集成偶极子天线与输出端片上集成偶极子天线；所述输入端片上集成偶极子天线伸入所述输入高次模抑制结构的末级波导内，所述输出端片上集成偶极子天线一端伸入所述输出高次模抑制结构的末级波导内；所述输入端片上集成偶极子天线与输出端片上集成偶极子天线还与芯片主电路相连。
2.根据权利要求1所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，所述输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导均设有一凸台，所述凸台下端位于相应末级波导的H面径向轴线中心处，所述凸台上端与相应末级波导径向轴线顶端平行。
3.根据权利要求2所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，所述芯片主电路放置于所述输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构的末级波导的凸台上。
4.根据权利要求1所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，所述太赫兹芯片还包括：接地共面波导；所述接地共面波导包括：中心导带、衬底、接地板以及背面金属，所述衬底位于接地板与背面金属之间；
所述输入端片上集成偶极子天线包括两个对称的部分，其中一部分通过第一高阻线与接地板连接，另一部分通过第二高阻线与中心导带连接；
所述输出端片上集成偶极子天线包括两个对称部分，其中一部分通过第三高阻线与接地板连接，另一部分通过第四高阻线与中心导带连接；
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。
5.根据权利要求4所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，所述接地板的边缘线与输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导的H面相接；所述接地共面波导的背面金属分别与输入高次模抑制结构、输出高次模抑制结构的末级波导凸台形成的腔体紧密接触。
6.根据权利要求5所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，采用InP作为衬底。
7.根据权利要求1所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，包括以下可调参数：输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中的波导级数、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的长度、输入高次模抑制结构与输出高次模抑制结构中各级波导的E面宽度。
8.根据权利要求7所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，通过调整输入高次模抑制结构中各级波导的E面宽度，使输入信号以主模进行单模传输。
9.根据权利要求7所述的具有多级渐变波导结构的太赫兹片上集成天线过渡结构，其特征在于，通过调整输出高次模抑制结构中各级波导的E面宽度可抑制单片电路输出端的杂散波。
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