CN109870831B - 一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，属于电磁功能器件技术领域。包括矩形波导、介质基板、谐振结构、肖特基二极管、接地枝节和滤波馈电结构；介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边；介质基板的上表面由矩形波导内至矩形波导外依次为谐振结构、肖特基二极管和滤波馈电结构。本发明是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。本发明拥有大的调制带宽、调制深度以及极低插损，可工作于常温、常压、非真空条件下，因此本发明所述调制器有着良好的实际应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器。
背景技术
动态控制或者可调谐的太赫兹器件的研究目前正是一个热门方向也是未来器件研究的一个发展趋势。基于超材料的可调谐器件的研究通常基于不同外部条件如电场、磁场、温度、光激励等来改变谐振点的频率或者幅度。比如通过激光来控制光导半导体材料的电导率或者温度控制超导材料的电阻等设计可调谐的THz调制器。这与以前要通过改变结构的尺寸来获得可调谐相比较，更加地节约成本，不需要多次加工测试，一个模板就可以实现。按照调制方式进行区分，太赫兹调制技术通常可以分为2种方法：一种为间接调制，即基于现有微波通信技术，采用在低频微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段实现通信过程；另一种为直接调制，即在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无线通信。从目前研究情况来看，普遍认为直接调制能够充分利用太赫兹波的特点，实现高速大容量通信。
在亚毫米波频段，利用砷化镓肖特基二极管倍频得到太赫兹源在最近二十年己经成为主流，特别是当需要全固态的电路时。现代平面肖特基二极管结构是近二十多年才发展成熟起来的，在这以前晶须接触二极管以其低寄生参数和易于制造而得到应用。太赫兹平面肖特基二极管主要有准垂直型平面肖特基二极管和表面通道型平面肖特基二极管。准垂直型平面肖特基二极管寄生电容较大，在太赫兹频段的应用受到限制。目前最为常用的是表面通道平面二极管技术，该技术由美国NASA下属的喷气动力实验室(JPL)和弗吉尼亚大学共同研发，在欧洲也得到了快速发展，并大量应用于太赫兹器件设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，通过电外加电压控制肖特基二极管的电磁特性实现对电磁谐振结构的控制，从而实现对波导中传播的太赫兹波进行幅度调制。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，包括矩形波导1、介质基板、谐振结构2、肖特基二极管3、接地枝节4和滤波馈电结构5；介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边(E面)；介质基板的下表面镀有金属；矩形波导在靠近滤波馈电结构5一侧的介质基板贯穿处开有矩形空气窗，矩形空气窗的宽度≥介质基板的宽度；
介质基板的上表面由矩形波导内至矩形波导外依次为谐振结构2、肖特基二极管3和滤波馈电结构5；谐振结构2为一长一短两段金属线，两段金属线中间有一缝隙，肖特基二极管3跨越缝隙分别与两段金属线连接；长金属线由矩形波导外部延伸至波导内部；接地枝节4连接谐振结构2的长金属线和矩形空气窗的侧壁；滤波馈电结构5包括信号输入端和紧凑的微带谐振器(英文全称Compact Microstrip Resonanting Cell，CMRC)；紧凑的微带谐振器的两端分别连接信号输入端和谐振结构2的短金属线。
一种多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，以上述调制器为单元调制结构，多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器包括M个单元调制结构和M路等功分功分器(M≥2)；M个单元调制结构间隔相同周期距离呈并联分布在在矩形波导的电磁波传输方向上；功分器的输出端与单元调制结构中滤波馈电结构的信号输入端通过键合线连接。
矩形波导的尺寸为WR2.8，具体为0.356mm*0.711mm。
谐振结构中两段金属线之间的缝隙的宽度为40-70μm。
谐振结构中两段金属线的材料为Ti、Al、Ni或Au。
介质基板的材料为石英。
肖特基二极管为平面型肖特基二极管，其材料为GaN、InP或GaAs。
通过调节滤波馈电结构的外加电压控制肖特基二极管的连通与截断状态，进而控制谐振结构的谐振状态，从而控制矩形波导传输的通断特性。
本发明的有益效果是：
利用肖特基二极管的高速动态特性来快速控制金属线谐振结构的谐振特性，从而实现对波导内的太赫兹波的快速调制。将肖特基二极管直接搭载到金属线谐振结构上，而且该结构极易加工：通过改变谐振结构的参数(例如金属线的长度和宽度)可以有效地调节调制带宽的大小及调制频带的位置。本发明所述调制结构是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。在拥有大的调制带宽、调制深度以及极低插损的同时，该器件可工作于常温、常压、非真空条件下，这些使得该调制器有着良好的实际应用前景。
附图说明
图1为本发明所述调制器的整体结构示意图；
图2为谐振结构和滤波馈电结构的结构示意图；
图3为肖特基二极管的结构模型图；
图4为多单元调制器的整体结构示意图；
图5为加载电压时(肖特基二极管截断)调制器波导传输状态示意图；
图6为未加电压时(肖特基二极管连通)调制器波导传输状态示意图；
图7为加载电压时(肖特基二极管截断)调制器传输曲线仿真图；
图8为未加电压时(肖特基二极管连通)调制器传输曲线仿真图；
图9为肖特基二极管电阻对调制器传输特性(S11)影响模拟图；
图10为肖特基二极管电阻对调制器传输特性(S21)影响模拟图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其整体结构示意图如图1所示，包括矩形波导1、介质基板、谐振结构2、肖特基二极管3、接地枝节4和滤波馈电结构5；介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边(E面)；介质基板的下表面镀有金属；矩形波导在靠近滤波馈电结构5一侧的介质基板贯穿处开有矩形空气窗，矩形空气窗的宽度≥介质基板的宽度；
介质基板的上表面由矩形波导内至矩形波导外依次为谐振结构2、肖特基二极管3和滤波馈电结构5；谐振结构2为一长一短两段金属线(两段金属线位于同一条直线上)，两段金属线中间有一缝隙，肖特基二极管3跨越缝隙分别与两段金属线连接；长金属线由矩形波导外部延伸至波导内部；接地枝节4连接谐振结构2的长金属线和矩形空气窗的侧壁；滤波馈电结构5包括信号输入端和紧凑的微带谐振器(英文全称Compact MicrostripResonanting Cell，CMRC)；紧凑的微带谐振器的两端分别连接信号输入端和谐振结构2的短金属线。谐振结构和滤波馈电结构的示意图如图2所示。
对于肖特基二极管，其结构示意图如图3所示，以GaN肖特基二极管为例，GaN缓冲层位于GaN或蓝宝石半绝缘基片上，N型高掺杂层生长在缓冲层上，N型低掺杂层生长在高掺杂层上，而欧姆焊盘穿过了N型低掺杂层与N型高掺杂层直接接触而形成欧姆接触，在欧姆接触层上进一步制作阴极阳极焊盘，阳极接触金属与N型低掺杂层上表面接触，形成该二极管的核心-肖特基势垒接触，阴极和阳极之间由一个表面通道相互隔开，而通过金属桥指结构连通，这就形成了平面肖特基势垒二极管。
一种多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其整体示意图如图4所示，以上述调制器为单元调制结构，多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器包括M个单元调制结构和M路等功分功分器(M为≥2的正整数)；M个单元调制结构并联在矩形波导的电磁波传输方向上；功分器的输出端与单元调制结构中滤波馈电结构的信号输入端通过键合线连接。
矩形波导的尺寸为WR2.8，具体为0.356mm*0.711mm；谐振结构中两段金属线之间的缝隙的宽度为40-70μm；谐振结构中两段金属线的材料为Ti、Al、Ni或Au；介质基板的材料为石英；肖特基二极管为平面型肖特基二极管，其材料为GaN、InP或GaAs。
通过调节滤波馈电结构的外加电压控制肖特基二极管的连通与截断状态，进而控制谐振结构的谐振状态，从而控制矩形波导传输的通断特性。
当正负电压差值为0V时，肖特基二极管导通，两段金属线谐振结构被连通，此金属线结构处于工作状态，其谐振频率为0.34THz，从图5和图7可知该频率的太赫兹波无法通过矩形波导。当正负电压差为4～10V时，肖特基二极管截断，两段金属线谐振结构处于断开状态，此时金属线谐振结构的谐振特性发生改变，从图6和图8可知，此时0.34THz的太赫兹波可以通过矩形波导输出。
通过进一步分析二极管的阻抗特性，由图9和图10可知，选用肖特基二极管的电阻如果在断开时可以达到几千欧甚至上万欧，在连通时可以达到几欧时，调制器有极低的插入损耗和显著的调制效果。而这样的要求，目前的肖特基二极管工艺是完全可以达到的。
Claims (7)
1.一种多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，以腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器包括M个单元调制结构和M路等功分功分器，M为≥2的正整数；M个单元调制结构间隔相同周期距离呈并联分布在矩形波导的电磁波传输方向上；功分器的输出端与单元调制结构中滤波馈电结构的信号输入端通过键合线连接；
腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器包括矩形波导(1)、介质基板、谐振结构(2)、肖特基二极管(3)、接地枝节(4)和滤波馈电结构(5)；介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边；介质基板的下表面镀有金属；矩形波导在靠近滤波馈电结构(5)一侧的介质基板贯穿处开有矩形空气窗，矩形空气窗的宽度≥介质基板的宽度；
介质基板的上表面由矩形波导内至矩形波导外依次为谐振结构(2)、肖特基二极管(3)和滤波馈电结构(5)；谐振结构(2)为一长一短两段金属线，两段金属线中间有一缝隙，肖特基二极管(3)跨越缝隙分别与两段金属线连接；长金属线由矩形波导外部延伸至波导内部；接地枝节(4)连接谐振结构(2)的长金属线和矩形空气窗的侧壁；滤波馈电结构(5)包括信号输入端和紧凑的微带谐振器；紧凑的微带谐振器的两端分别连接信号输入端和谐振结构(2)的短金属线。
2.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，矩形波导的尺寸为WR2.8，具体为0.356mm*0.711mm。
3.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，谐振结构中两段金属线之间的缝隙的宽度为40-70μm。
4.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，谐振结构中两段金属线的材料为Ti、Al、Ni或Au。
5.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，介质基板的材料为石英。
6.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，肖特基二极管为平面型肖特基二极管，其材料为GaN、InP或GaAs。
7.根据权利要求1所述的多单元腔体外部加载式可调金属线太赫兹波直接调制器，其特征在于，通过调节滤波馈电结构的外加电压控制肖特基二极管的连通与截断状态，进而控制谐振结构的谐振状态，从而控制矩形波导传输的通断特性。
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