CN113193465B - 太赫兹波辐射源 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹波辐射源，包括：多个振荡器、多个移相电路和多个片上天线，多个振荡器和多个移相电路交错相连，且形成闭合回路，每个振荡器的输出端连接一个片上天线，振荡器、移相电路和片上天线的数量均相同，振荡器，用于产生基频信号和太赫兹频段的谐波信号，并将基频信号传输给输出端相连的移相电路，将太赫兹频段的谐波信号传输给输出端相连的片上天线，移相电路，用于将输入端接收到的基频信号进行相移，并传输给与输出端相连的振荡器，使移相电路输出端和输入端相连的两个振荡器的基频信号的频率和相位均相同，片上天线，用于将相连的振荡器接收到的太赫兹频段的多次谐波信号进行辐射，可实现太赫兹波装置的小型化和集成化应用。

Description

太赫兹波辐射源
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种太赫兹波辐射源。
背景技术
太赫兹波是指频率在100GHz-10THz范围内的电磁波，其波段位于毫米波和红外光之间。太赫兹被誉为21世纪十大科学技术之一，其具有一系列独特的性质，如不会对人体产生有害的电离，在快速安检、医疗诊断等领域有广阔的应用前景；太赫兹波波长较短，其成像的分辨率较高，亦可应用于质量检测和无损探伤等领域。
稳定可靠的太赫兹波辐射源是实现上述太赫兹应用必不可少的部分。目前，产生太赫兹波的方法主要有光学方法和电子学方法两种，光学方法如太赫兹气体激光器等；电子学方法如返波管，回旋管以及太赫兹量子级联激光器等。然而，以上方法制作的太赫兹波辐射源普遍体积庞大，这使得其应用场景受到了极大的限制。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种太赫兹波辐射源，可实现太赫兹波装置的小型化和集成化应用。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种太赫兹波辐射源，包括：
多个振荡器、多个移相电路和多个片上天线；
所述多个振荡器和多个移相电路交错相连，且形成闭合回路，每个振荡器的输出端连接一个片上天线，所述振荡器、移相电路和片上天线的数量均相同；
所述振荡器，用于产生基频信号和太赫兹频段的谐波信号，并将基频信号传输给输出端相连的移相电路，将太赫兹频段的谐波信号传输给输出端相连的片上天线；
所述移相电路，用于将输入端接收到的基频信号进行相移，并传输给与输出端相连的振荡器，使所述移相电路输出端和输入端相连的两个振荡器的基频信号的频率和相位均相同；
所述片上天线，用于将相连的振荡器接收到的太赫兹频段的多次谐波信号进行辐射。
可选的，还包括：多个阻抗匹配网络，每个振荡器的输出端连接一个阻抗匹配网络；
阻抗匹配网络的输入端与振荡器的输出端相连，阻抗匹配网络的输出端与和片上天线相连，用于增大能量传输效率。
可选的，所述振荡器包括：传输线、第一MOS管，第二MOS管、第一电感、第二电感、第三电感和电容；
所述第一MOS管的栅极与第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端于所述传输线的一端相连，所述第一MOS管的漏极与所述传输线的一端相连，所述第一MOS管的源极接地；
所述第二MOS管的栅极与第一电感的一端相连，所述第一电感的另一端于所述传输线的另一端相连，所述第二MOS管的漏极与所述传输线的另一端相连，所述第二MOS管的源极接地；
所述第三电感的一端连接在所述传输线上，所述第三电感的另一端与直流电源相连；
所述电容的一端与所述所述第三电感的另一端相连，所述电容的另一端接地。
可选的，所述移相电路包括：第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一可变电容、第二可变电容、第一负载和第二负载；
所述第三MOS管的栅极作为所述移相电路的输入端，与一振荡器的输出端相连，所述第三MOS管的漏极与所述第一负载相连，所述第三MOS管的源极接地；
所述第四MOS管的栅极与第三MOS管的漏极和所述第一可变电容的一端相连，所述第四MOS管的漏极与所述第二负载相连，所述第四MOS管的源极接地；
所述第五MOS管的栅极与第四MOS管的漏极和所述第二可变电容的一端相连，所述第五MOS管的漏极作为所述移相电路的输出端，与另一振荡器的输入端相连，所述第四MOS管的源极接地；
所述第一可变电容和所述第二可变电容的另一端分别接入控制电压，所述控制电压用于控制相移的大小。
可选的，所述振荡器、移相电路和片上天线的数量均为4的倍数。
可选的，所述传输线为微带线，所述微带线的长度为50um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
可选的，所述负载为微带线，所述微带线的长度为75um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
可选的，所述阻抗匹配网络由传输线和顶层到地层金属间的通孔组成。
可选的，所述传输线为微带线，所述微带线的长度为60um，宽度为6um。
可选的，所述片上天线为贴片天线；
顶层金属为所述贴片天线的贴片层。
从上述技术方案可以看出，本发明太赫兹波辐射源具有以下有益效果：
本申请提供的太赫兹波辐射源面积很小，且能和太赫兹波探测器集成在同一片硅片上，制成微型化的太赫兹波成像装置。
本申请提供的太赫兹波辐射源，通过在相邻振荡器之间引入相移电路，能够实现多个振荡器同频率同相位辐射能量，相比单个振荡器，有效提高了输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的太赫兹波辐射源的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的振荡器结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的振荡器在偶次谐波下的等效示意图；
图4为本中请一实施例提供的移相电路结构示意图；
图5为本申请一实施例提供的天线结构示意图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的太赫兹波辐射源的结构示意图，该太赫兹波辐射源包括：
多个振荡器10、多个移相电路20和多个片上天线30；
多个振荡器10和多个移相电路20交错相连，且形成闭合回路，每个振荡器10的输出端连接一个片上天线30，振荡器10、移相电路20和片上天线30的数量均相同；
振荡器10，用于产生基频信号和太赫兹频段的谐波信号，并将基频信号传输给振荡器10输出端相连的移相电路10，将太赫兹频段的谐波信号传输给振荡器10输出端相连的片上天线30；
移相电路20，用于将移相电路20输入端接收到的基频信号进行相移，并传输给与移相电路20输出端相连的振荡器，使移相电路20输出端和输入端相连的两个振荡器的基频信号的频率和相位均相同；
片上天线30，用于将相连的振荡器接收到的太赫兹频段的多次谐波信号进行辐射。
在本申请其中一个实施例中，多个振荡器输出的信号的频率和相位均相同。
其中，振荡器10、移相电路20和片上天线30的数量均为4的倍数。例如，4个振荡器10、4个移相电路20和4个片上天线30，8个振荡器10、8个移相电路20和8个片上天线30等，本申请实施例中，将振荡器10、移相电路20和片上天线30的数量以4个为例进行说明。可理解的，4个振荡器10的参数完全相同，具有相同的自由振荡频率，产生基频信号和太赫兹频段的四次谐波信号。在本申请实施例中，在每两个振荡器之间引入一个相移电路，其将上一个振荡器的基频信号移相后注入下一个振荡器，所有振荡器实现均注入锁定，即以相同的频率和相位振荡，产生基频信号和太赫兹频段的多次谐波信号。
在本申请其中一个实施例中，还包括：多个阻抗匹配网络，每个振荡器的输出端连接一个阻抗匹配网络；
阻抗匹配网络的输入端与振荡器的输出端相连，阻抗匹配网络的输出端与和片上天线相连，用于增大能量传输效率。
在本实施例中，在片上天线与振荡器输出端之间增加阻抗匹配网络，可使振荡器的输出信号能够最大化地传输给天线，从而进行辐射。
在本申请其中一个实施例中，阻抗匹配网络由传输线和顶层到地层金属间的通孔组成。
在本申请其中一个实施例中，传输线为微带线，微带线的长度为60um，宽度为6um。
在本申请其中一个实施例中，请参阅图2，振荡器10包括：传输线S、第一MOS管M1，第二MOS管M2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和电容C：
第一MOS管M1的栅极与第二电感L2的一端相连，第二电感L2的另一端于传输线S的一端相连，第一MOS管M1的漏极与传输线S的一端相连，第一MOS管M1的源极接地；
第二MOS管M2的栅极与第一电感L1的一端相连，第一电感L1的另一端于传输线S的另一端相连，第二MOS管M2的漏极与传输线S的另一端相连，第二MOS管M2的源极接地；
第三电感L3的一端连接在传输线S上，第三电感L3的另一端与直流电源Vdd相连；
电容C的一端与第三电感L3的另一端相连，电容C的另一端接地。
进一步地，传输线为微带线，微带线的长度为50um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
在本实施例中，如图2所示，一对交叉耦合的NMOS管提供负电阻，以补偿无源谐振腔的损耗；在太赫兹频段，集总模型不再适用，要考虑无源器件的分布效应和小尺度效应，因此，集成电路制造代工厂所提供的电感模型品质因数Q较低，具有较大的误差。本申请采用微带线作谐振腔，根据微波理论可知，终端短路的一段传输线可表现出电感的特性，不同长度的传输线有不同的等效电感值，本实施例中微带线的长度为50um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω，提供的等效电感值为20pH。为了使振荡器能够起振，晶体管尺寸的选择应使其具有较大的跨导值，示例性的，该交叉耦合的NMOS管对的典型尺寸为：宽度38um，沟道长度65nm。电感L3可以是1/4波长传输线，目的是利用其阻抗变换作用，使得向Vdd(直流电源)视入的阻抗为无穷大，避免产生的信号流向电源，起RF-Choke的作用。
更多的，图3为振荡器电路在偶次谐波下的等效示意图，晶体管产生的信号电流分成了两路，一部分流向片上天线，另一部分则流向晶体管的栅极。为了使信号尽可能多的通过天线向外辐射，应使得流向晶体管栅极的电流最小，即为向晶体管栅极视入的阻抗最大。与晶体管栅极相连接的微带线Lg起该阻抗变换的作用，选择合适长度的微带线，能够使得向晶体管栅极视入的阻抗最大。在本发明实施例中，该段微带线长度的典型值为120um。
在本申请其中一个实施例中，请参阅图4，移相电路包括：第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一可变电容C1、第二可变电容C2、第一负载TL1和第二负载TL2；
第三MOS管M3的栅极作为移相电路的输入端Vin，与一振荡器的输出端相连，第三MOS管M3的漏极与第一负载TL1相连，第三MOS管M3的源极接地；
第四MOS管M4的栅极与第三MOS管M3的漏极和第一可变电容C1的一端相连，第四MOS管M4的漏极与第二负载TL2相连，第四MOS管M4的源极接地；
第五MOS管M5的栅极与第四MOS管M4的漏极和第二可变电容C2的一端相连，第五MOS管M5的漏极作为移相电路的输出端Vout，与另一振荡器的输入端相连，第四MOS管M4的源极接地；
第一可变电容C1和第二可变电容C2的另一端分别接入控制电压Vct，控制电压Vct用于控制相移的大小。
在本申请其中一个实施例中，负载为微带线，微带线的长度为75um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
在本实施例中，图4为移相电路示意图，该移相电路由两级共源谐振放大器构成，每一级的负载(TL1和TL2)为微带线和MOS可变电容(C1和C2)，控制电压Vct接在MOS可变电容(C1和C2)的一端，负载的等效电感和可变电容的容值决定了谐振频率，谐振频率设计为振荡器的基频频率。MOS管M5起缓冲器的作用，以减小对振荡器的频率牵引效应。
在本申请其中一个实施例中，片上天线为贴片天线；
贴片天线的长度为谐振频率处的1/2波长。
请参阅图5图5为片上贴片天线示意图。本申请实施例采用贴片天线辐射太赫兹波。贴片天线可视作终端开路的传输线，其长度大约为谐振频率处的1/2波长，在该频率下，贴片天线两端的电压极性相反，纵向电场抵消，横向电场叠加，形成辐射缝隙。贴片天线的输入阻抗主要由宽度决定，选择合适的宽度，使其输入阻抗为50Ω。CMOS工艺中的顶层金属具有最大的厚度，损耗最小；同时，顶层金属到地层金属之间的电长度最大，贴片天线有最大的带宽，因此用顶层金属作天线的贴片层。在本发明实施例中，贴片天线的尺寸为215um×350um，且在四次谐波下有最小的S11参数，即回波损耗。本申请实施例中的阻抗匹配网络亦视于图中，其包括不同层金属间的通孔和一段长度为60um，宽度为6um的微带线。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本申请所提供的太赫兹波辐射源的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (7)

1.一种太赫兹波辐射源，其特征在于，包括：
多个振荡器、多个移相电路和多个片上天线；
所述多个振荡器和多个移相电路交错相连，且形成闭合回路，每个振荡器的输出端连接一个片上天线，所述振荡器、移相电路和片上天线的数量均相同；
所述振荡器，用于产生基频信号和太赫兹频段的谐波信号，并将基频信号传输给输出端相连的移相电路，将太赫兹频段的谐波信号传输给输出端相连的片上天线，其中：
所述振荡器包括：传输线、第一MOS管，第二MOS管、第一电感、第二电感、第三电感和电容；
所述第一MOS管的栅极与第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端于所述传输线的一端相连，所述第一MOS管的漏极与所述传输线的一端相连，所述第一MOS管的源极接地；
所述第二MOS管的栅极与第一电感的一端相连，所述第一电感的另一端于所述传输线的另一端相连，所述第二MOS管的漏极与所述传输线的另一端相连，所述第二MOS管的源极接地；
所述第三电感的一端连接在所述传输线上，所述第三电感的另一端与直流电源相连；
所述电容的一端与所述第三电感的另一端相连，所述电容的另一端接地；
所述移相电路，用于将输入端接收到的基频信号进行相移，并传输给与输出端相连的振荡器，使所述移相电路输出端和输入端相连的两个振荡器的基频信号的频率和相位均相同；
所述片上天线，用于将相连的振荡器接收到的太赫兹频段的多次谐波信号进行辐射，其中，所述片上天线为贴片天线，所述贴片天线的贴片层为顶层金属，且所述贴片天线的尺寸为215um×350um，在谐波下有最小的回波损耗；
还包括多个阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络由传输线和顶层到地层金属间的通孔组成。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，还包括：多个阻抗匹配网络，每个振荡器的输出端连接一个阻抗匹配网络；
阻抗匹配网络的输入端与振荡器的输出端相连，阻抗匹配网络的输出端与和片上天线相连，用于增大能量传输效率。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述移相电路包括：第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一可变电容、第二可变电容、第一负载和第二负载；
所述第三MOS管的栅极作为所述移相电路的输入端，与一振荡器的输出端相连，所述第三MOS管的漏极与所述第一负载相连，所述第三MOS管的源极接地；
所述第四MOS管的栅极与第三MOS管的漏极和所述第一可变电容的一端相连，所述第四MOS管的漏极与所述第二负载相连，所述第四MOS管的源极接地；
所述第五MOS管的栅极与第四MOS管的漏极和所述第二可变电容的一端相连，所述第五MOS管的漏极作为所述移相电路的输出端，与另一振荡器的输入端相连，所述第四MOS管的源极接地；
所述第一可变电容和所述第二可变电容的另一端分别接入控制电压，所述控制电压用于控制相移的大小。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述振荡器、移相电路和片上天线的数量均为4的倍数。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述传输线为微带线，所述微带线的长度为50um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
6.根据权利要求3所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述负载为微带线，所述微带线的长度为75um，宽度为6um，特征阻抗为50Ω。
7.根据权利要求1所述的太赫兹波辐射源，其特征在于，所述传输线为微带线，所述微带线的长度为60um，宽度为6um。
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