CN110535007B - 鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器 - Google Patents

鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，属于电磁功能器件技术领域。通过在鳍线传输线的背面加载嵌套有二极管的谐振单元，利用外部馈电输入结构通过电压控制二极管的工作状态，实现谐振单元工作模式切换，从而实现对传输线中传输的太赫兹波进行快速幅度调制。克服了现有片上调制器在传输线的传输区域直接加载谐振单元造成的传输特性差问题，同时由于外部馈电区直接与调制区中谐振单元相接，降低了外部馈电区与调制区中谐振单元相接时引入的阻抗不匹配，克服了外部馈电区在高频信号输入的反射大问题。

Description

鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件，具体涉及一种鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是位于毫米波与红外光波之间的电磁波，其波长范围为0.03mm～3mm,频率范围为0.1THz～10THz。太赫兹处于由宏观经典理论向微观电子理论的过渡区，它是人类最后一个尚未完全认知利用的频段。由于太赫兹波工作频率高，相对微波来讲，相同条件通信传输容量更大，因此作为通信载体可承载更多的信息量，这决定了它在短距离超高速无线通信方面有巨大的应用潜力。目前世界上已经有多个国家研究太赫兹通信技术，日本的NTT公司已经实现速率10Gbs以上的太赫兹无线通信平台。
在太赫兹通信系统中，太赫兹波动态功能器件—太赫兹调制器如今已成为其关键的核心技术。从2004年开始，Nature/Science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波外部调制器的文章，其内容包括基于参杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工电磁媒质(Metamaterials)相结合，利用外加温度、光照、电场等的激励方式来实现太赫兹波的调制。在上述方法中，调制器多采用空间金属阵列形式，金属单元间耦合寄生效应大，降低了调制器的响应速率，且调制器不便集成。因此设计一种响应速度高、调制深度大、结构紧凑便于集成的器件是太赫兹调制器件亟待解决的核心技术问题。
现有的片上太赫兹波幅度调制器，多采用在传输线的传输区直接加载谐振单元的方式，造成器件在传输态时插入损耗大，同时由于谐振单元加载方式不当，外加控制信号随着工作频率升高，反射增大，无法控制调制器加载谐振单元中的有源器件。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为改善现有调制技术的传输性能同时改进器件的馈电方式，提供一种响应速度高，调制深度高，便于集成的太赫兹幅度调制器，本发明提供了一种鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，实现对片上传输的太赫兹波幅度调制，满足日益增长的通信速率的复杂通信系统需求。
本发明解决所述问题采用的技术方案是，采用鳍线作为传输线，将嵌套有二极管的谐振单元作为调制单元加载到传输线背面，利用二极管单向导电性，通过外加电压控制二极管通断实现调制单元中不同谐振模式的切换，从而达到调制太赫兹波的目的。
该基于鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，包括：(1)输入波导区、(2)波导-鳍线过渡区、(3)鳍线调制区、(4)鳍线-波导过渡区、(5)输出波导区、(6)外部馈电区；输入波导区、波导-鳍线过渡区、鳍线调制区、鳍线-波导过渡区和输出波导区按太赫兹波传输方向依次顺序连接，外部馈电区(6)垂直于太赫兹波传输方向与鳍线调制区(3)相连。
所述输入(输出)波导区，由标准直波导构成，用于与外部标准波导器件连接，实现馈入(输出)太赫兹电磁波。
所述波导-鳍线(鳍线-波导)过渡区，由单节印刷阶梯变换器组成，用于实现波导到鳍线(鳍线到波导)的过渡转换，降低反射。
所述鳍线调制区是鳍线的传输部分及其背面加载的调制单元构成，所述调制单元为嵌套有二极管的电磁谐振单元构成，对耦合到鳍线上的太赫兹电磁波进行幅度控制。
所述外部馈电区是一种低通滤波器电路，用于输入控制信号加载到调制单元中的二极管，同时阻止片上传输的太赫兹波通过该区域向外泄漏。
进一步的，所述调制单元至少1个，各调制单元通过并联方式按片上太赫兹波传输方向顺序连接，并通过各调制单元的共有枝节与外部馈电区域连接。
进一步的，所述调制单元中的二极管为肖特基势垒二极管或PN结二极管。
进一步的，所述外部馈电区通过在鳍线调制区的金属腔体开孔形成开口窗，同时采用低通滤波器(如阶跃阻抗低通滤波器)作为控制信号的传输线，也可为其他类型的低通滤波器。
进一步的，所述基于鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其鳍线的基板为石英、碳化硅、蓝宝石或砷化镓。
本发明通过采用鳍线作为传输线，将嵌套有二极管的谐振单元作为调制单元加载到传输线背面，利用二极管单向导电性，通过外加电压控制二极管通断实现调制单元中不同谐振模式的切换，实现对太赫兹波幅度调制。该方式克服了现有片上调制器在传输线的传输区域直接加载谐振单元造成的传输特性差问题，同时由于外部馈电区直接与调制区中谐振单元相接，降低了外部馈电区与调制区中谐振单元相接时引入的阻抗不匹配，克服了外部馈电区在高频信号输入的反射大问题。
本发明的有益成果是：
(1)基于鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，利用鳍线传输线背面加载嵌套二极管的调制单元，可有效降低太赫兹波的反射，实现太赫兹波在高速调制的同时插损低。
(2)采用鳍线传输线易于与标准波导过渡，便于与其他片上器件集成，方便于片上集成太赫兹系统的构建。
(3)本发明所设计的谐振结构是通过鳍线工作模式激励，通过控制二极管通断，进而控制谐振单元的谐振模式切换，以实现高调制深度的太赫兹波调制。
(4)嵌套二极管的谐振单元在鳍线传输线中可只放置少数几个，甚至是1个就可实现对太赫兹波的幅度调制，寄生电容极小，调制速率大幅提升。
(5)外部馈电区与调制区谐振单元直接相接，降低了控制信号输入的阻抗不匹配问题，调制速率提高。
(6)对于太赫兹波段的功能器件，立体结构的设计方案通过普通机械加工手段难以实现，而本发明中利用的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。
(7)本发明通过电控来进行工作而不需要外加光照、温度等激励，并且馈电方式可直接采用同轴SM接口进行馈电。这对于该器件小型化、实用化与产量化具有很大的优势。
(8)通过改变谐振单元的几何形状，以及结构参数(长、宽、开口位置等)，可对不同频率的太赫兹波进行控制，设计灵活、方便定制。
(9)本发明针对波导传播太赫兹电磁波，可工作于常温、常压、非真空条件下，易于封装、方便使用。
附图说明
图1为调制器整体结构三维示意图。
图2为调制器的整体结构正面示意图。
图3为调制器的整体结构背面示意图。
图4为调制单元示意图。
图5为外加正方向电压(连通)状态下的电场分布图。
图6为外加负方向电压(断开)状态下的电场分布图。
图7为调制器在不同状态下的S21参数对比。
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。
一种鳍线加载人工电磁煤质与二极管相结合的太赫兹波快速调制器，包括：(1)输入波导区、(2)波导-鳍线过渡区、(3)鳍线调制区、(4)鳍线-波导过渡区、(5)输出波导区、(6)外部馈电区，如图2，图3所示。
在本实施例中，波导为尺寸0.546*1.092mm的WR4.3，鳍线是一种印刷有金鳍的介质基片，安装在金属矩形波导的平面电路，介质基板为50um石英。
鳍线调制区为鳍线传输线中间区背面加载嵌套有二极管的电磁谐振单元构成的调制单元，电磁谐振单元结构是由如图4所示两个上下对称的Π型金属结构构成，是将两个Π型金属结构的金属枝节均通过二极管相对连接构成上下镜像对称的结构，其中(7)上方Π型金属结构的接地焊盘与鳍线调制区的金属腔体连接，(8)下方Π型金属结构与外部馈电区连接，用于外部电压信号馈入。
该调制器是通过电压控制二极管的通断，从而实现谐振模式状态的改变，进而控制片上传输的太赫兹波动态幅度调制。具体行为可以从图5以及图6看出。
当外加控制电压使得二极管连通时，在此情况下可以看到由于二极管的导通，上下镜像对称的Π型金属枝节在二极管连接下形成整体，由于谐振单元的谐振，片上传输的太赫兹波产生反射，不再传输，如图5所示。
当外加电压为负时，此时二极管处于断开状态，上下镜像对称的Π型金属枝节在二极管断开状态形成独立状态，无法在测试通带内形成谐振模式，此时，片上传输的太赫兹波可以顺利的从传输端口传输到输出端口。
因此通过外加控制电压控制二极管的通断状态实现对调制单元的控制，进而实现对太赫兹波的快速幅度调制。该调制器在不同状态下的传输系数如图7所示，在190GHz到238GHz工作范围内，可以看出当调制器处于连通状态时，传输系数高于-1.5dB,而当调制器处于断开状态时，传输系数小于传输系数小于-20dB，在48Ghz的工作范围内，调制深度可达90％以上，并且调制速度可达25GHz。该结果证明本发明提供的太赫兹调制器可以对太赫兹波幅度进行调制，并且调制器整体结构简单，便于加工，这将为将来太赫兹功能器件的设计以及与源器件的集成提供了很好的思路与方向。

Claims (7)

1.鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：
采用鳍线作为传输线，包括输入波导区、波导-鳍线过渡区、鳍线调制区、鳍线-波导过渡区、输出波导区和外部馈电区；其中输入波导区、波导-鳍线过渡区、鳍线调制区、鳍线-波导过渡区和输出波导区按太赫兹波传输方向依次顺序连接，外部馈电区垂直于太赫兹波传输方向与鳍线调制区相连；
所述输入/输出波导区，由标准直波导构成，用于与外部标准波导器件连接，实现馈入/输出太赫兹电磁波；
所述波导-鳍线/鳍线-波导过渡区，由单节印刷阶梯变换器组成，用于实现波导到鳍线/鳍线到波导的过渡转换，降低反射；
所述鳍线调制区是鳍线的传输部分及其背面加载的调制单元构成，所述调制单元为嵌套有二极管的电磁谐振单元构成，对耦合到鳍线上的太赫兹电磁波进行幅度控制；
所述外部馈电区是一种低通滤波器电路，用于输入控制信号加载到调制单元中的二极管，同时阻止片上传输的太赫兹波通过该外部馈电区向外泄漏。
2.如权利要求1所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述调制单元至少1个，各调制单元通过并联方式按片上太赫兹波传输方向顺序连接，并通过各调制单元的共有枝节与外部馈电区域连接。
3.如权利要求1所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述调制单元中的二极管为肖特基势垒二极管或PN结二极管。
4.如权利要求1所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述外部馈电区通过在鳍线调制区的金属腔体开孔形成开口窗，同时采用低通滤波器作为控制信号的传输线。
5.如权利要求4所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述低通滤波器为阶跃阻抗低通滤波器。
6.如权利要求1所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述基于鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其鳍线的基板为石英、碳化硅、蓝宝石或砷化镓。
7.如权利要求1所述鳍线加载谐振单元嵌套二极管的片上太赫兹波幅度调制器，其特征在于：所述嵌套有二极管的电磁谐振单元为人工超表面谐振单元，是将两个Π型金属结构的金属枝节均通过二极管相对连接构成上下镜像对称的结构，其中上方Π型金属结构的接地焊盘与鳍线调制区的金属腔体连接，下方Π型金属结构与外部馈电区连接，用于外部电压信号馈入；通过电压控制二极管的通断，从而实现谐振模式状态的改变，进而控制片上传输的太赫兹波动态幅度调制；
当外加控制电压使得二极管连通时，由于二极管的导通，上下镜像对称的Π型金属枝节在二极管连接下形成整体，由于谐振单元的谐振，片上传输的太赫兹波产生反射，不再传输；
当外加电压为负时，此时二极管处于断开状态，上下镜像对称的Π型金属枝节在二极管断开状态形成独立状态，无法在测试通带内形成谐振模式，此时，片上传输的太赫兹波可以顺利的从传输端口传输到输出端口。
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