CN114725675A - 一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器 - Google Patents

一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，包括包括天线、第一匹配网络、第一场效应晶体管和负载；所述天线用于接收太赫兹波信号；所述天线引出一个馈电端口，经第一匹配网络连接与第一场效应晶体管的源极连接，第一场效应晶体管串联一个或多个场效应晶体管，在最末端第一场效应晶体管的漏极经探测信号输出点与负载一端连接；所述第一场效应晶体管的源极和栅极、最末端场效应晶体管的栅极以及负载另一端分别连入外部偏置电压。本发明采用多个场效应晶体管串联结构可提高整体探测器的阻抗，其探测输出信号比采用单个场效应晶体管结构的太赫兹波探测器要高，从而增加探测器的信噪比。

Description

一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器
技术领域
本发明涉及太赫兹波探测技术领域，具体地说是一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器。
背景技术
太赫兹(terahertz，THz)波通常是指频率在0.1-10THz范围内波长介于毫米波与远红外之间的电磁波。太赫兹波有许多独特的特点，使其在安全检查、成像、天文观测、生物医学、无损检测、雷达、通信等诸多领域有着广泛应用前景。太赫兹波探测器是研究太赫兹波技术的基础模块。
由于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺具有体积小、易大规模集成等特点,近些年来CMOS太赫兹波探测器被广泛研究。基于CMOS工艺的探测器包含直接探测和外差探测，直接探测将探测到的太赫兹波信号下变频到直流，外差探测将探测的太赫兹波信号下变频到中频。外差探测相比于直接探测灵敏度要高很多，但其需要本振信号使得系统复杂度比直接探测要高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，本发明所涉及的太赫兹波探测器即可用于太赫兹直接探测也可用于太赫兹外差探测，解决现有CMOS太赫兹波探测器信号灵敏度低的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，包括天线、第一匹配网络、第一场效应晶体管和负载；
所述天线用于接收太赫兹波信号；
所述天线引出一个馈电端口，经第一匹配网络连接与第一场效应晶体管的源极连接，第一场效应晶体管串联一个或多个场效应晶体管，在最末端第一场效应晶体管的漏极经探测信号输出点与负载一端连接；
所述第一场效应晶体管的源极和栅极、最末端场效应晶体管的栅极以及负载另一端分别连入外部偏置电压。
还包括：第二匹配网络、第二场效应晶体管以及与其串联的一个或多个场效应晶体管；
所述天线还引出另一个馈电端口，经第二匹配网络连入第二场效应晶体管的源极，所述第二场效应晶体管的漏极串联的一个或多个场效应晶体管，最末端第二效应晶体管的漏极经作为探测信号输出点与负载一端连接；
所述第二场效应晶体管的源极和栅极、与第二场效应晶体管顺次连接的场效应晶体管至最末端第二场效应晶体管的栅极和负载另一端分别连接外部偏置电压。
一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，包括：天线、第三匹配网络、第三场效应晶体管、最末端第三场效应晶体管以及负载；
所述天线引出一个馈电端口，经第三匹配网络连接第三场效应晶体管的栅极，第三场效应晶体管串联一个或多个场效应晶体管，在最末端第三场效应晶体管的漏极经作为探测信号输出点与负载一端连接，并在探测信号输出点处输出探测信号；
所述第三场效应晶体管的源极和栅极、最末端第三场效应晶体管的栅极以及负载另一端分别连接外部偏置电压。
还包括：第四匹配网络、第四场效应晶体管以及与其串联的一个或多个场效应晶体管；
所述天线还引出另一个馈电端口，经第四匹配网络连入第四场效应晶体管的栅极，所述第四场效应晶体管的漏极串联的一个或多个场效应晶体管，最末端第四效应晶体管的漏极经作为探测信号输出点与负载一端连接；
所述第四场效应晶体管的源极和栅极、与第四场效应晶体管顺次连接的场效应晶体管至最末端第四场效应晶体管的栅极和负载另一端分别连接外部偏置电压。
所述天线为缝隙天线、微带天线、喇叭天线、偶极子天线、环形天线、蝶形天线和对数周期天线中的任意一种。
所述匹配网络为单个传输线段、并联短截线、串联短截线、双短截线、共面波导和螺旋电感中的任意一种。
所述负载为电阻、电感、电流源和采用场效应晶体管组成共源共栅电流源中的任意一种。
所述场效应晶体管为金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管和异质结场效应晶体管中的任意一种。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用多个场效应晶体管串联结构可提高整体探测器的阻抗；
2.本发明中的探测输出信号比采用单个场效应晶体管结构的太赫兹波探测器要高，从而增加探测器的信噪比。
附图说明
图1是本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例1示意图；
图2是本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例2示意图；
图3是本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例3示意图；
图4是本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例4示意图；
图5是本发明的负载采用场效应晶体管组成共源共栅电流源结构实施例1示意图；
图6是本发明的负载采用场效应晶体管组成共源共栅电流源结构实施例2示意图；
其中，1为天线，2为第一匹配网络，3为第一场效应晶体管，4为最末端第一场效应晶体管，5为探测信号输出点，6为负载，7为第一场效应晶体管的栅极，8为最末端第一场效应晶体管的栅极，9为负载的端口，10为天线，11为第三匹配网络，12为第三场效应晶体管，13为最末端第三场效应晶体管，14为探测信号输出点，15为负载，16为第三场效应晶体管的源极，17为最末端第三场效应晶体管的栅极，18为负载的端口，19为天线，20第一匹配网络，21为第二匹配网络，22为第一场效应晶体管，23为第二场效应晶体管，24为最末端第一场效应晶体管，25为最末端第二场效应晶体管，26为探测信号输出点，27为第一场效应晶体管的栅极，28为第二场效应晶体管的栅极，29为最末端第一场效应晶体管的栅极，30为最末端第二场效应晶体管的栅极，31为负载，32为负载的端口，33为天线，34为第三匹配网络，35为第四匹配网络，36为第三场效应晶体管，37为第四场效应晶体管，38为最末端第三场效应晶体管，39为最末端第四场效应晶体管，40为探测信号输出点，41为第三场效应晶体管的源极，42为第四场效应晶体管的源极，43为最末端第三场效应晶体管的栅极，44为最末端第四场效应晶体管的栅极，45为负载，46为负载的端口，47和48为场效应晶体管，49为47的栅极，50为48的栅极，51、52、53和54为场效应晶体管，55为51的栅极，56为52的栅极，57为53的栅极，58为54的栅极。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例1示意图。
本发明的太赫兹探测器可用于直接探测也可用于外差探测。当应用于直接探测时，天线1接收太赫兹波，天线可为缝隙天线、贴片天线(微带天线)、喇叭天线、偶极子天线、环形天线、蝶形天线、对数周期天线中的一种。天线1引出一个馈电端，对于环形天线、偶极子天线或蝶形天线等为双端口馈电的天线来说，可经由巴伦转换成单端馈电或者将其中一个端口置地，另一个端口作为馈电端。天线1经过匹配网络2连接到场效应晶体管3的源极，场效应晶体管将太赫兹波下变频为直流电流，场效应晶体管3连接一个或多个场效应晶体管以增加整体探测结构的阻抗值，在5处输出探测信号。匹配网络2的作用是将天线接收到的太赫兹波信号最大化地传输给场效应晶体管3。匹配网络3可为单个传输线段、并联短截线、串联短截线、双短截线、共面波导或螺旋电感中的一种。负载6的作用是为了给场效应晶体管提供合适的电压偏置点，以使场效应晶体管工作在合适的状态。负载可为电阻、电感、电流源或采用场效应晶体管组成共源共栅电流源中的一种。7、8点外接合适的电压偏置以使场效应晶体管工作在合适的状态。为了使探测器正常工作，场效应晶体管3的源极也需要偏置在合理的直流电压下，可采用通过天线连接外置偏压或者通过采用传输线连接外置偏压，所述传输线的特点需要对太赫兹信号形成高阻抗。
当应用于外差探测时，天线1同时接收太赫兹波信号和本振信号，场效应晶体管3和4作为混频器，在5处输出中频信号。
如图2所示为本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例2示意图。
同样，本实施例可用于直接探测也可用于外差探测。其结构与实施例1类似，但与实施例1不同的是，本实施例将天线10接收到的太赫兹信号经由匹配网络11传输到了场效应晶体管12的栅极，其余结构与实施例1相同。16、17、18外接偏置电压使场效应晶体管工作在合适的状态。场效应晶体管12的栅极也需要偏置在合理的直流电压下，可采用通过天线连接外置偏压或者通过采用传输线连接外置偏压，所述传输线的特点需要对太赫兹信号形成高阻抗。
当应用于外差探测时，天线10同时接收太赫兹波信号和本振信号，场效应晶体管12和13作为混频器，在14处输出中频信号。
如图3所示为本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例3示意图。
本发明的太赫兹探测器可用于直接探测也可用于外差探测。当应用于直接探测时，天线19接收太赫兹波，天线可为缝隙天线、贴片天线(微带天线)、喇叭天线、偶极子天线、环形天线、蝶形天线、对数周期天线中的一种。天线19引出两个馈电端，对于喇叭天线等为单端口馈电的天线来说，可经由巴伦转换成双端馈电。天线19经过匹配网络20和21分别连接到场效应晶体管22和23的源极，场效应晶体管将太赫兹波下变频为直流电流，场效应晶体管22和23分别连接一个或多个场效应晶体管以增加整体探测结构的阻抗值，场效应晶体管24和25漏极相连与26，并在26处输出探测信号。匹配网络的作用是将天线接收到的太赫兹波信号最大化地传输给场效应晶体管。匹配网络可为单个传输线段、并联短截线、串联短截线、双短截线、共面波导或螺旋电感中的一种。负载31的作用是为了给场效应晶体管提供合适的电压偏置点，以使场效应晶体管工作在合适的状态。负载可为电阻、电感、电流源或采用场效应晶体管组成共源共栅电流源中的一种。27、28、29、30外接合适的电压偏置以使场效应晶体管工作在合适的状态。为了使探测器正常工作，场效应晶体管22和23的源极也需要偏置在合理的直流电压下，可采用通过天线连接外置偏压或者通过采用传输线连接外置偏压，所述传输线的特点需要对太赫兹信号形成高阻抗。
当应用于外差探测时，天线19同时接收太赫兹波信号和本振信号，场效应晶体管22、23、24和25作为混频器，在26处输出中频信号。
如图4所示为本发明的基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器实施例4示意图。
同样，本实施例可用于直接探测也可用于外差探测。其结构与实施例3类似，但与实施例3不同的是，本实施例将天线33接收到的太赫兹信号经由匹配网络34和35分别传输到了场效应晶体管36和37的栅极，其余结构与实施例1相同。41、42、43、44和46外接偏置电压使场效应晶体管工作在合适的状态。场效应晶体管36和37的栅极也需要偏置在合理的直流电压下，可采用通过天线连接外置偏压或者通过采用传输线连接外置偏压，所述传输线的特点需要对太赫兹信号形成高阻抗。
如前所述，负载可为电阻、电感、电流源或采用场效应晶体管组成共源共栅电流源中的一种。当负载为采用场效应晶体管组成共源共栅电流源时，有两种实施方案：
如图5所示是本发明的负载采用场效应晶体管组成共源共栅电流源结构实施例1示意图。场效应晶体管47的源极连接输出端5、14、26、40串联一个或几个场效应晶体管，47的栅极以及场效应晶体管48的栅极和漏极分别连接外部偏置电压。
如图6所示是本发明的负载采用场效应晶体管组成共源共栅电流源结构实施例2示意图。其由四个或四个以上场效应晶体管组成；场效应晶体管51和52的源极相连，并连接输出端5、14、26、40，51和52分别串联一个或几个场效应晶体管，场效应晶体管53和54的漏极相连，并连接9、18、32、46，51的栅极、52的栅极、53的栅极、54的栅极以及53与54漏极连接处9、18、32、46分别连接外部偏置电压。
所述场效应晶体管为金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管或异质结场效应晶体管中的一种。

Claims (8)

1.一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，包括天线(1)、第一匹配网络(2)、第一场效应晶体管(3)和负载(6)；
所述天线用于接收太赫兹波信号；
所述天线(1)引出一个馈电端口，经第一匹配网络(2)连接与第一场效应晶体管(3)的源极连接，第一场效应晶体管(3)串联一个或多个场效应晶体管，在最末端第一场效应晶体管(4)的漏极经探测信号输出点(5)与负载(6)一端连接；
所述第一场效应晶体管(3)的源极和栅极、最末端场效应晶体管(4)的栅极以及负载另一端(9)分别连入外部偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括：第二匹配网络(21)、第二场效应晶体管(23)以及与其串联的一个或多个场效应晶体管；
所述天线(1)还引出另一个馈电端口，经第二匹配网络(21)连入第二场效应晶体管(23)的源极，所述第二场效应晶体管(23)的漏极串联的一个或多个场效应晶体管，最末端第二效应晶体管(25)的漏极经作为探测信号输出点与负载(6)一端连接；
所述第二场效应晶体管(23)的源极和栅极、与第二场效应晶体管(23)顺次连接的场效应晶体管至最末端第二场效应晶体管(25)的栅极和负载另一端(9)分别连接外部偏置电压。
3.一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，包括：天线(10)、第三匹配网络(11)、第三场效应晶体管(12)、最末端第三场效应晶体管(13)以及负载(15)；
所述天线(10)引出一个馈电端口，经第三匹配网络(11)连接第三场效应晶体管(12)的栅极，第三场效应晶体管(12)串联一个或多个场效应晶体管，在最末端第三场效应晶体管(13)的漏极经作为探测信号输出点(14)与负载(15)一端连接，并在探测信号输出点(14)处输出探测信号；
所述第三场效应晶体管(12)的源极和栅极、最末端第三场效应晶体管(13)的栅极以及负载另一端(18)分别连接外部偏置电压。
4.根据权利要求3所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括：第四匹配网络(35)、第四场效应晶体管(37)以及与其串联的一个或多个场效应晶体管；
所述天线(10)还引出另一个馈电端口，经第四匹配网络(21)连入第四场效应晶体管(37)的栅极，所述第四场效应晶体管(37)的漏极串联的一个或多个场效应晶体管，最末端第四效应晶体管(39)的漏极经作为探测信号输出点与负载(15)一端连接；
所述第四场效应晶体管(37)的源极和栅极、与第四场效应晶体管(37)顺次连接的场效应晶体管至最末端第四场效应晶体管的栅极(44)和负载另一端(18)分别连接外部偏置电压。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述天线为缝隙天线、微带天线、喇叭天线、偶极子天线、环形天线、蝶形天线和对数周期天线中的任意一种。
6.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述匹配网络为单个传输线段、并联短截线、串联短截线、双短截线、共面波导和螺旋电感中的任意一种。
7.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述负载为电阻、电感、电流源和采用场效应晶体管组成共源共栅电流源中的任意一种。
8.根据权利要求1～4任一项所述的一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器，其特征在于，所述场效应晶体管为金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管和异质结场效应晶体管中的任意一种。
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