CN110932672A - 全频段太赫兹四倍频模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全频段太赫兹四倍频模块，包括金属上基座(1)、金属下基座(2)、第一匹配波导(3)、芯片通道(4)、第二匹配波导(5)和太赫兹全频段倍频芯片(7)；金属上基座(1)和金属下基座(2)形成腔体，第一匹配波导(3)设置在腔体内的输入端，第二匹配波导(5)设置在腔体内的输出端；芯片通道(4)设置在腔体的输入端和输出端之间，芯片通道(4)内设置太赫兹全频段倍频芯片(7)；太赫兹全频段倍频芯(7)安装在金属上基座(1)上，太赫兹全频段倍频芯片(7)分别与第一匹配波导(3)和第二匹配波导(5)连接。其可以降低太赫兹波信号发生设备的复杂性，提高相应设备的集成度。

Description

全频段太赫兹四倍频模块
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种全频段太赫兹四倍频模块。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简写THz)通常是指频率在0.1THz～10THz(波长为30μm～3mm)范围内的电磁波。1THz(1012Hz)对应波数为33.3cm-1，能量为4.1meV，波长为300μm。从频谱上看，太赫兹波在电磁波谱中介于微波与红外之间，处于电子学向光子学过渡的区域，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。在电子学领域，太赫兹波被称为亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。
传统的电子学方法和光学方法都难以产生高质量的太赫兹波，随着光电子技术和半导体技术的发展，使用超快激光轰击非线性晶体或光电导偶极可以实现毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波，这就为研究提供了一个稳定和有效的手段；利用电真空返波管(BWO)通过锁相，也可以实现1.2THz频率以下毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波；量子级联(QCL)外加锁相机制，可实现2THz频率以上毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波。但这些技术都存在系统复杂、集成度差的问题。。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种全频段太赫兹四倍频模块。
为实现本发明的目的，提供一种已经实验验证的全频段太赫兹四倍频模块，包括金属上基座、金属下基座、第一匹配波导、芯片通道、第二匹配波导和太赫兹全频段倍频芯片；
所述金属上基座和金属下基座形成腔体，所述第一匹配波导设置在所述腔体内的输入端，所述第二匹配波导设置在所述腔体内的输出端；所述芯片通道设置在所述腔体的输入端和输出端之间，所述芯片通道内设置太赫兹全频段倍频芯片；所述太赫兹全频段倍频芯安装在金属上基座上，所述太赫兹全频段倍频芯片分别与第一匹配波导和第二匹配波导连接。
在一个实施例中，全频段太赫兹四倍频模块，还包括直流馈线和SMA接头，所述直流馈线连接在所述太赫兹全频段倍频芯片和SMA接头之间，所述SMA接头用于引入外接电源。
在一个实施例中，所述太赫兹全频段倍频芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的太赫兹肖特基串联管对、输入端波导微带耦合单元、输出端波导微带耦合单元、高低阻低通滤波器、直流偏置线和梁式引线；
太赫兹肖特基串联管对内形成直流和射频回路，太赫兹肖特基串联管对的第一端连接输出端波导微带耦合单元，太赫兹肖特基串联管对的第二端连接高低阻低通滤波器，太赫兹肖特基串联管对的第三端连接直流偏置线，太赫兹肖特基串联管对的第四端连接接地梁式引线，高低阻低通滤波器通过输入端波导微带耦合单元连接第一匹配波导，输出端波导微带耦合单元连接第二匹配波导。
作为一个实施例，所述太赫兹肖特基串联管对的拓扑结构为串联结构。
在一个实施例中，所述太赫兹全频段倍频芯片包括砷化镓薄膜或石英基底。
在一个实施例中，所述太赫兹全频段倍频芯片的厚度介于2um～50um。
在一个实施例中，所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接标准法兰盘接口。
在一个实施例中，所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接。
上述全频段太赫兹四倍频模块中，第一匹配波导设置在相应腔体内的输入端，第二匹配波导设置在腔体内的输出端，芯片通道设置在所述腔体的输入端和输出端之间，以设置太赫兹全频段倍频芯片，这样太赫兹波可以从第一匹配波导输入太赫兹全频段倍频芯，并从第二匹配波导输出，以实现各波段的太赫兹波的传输，可以降低太赫兹波传输设备的复杂性，提高相应设备的集成度。
附图说明
图1是一个实施例中全频段太赫兹四倍频模块的立体示意图；
图2是一个实施例中全频段太赫兹四倍频模块的金属下基座立体示意图；
图3是一个实施中全频段太赫兹四倍频模块的金属下基座的俯视图；
图4是一个实施例中太赫兹全频段倍频芯片的结构示意图；
图5为一个实施例中太赫兹肖特基串联管对的局部示意图；
图6为一个实施例中全频段太赫兹四倍频模块的输出功率结果示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1、图2、图3所示，图1为一个实施例的全频段太赫兹四倍频模块结构示意图，包括金属上基座1、金属下基座2、第一匹配波导3、芯片通道4、第二匹配波导5和太赫兹全频段倍频芯片7；
所述金属上基座1和金属下基座2形成腔体，所述第一匹配波导3设置在所述腔体内的输入端，所述第二匹配波导5设置在所述腔体内的输出端；所述芯片通道4设置在所述腔体的输入端和输出端之间，所述芯片通道4内设置太赫兹全频段倍频芯片7；所述太赫兹全频段倍频芯7安装在金属上基座1上，所述太赫兹全频段倍频芯片7分别与第一匹配波导3和第二匹配波导5连接。
具体地，太赫兹全频段倍频芯片7工作范围适用于太赫兹各波段的全频段覆盖，不限于750GHz-1100GHz，相应的全频段太赫兹四倍频模块同理适用于60-90GHz、75-110GHz、110-170GHz、140-220GHz、220-325GHz、325-500GHz、400-600GHz、500-750GHz、600-900GHz、900-1400GHz、1100-1700GHz、1400-2200GHz及更高波段。
进一步地，输入端的第一匹配波导3、芯片通道4、输出端的第二匹配波导5是在金属上下基座上通过精密数控铣方式得到。金属上基座1和金属下基座2为铝制成，其他实施例中可以选择铜，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金得到。
在上述全频段太赫兹四倍频模块中，金属上基座1和金属下基座2形成的腔体内分别设置结构相同的输入端的第一匹配波导3和输出端的第二匹配波导5，上述腔体内还设有芯片通道4；芯片通道4内设置太赫兹全频段倍频芯片7，太赫兹全频段倍频芯7安装在金属上基座1上，所述太赫兹全频段倍频芯片7分别与输入端的匹配波导3和输出端的匹配波导5连接，这样太赫兹波可以从第一匹配波导3输入太赫兹全频段倍频芯7，并从第二匹配波导5输出，以实现全波段的太赫兹波的传输。
上述全频段太赫兹四倍频模块中，第一匹配波导3设置在相应腔体内的输入端，第二匹配波导5设置在腔体内的输出端，芯片通道4设置在所述腔体的输入端和输出端之间，以设置太赫兹全频段倍频芯片7，这样太赫兹波可以从第一匹配波导3输入太赫兹全频段倍频芯7，并从第二匹配波导5输出，以实现各波段的太赫兹波的传输，可以降低太赫兹波传输设备的复杂性，提高相应设备的集成度。
参考图3所示，在一个实施例中，全频段太赫兹四倍频模块，还包括直流馈线10和SMA接头11，所述直流馈线10连接在所述太赫兹全频段倍频芯片7和外接的SMA接头11之间，所述SMA接头11用于引入外接电源(如引入外部的直流偏置)。
本实施例中，外加直流偏置可由SMA接头11引入，连接直流馈线10经由太赫兹全频段倍频芯片7的直流偏置导线76，再至太赫兹肖特基串联管对72，以保证全频段太赫兹四倍频模块的顺利运行。
参考图4所示，在一个实施例中，所述太赫兹全频段倍频芯片7包括芯片本体71和分别设置于芯片本体71上的太赫兹肖特基串联管对72、输入端波导微带耦合单元73、输出端波导微带耦合单元74、高低阻低通滤波器75、直流偏置线76和梁式引线77；
太赫兹肖特基串联管对72内形成直流和射频回路，太赫兹肖特基串联管对72的第一端连接输出端波导微带耦合单元74，太赫兹肖特基串联管对72的第二端连接高低阻低通滤波器75，太赫兹肖特基串联管对72的第三端连接直流偏置线76，太赫兹肖特基串联管对72的第四端连接接地梁式引线77，高低阻低通滤波器75通过输入端波导微带耦合单元73连接第一匹配波导3，输出端波导微带耦合单元74连接第二匹配波导5。
在实际工作过程中，太赫兹肖特基串联管对72的左右两端分别与输出端波导微带耦合单元74与高低阻低通滤波器75相连，太赫兹肖特基串联管对72的上下两端分别与直流偏置线76与接地梁式引线77相连，高低阻低通滤波器75和输入端波导微带耦合单元73相连，输入端波导微带耦合单元73和输入端的第一匹配波导3相连，输出端波导微带耦合单元74和输出端的第二匹配波导5相连。太赫兹全频段倍频芯7和芯片通道4主要是负责信号的耦合、激励、合成等工作。太赫兹肖特基串联管对72内形成直流和射频回路。输入端波导微带耦合单元73用于把输入功率耦合到太赫兹肖特基串联管对72，由太赫兹肖特基串联管对72激励出的四次谐波信号经输出端波导微带耦合单元74耦合到输出导波结构，最后经波导口输出。
在一个示例中，太赫兹肖特基串联管对72的设置示意图可以参考图5所示。
在一个实施例中，太赫兹肖特基串联管对72的拓扑结构为串联结构，这样利于实现奇次波分量抑制。
在一个实施例中，太赫兹全频段倍频芯片7中的高低阻低通滤波器75，有利于实现滤波和奇次谐波能量回收。
在一个实施例中，太赫兹全频段倍频芯片7包括砷化镓薄膜或石英基底，即太赫兹全频段倍频芯片7采用砷化镓薄膜或石英基底。
在一个实施例中，太赫兹全频段倍频芯片7的厚度为2um～50um。
在一个实施例中，金属上基座1和金属下基座2的两侧分别设置连接标准法兰盘8接口。这样能够实现与外部其他部件的连接。
在一个实施例中，金属上基座1和金属下基座2通过定位销9连接，以通过定位销钉实现固定定位。
具体地，倍频芯片(即太赫兹全频段倍频芯片7)及其部件的制作工艺可以选用电子束光刻(EBL，electronic beam lithography)、电感耦合反应离子刻蚀(ICP Etching，inductively coupled plasma reactive ion etching)、分子束外延(MBE，Molecularbeam epitaxy)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)中的任一种，但不限于其他新型微纳工艺。在一个示例中，太赫兹全频段倍频芯片7的尺寸为440um×36um×3um，金属上基座1和下基座的总尺寸为15mm×20mm×15mm。本实施例的太赫兹全频段倍频芯片7为3um GaAs薄膜基底。
上述全频段太赫兹四倍频模块中，输入输出耦合采用损耗较小的波导微带过渡方式，相应倍频芯片上太赫兹肖特基串联管对采用串联电路结构，利于实现杂波抑制。倍频芯片的太赫兹肖特基串联管对内形成直流和射频回路，输出端波导微带耦合单元设置于太赫兹肖特基串联管对的一侧，太赫兹肖特基串联管对的另一侧与高低阻低通滤波器相连，高低阻低通滤波器和输入端波导微带耦合单元相连。通过增加太赫兹肖特基串联管对的数目，提高对输入功率的承载能力，倍频芯片完成信号的激励，并在芯片通道的输出一侧内完成倍频信号输出。
在一个示例中，如图6所示，在输入功率为5mW条件下倍频效率结果，从曲线可见750-1100GHz全频段宽范围内倍频输出功率大于-30dBm。测试结果表明，上述全频段太赫兹四倍频模块具备新颖的电路结构，具有相当好的宽带性能，性能优良，可用做太赫兹信号源。
与现有技术相比，上述全频段太赫兹四倍频模块基于薄膜单片微纳制备技术，制成后芯片具有结构紧凑、安装简便、集成度高的特点；在进行倍频芯片电路设计时，综合考虑端口匹配与其它电路结构的协同设计，在进行倍频芯片电路设计时，综合考虑全频段匹配与其它电路结构的协同设计，明显提高了电路带宽性能，具有全频段带宽；本发明采用的工艺为太赫兹薄膜单片微纳集成制造技术，一致性好。工作在零偏和外加偏置两种模式，使用灵活，便于系统集成。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，包括金属上基座(1)、金属下基座(2)、第一匹配波导(3)、芯片通道(4)、第二匹配波导(5)和太赫兹全频段倍频芯片(7)；
所述金属上基座(1)和金属下基座(2)形成腔体，所述第一匹配波导(3)设置在所述腔体内的输入端，所述第二匹配波导(5)设置在所述腔体内的输出端；所述芯片通道(4)设置在所述腔体的输入端和输出端之间，所述芯片通道(4)内设置太赫兹全频段倍频芯片(7)；所述太赫兹全频段倍频芯(7)安装在金属上基座(1)上，所述太赫兹全频段倍频芯片(7)分别与第一匹配波导(3)和第二匹配波导(5)连接。
2.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，还包括直流馈线(10)和SMA接头(11)，所述直流馈线(10)连接在所述太赫兹全频段倍频芯片(7)和SMA接头之间，所述SMA接头(11)用于引入外接电源。
3.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述太赫兹全频段倍频芯片(7)包括芯片本体(71)和分别设置于芯片本体(71)上的太赫兹肖特基串联管对(72)、输入端波导微带耦合单元(73)、输出端波导微带耦合单元(74)、高低阻低通滤波器(75)、直流偏置线(76)和梁式引线(77)；
太赫兹肖特基串联管对(72)内形成直流和射频回路，太赫兹肖特基串联管对(72)的第一端连接输出端波导微带耦合单元(74)，太赫兹肖特基串联管对(72)的第二端连接高低阻低通滤波器(75)，太赫兹肖特基串联管对(72)的第三端连接直流偏置线(76)，太赫兹肖特基串联管对(72)的第四端连接接地梁式引线(77)，高低阻低通滤波器(75)通过输入端波导微带耦合单元(73)连接第一匹配波导(3)，输出端波导微带耦合单元(74)连接第二匹配波导(5)。
4.根据权利要求3所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述太赫兹肖特基串联管对(72)的拓扑结构为串联结构。
5.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述太赫兹全频段倍频芯片(7)包括砷化镓薄膜或石英基底。
6.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述太赫兹全频段倍频芯片(7)的厚度介于2um～50um。
7.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述金属上基座(1)和金属下基座(2)的两侧分别设置连接标准法兰盘(8)接口。
8.根据权利要求1所述的全频段太赫兹四倍频模块，其特征在于，所述金属上基座(1)和金属下基座(2)通过定位销(9)连接。
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