CN1809760A

CN1809760A - 高频电信号控制器和感测系统

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Publication number: CN1809760A
Application number: CN200480017681.7A
Authority: CN
Inventors: 尾内敏彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005020304A; JP4012125B2; CN1809760B

Abstract

一种高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的发射器、一个接收器、一个传播电信号的传输线和一个向空间辐射通过传输线传播的电信号或从空间接收信号的构件。所述构件提供的在空间与传输线之间的电信号的耦合度可以是可变地受控的。

Description

高频电信号控制器和感测系统

技术领域

本发明与产生主要在毫米波到兆兆赫波范围内的高频电信号的高频电信号控制器和使用这种控制器的感测系统有关。

背景技术

近年来，业已开发了一种使用从毫米波到兆兆赫波(频率在30GHz到30THz)范围内的电磁波的无损感测技术。就使用这个频带的电磁波的技术来说，开发的有一种用安全的穿透检查系统代替X射线系统实现成像的技术和一种获得在物质内部的吸收谱或复合介电系数以评估原子的键合状态或载流子的浓度或迁移率的技术。此外，就使用毫米波的技术来说，开发的有一种用于频率在70GHz频带内的防撞雷达的位置感测技术。

例如，就二维成像系统来说，有一个已提出的实例，其中系统用作为分立组件的毫米波产生器、辐射毫米波的天线、接收单元、毫米波传播通路等配置(参见日本专利申请公报No.2001-050908)。图8示出了这种系统。这种系统设计成通过天线112向空间辐射正弦毫米波产生器102产生的毫米波116，而具有强度分布的毫米波116被电光晶体110接收后用来自激光器104的激光束读取。此时，用同步波检测技术检测由于试样物体113的介电常数差异而引起的毫米波的相位差，从而可以获得高S/N比的穿透成像。

另一方面，就位置感测技术来说，正在开发的有为测量前、后车辆之间的距离的车载毫米波雷达。就其提出的例子来说，有一个用非辐射介质线(NRD)构造成如图9所示的模块形式的收发机(参见日本专利申请公报No.2000-022424)。在这个例子中，毫米波振荡器输出的毫米波通过NRD 221传播，再通过环行器219和耦合器212、211抵达配置在可移动部分231内的主辐射体213，被配置在主辐射体213上方的喇叭天线(未示出)接收。在这样的连接中，可以将可移动部分231驱动成对于毫米波的幅射方向角执行扫描。毫米波被同一个喇叭天线接收后，通过环行器219，在耦合器223内与用耦合器221从振荡器输出中分流出的一部分毫米波混合。用这样的方式，接收所关注的毫米波。由上可见，可以构成这种能使检测方向可变的毫米波模块。

发明内容

最近几年来，普遍使用的小型便携模块在诸如穿透成像和位置感测中现在已经成为必需的，因为预期可以用这样的模块作为简单检查各种材料和活体信息的器件和作为信息设备内的定位器(例如，用这种模块作为检测笔型输入单元的空间位置的器件)。

在这种情况下，如图8所示的常规例子那样用分立元件构成的系统尺寸就较大。此外，在执行二维成像的方法中，波束被扩展以共同执行测量，达到高速操作。然而，由于必须增大毫米波输出，这种方法在功耗上存在问题。此外，在图9所示构造成模块形式使波束扫描可以用NRD执行的收发机的情况下，这个问题得到解决。然而，这要求制造NRD的精度和与耦合器、环行器等一起的安装位置精度都很高。结果，存在收发机成本高因此不适合大量生产的问题。此外，由于必须用马达以执行波束扫描，这就成为节能和小型化的障碍。

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种用主要在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波执行感测之类的高频电信号控制器，这种高频电信号控制器可以很容易构造成一个低功耗的小型便携式集成模块的形式，以及提供一种使用这种高频电信号控制器的感测系统。

按照本发明所设计的高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的产生器，用作将激光束变换成频率比激光束的低的电磁波的单元，这个产生器与一个产生激光束的诸如半导体激光器或固态激光器之类的激光器、一个传播激光束将激光束引导到所述产生器的光波导和一个传播信号的传输线一起配置(集成)在同一个基底上。按照具有这种结构的高频电信号控制器，可以很容易得到一种诸如模块之类的结构，其中将诸如小型半导体激光器之类的激光器和将激光束引导到产生器的光波导与产生器和传播产生器所产生的信号的传输线一起集成在同一个基底上。而且，还可以得到将一个检测器和一个将信号传播给检测器的传输线也集成在这同一个基底上的形式。此外，还可以得到用同一个构件形成一个构成光波导的介质构件和一个构成传输线的介质绝缘层的形式。在这个例子中，由于用同一个构件形成光波导和传播信号的传输线，因此可以很容易提供一种制造方便成本较低的小型模块。而且，在配置了一个检测器和一个天线的情况下，可以在任何场合对诸如半导体、有机物和活体之类的所有试样简单地执行透射/反射测量，从而可以用接触或非接触方式检查介电常数、载流子浓度分布之类，可以执行对DNA、蛋白质之类的检验、鉴定、安全检查等。

按照本发明所设计的高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的发射器、一个接收器、一个传播电信号的传输线和一个向空间辐射通过传输线传播的电信号或从空间接收信号的构件，其中，所述构件所提供的在空间与传输线之间的电信号耦合度是可以可变地控制的。此外，按照本发明所设计的一种高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的发射器、一个接收器、一个传播电信号的传输线和一个向空间辐射通过传输线传播的电信号或从空间接收信号的构件，这个构件具有一个可移动部分，可以用偏转方式控制向空间辐射的电磁波的方向性。按照本发明的控制器的结构，将可用于形成传输线之类的微波集成电路(MIC)技术和可用于形成可变地控制电信号的耦合度的装置、构件的可移动部分等的微型机电系统(MEMS)技术扩展到毫米波到兆兆赫波的范围，为了应用而融合，从而使控制器可以小型化。

从以上所提到的基本结构可见，如下面要说明的这种高频电信号控制器是可行的。

可以采用的一种结构是将一个天线配置成如以上所提到的构件，使得通过天线辐射或接收的电磁波的强度或方向可以改变。此外，还可以采用的一种结构是以上所提到的传输线是由一个形成以上所提到的构件的平面电路构成的微带线或共面线(共面带状线)。就一个典型实例来说，作为平面电路在一个基底上形成微带线和共面线等，在这个平面电路内可以用光刻技术之类高精度形成一个将高频信号从发射器传播给接收器的传输线，而将一个向空间辐射/从空间接收电磁波的薄膜天线等集成在同一个平面电路上。

此外，还可以采用的一种结构是平面电路上形成一个接通/断开电接触点的可移动部分，使得构件与空间之间的信号耦合度可以由这个可移动部分可变地控制。也就是说，在同一个平面电路上集成微型接触开关等，用作控制与天线的耦合比的装置。按照这个开关的接通/断开控制对天线馈送电功率。

此外，以上所提到的传输线是一个作为具有一个矩形或圆形的空腔的三维构件的波导，而以上所提到的天线是一个具有类似空腔的喇叭天线。于是，可以将控制器构造成可以执行改变喇叭天线的输入部分与波导之间的位置关系以改变耦合度的操作和改变喇叭天线的输出单元的方向以执行为向空间辐射的电磁波的方向性扫描的操作这两种操作中至少一种操作。也就是说，可以采用MEMS技术使本身形成有天线的这个构件运动，从而还可以对电磁波的幅射或接收执行强度控制和方向性控制。这是通过使一个可以振动和转动的构件运动，或者例如通过按照静电方法、电磁方法之类使喇叭天线滑动来实现的。

此外，控制器可以构造成在以上所提到的天线的一个表面上集成一个光子晶体或透镜，以通过一个窄发射角发射具有高方向性的电磁波。

此外，还可以采用的一种结构是将一个环行器集成在传输线内，使电信号可以在接到传输线上的发射器、接收器和构件之间沿一个方向流动。而且，还可以采用的一种结构是将发射器和接收器集成在同一个基底上。

此外，还可以采用的一种结构是产生高频电信号的发射器用来将一个脉冲激光束照射到两个配置在一个光电导膜的表面上的加有电压的导体之间的间隙上，而接收器从在同一个结构内这两个导体之间流动的电流得到一个电信号，但只是在同一个脉冲激光束的一部分照射到接收器的两个导体之间的间隙上时才可以执行接收，允许控制波束延迟量的装置配置在将脉冲激光束引导到接收器的光通道的中间。在这样的方式中，就发送/接收高频信号来说，除了包括使用一个诸如异质结双极型晶体管(HBT)或肖特基势垒二极管(SBD)之类的半导体电子器件的方法之外，还有一种将短脉冲激光束照射到一个光电导开关器件上以产生和检测短脉冲电信号的方法。

在上述情况中，典型的是用在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THz)范围内的一个频率作为高频电信号的频率。

此外，按照本发明所设计的高频感测系统的特征是用以上所提到的高频电信号控制器控制电磁波通过空间的传播，以无线检查一个对象的表面或内部的组成部分、介电常数分布状态、位置信息之类。结果，可以实现具有以上所提到的高频电信号控制器的大部分特征的感测系统。

附图说明

图1A、1B和1C为说明按照本发明所设计的高频电信号控制器的第一实施例的集成模块的结构的视图；

图2A和2B为示出在第一实施例内的开关处在断开状态时电磁波分析例的视图；

图3A和3B为示出在第一实施例内的开关处在接通状态时电磁波分析例的视图；

图4A和4B为说明按照本发明所设计的高频电信号控制器的第二实施例的集成模块的结构的视图；

图5A和5B为说明按照本发明所设计的高频电信号控制器的第三实施例的集成模块的结构的视图；

图6为说明按照本发明所设计的高频电信号控制器的第四实施例的集成模块的结构的透视图；

图7A和7B为示出在按照本发明所设计的第四实施例的集成模块内控制电磁波束的方向性的例子的透视图；

图8为示出一个传统的毫米波二维成像系统的例子的示意图；

图9为示出一个传统的毫米波雷达系统的收发单元的例子的示意图；

图10为按照本发明所设计的第五实施例的集成模块的结构的透视图；

图11A、11B、11C和11D为说明在包括制造图10所示集成模块的方法中的一些过程的示意图；

图12为一个兆兆赫产生器的例子的剖视图；

图13为一个兆兆赫检测器的例子的剖视图；

图14为按照本发明所设计的第六实施例的集成模块的结构的透视图；

图15为按照本发明所设计的第七实施例的集成模块的结构的透视图；以及

图16A和16B为说明按照本发明所设计的第八实施例的感测系统的透视图。

具体实施方式

以下将结合附图通过给出一些实施例具体说明本发明的一些具体实现方式。应当指出的是，在这里所给出的材料、结构、器件等并不是限制性的。

第一实施例

图1A至1C示出了按照本发明所设计的第一实施例。在第一实施例中，如图1A所示，在同一个模块3上微带线5的中间形成蝴蝶结型薄膜天线4A和4B，而微带线5与该天线之间的连接用一个微型接触开关6控制。虽然发射器1和接收器2如图1A所示以混合方式集成在同一个模块内，但也可以采用发射器1和接收器2连接到外部发射器或接收器的形式。就发射器来说，例如可以使用一个微波和毫米波的振荡电路，其中用一个异质结双极型晶体管(HBT)作为放大器。可以用一个肖特基势垒二极管(SBD)作为高速接收器。如沿图1A的线1B-1B切剖的剖视图1B所示，微带线5构造成使得在基底10上形成一个用Ti/Au之类形成的接地面9而在绝缘体8上形成用Ti/Au形成的微带线(传输线图案)5。

就基底10的材料来说，可以用Si、玻璃陶瓷、AIN之类。就绝缘体8的材料来说，可以用通过将BCB树脂、聚硅烷、聚酰亚胺之类的材料通过旋涂工艺加到基底上再加以固化而得到的材料。微带线5和薄膜天线4a和4b的图案可以用利用光刻技术的剥离方法简单地在绝缘体8上形成。要注意的是，在形成薄膜天线4a和4b前，先要形成一个通孔电极11，以便与接地面9接触。就接触开关6来说，如沿图1A的线1C-1C切剖的剖视图1C所示，集成一个具有悬臂结构的静电驱动型开关。30V的电压加到驱动接线7上，使得电极12与接触开关6由于静电吸引力而相互吸引。结果，就可将薄膜天线4b接到微带线5上。

在接触开关6保持在断开状态时，发射器1的大部分输出抵达接收器2，因此可以在不向外部发送信号的情况下进行初始设置之类。接触开关6接通后，一部分信号按照薄膜天线4a和4b的反射/发射特性发射到外部通过空中传播。其中有一部分抵达接收器2，而另一部分返回到发射器1。此外，从外部传来的电磁波或者从这个模块发射的经反射后返回的电磁波可以被薄膜天线4a和4b接收，耦合给微带线5，由接收器2接收。薄膜天线4a和4b与微带线5之间的耦合率也可以根据直接配置在天线下的接地面9的形状改变。

对于微带线图案，以下这些设计例子是可行的。在500μm厚10mm×25mm的Si基底10上形成Ti/Au(50nm/450nm)电极9，再隔着10μm厚的绝缘层(聚硅烷)8(它的相对介电常数ε_r＝2.8)在Ti/Au(50nm/450nm)电极9上方形成25μm宽的微带线5。在这种情况下，可以得到一条50Ω的匹配线。图2A、2B和图3A、3B示出了在薄膜天线4a和4b的形状都采用底为800μm的等腰直角三角形时传播100GHz的电磁波分析例。在这些图中，左侧与输入端口相应，右侧与输出端口相应。它们各有一个50Ω的终端。图2A和2B示出了在接触开关6保持断开时的状态。从图2A的电流分布图可见，几乎全部信号都抵达右侧输出端口，因为没有电功率提供给薄膜天线4a和4b。图2B示出了天线辐射图。从图2B可见，有一定量的不对称的泄漏电场。另一方面，图3A和3B示出了在接触开关6保持接通时的状态。从图3A可见，电功率提供给薄膜天线4a和4b，因此抵达右侧输出端口的信号的幅度很小。此外，从示出天线辐射图的图3B可见，辐射的是方向性对称的电磁波。

采用如上所述的非常小的模块(在上面所提到的数值示例中为10mm×25mm左右)，高频信号与空间耦合的状态可以通过用电压信号接通/断开接触开关6改变。可以在便携式设备之类的无线模块内适当地使用这种模块，以增大无线模块设计的自由度。

在这个实施例中，以蝴蝶结型天线作为一个例子。然而，如在以下实现方式中所说明的那样，也可以使用任何薄膜天线，如偶极天线、补片天线、缝隙天线、螺旋天线、对数周期天线，或者为了得到宽带、八木、喇叭天线之类将多个这样的天线排列而成的天线。特别是，由于在产生一个高频脉冲时必须得到宽的频带，可以使用适合这种情况的类型的天线。此外，还可以采用将GaAs或InP用作基底材料而将诸如HBT和SBD之类的高速电子器件单片集成的形式。

第二实施例

在第一实施例的结构中，可能不执行信号控制，因为有时根据频带电磁波被传输线或天线反射。本实施例旨在用环行器控制信号的流动。图4A和4B所示的这个实施例用环行器22和26将来自发射器1的信号限制成流向天线23和将来自天线23的信号限制成流向接收器2。从天线23至接收器2的信号是一个由通过反射来自发射器1的信号而产生的电磁波与从外部接收到的电磁波构成的复合信号。注意，从接收器2至发射器1的信号没有示出，因为它很弱。如图4B这个剖视图所示，这个环行器是通过将一个铁氧体片26埋置在环行器22内构成的。

在这个实施例中，双补片天线23和27用作发射/接收高频脉冲的天线，以得到一个宽的频带。在这种情况下，如图4B这个剖视图所示，尺寸不同的补片天线23和27垂直叠置，相互连接。天线的结构也可以如在第一实施例中所说明的，并不局限于这种结构。传输线20和21与第一实施例中的类似，形成为50Ω匹配线，在传输线20上配置了一个用于信号控制的机械开关24。传输线20在配置机械开关24的部分断开，它的断开部分按照开关24的接通/断开而闭合/打开。与第一实施例类似，适当的电压加到电极25上，使开关24接通/断开，以允许控制从补片天线23和27幅射电磁波。其他方面与第一实施例的相同。

第三实施例

图5A和5B示出了这个实施例的结构。在上面所提到的两个实施例中，仅对从天线幅射电磁波执行接通/断开控制，在以电磁波形式辐射信号时提供给天线的信号的幅度是固定的。然而，在这个实施例中，可以移动制成小型的喇叭天线34，来控制信号提供程度，以改变所辐射的电磁波或所接收的电磁波的强度。

传输线30和31、发射器1和接收器2与第二实施例中的相同。此外，在第二实施例中用环行器控制信号的流动，而在这个实施例中用定向耦合器35和电阻器32来限制将来自发射器1的信号直接传播给接收器2。它的隔离比可以根据电阻器32的电阻值、定向耦合器35的形状之类控制。在这种情况下，将一个来自天线的反射分量返回到发射器。因此，在需要限制该反射分量的情况下，可以将这些器件用一个环行器代替，也可以在发射器1前配置一个隔离器。

具有补片天线形状的主辐射体36配置在定向耦合器35的一端。将来自主辐射体36的电磁波向空间辐射的具有强方向性的喇叭天线34通过孔33与主辐射体36耦合。在这种情况下，可以在基底内形成一种波导结构来代替微带线，而在与喇叭天线34耦合的部分开一个孔。

如图5B所示，喇叭天线34构造成在一个块状体内具有一个喇叭形的空心部分。实际上，制备两个构件，每个构件通过在通过表面处理制作的树脂或Si构件的内壁上用真空蒸发方法淀积Au之类形成。然后，将这两个构件粘附在一起，形成喇叭天线34。如果喇叭天线34如图5A所示设计成可在集成模块3上移动(沿双箭头所示方向)，那么就可改变通过孔与主辐射体36耦合的效力。结果，就可以调整从天线34辐射的电磁波的强度或天线34接收电磁波的灵敏度。作为驱动这个块状天线34的方法，可以使用静电方法、用磁铁的电磁方法、超声波方法等。此外，如果控制喇叭天线34使它绕孔33转动，就可以使电磁波的波束方向偏转，同时使耦合度保持几乎不变。

第四实施例

按照本发明所设计的第四实施例如图6所示，在一个由一对扭簧之类支持的介质构件57上形成螺旋天线50，使得螺旋天线50可以被驱动成绕扭簧之类的轴转动，用螺旋天线50执行波束扫描。传输线、发射电路和接收电路可以与在上面所提到的实施例中的相同。然而，在这个实施例中，使用了一个共面带状线，其中在基底55上形成的绝缘层56的表面上形成两个导体51和52，以允许执行推挽驱动。

如图6所示，馈给螺旋天线50的电功率是通过介质构件57的转动驱动支持部分从导体51和52得到的。介质构件57可以用电磁驱动方法之类以特定的频率振动，执行利用来自螺旋天线50的电磁波束的扫描。在要增强方向性时，如图7A所示，需在介质构件57上再集成一个用聚四氟乙烯、Si之类制成的半球面透镜40。或者，若如图7B所示集成一个光子晶体41，由于晶石准直效应从而可以得到一个方向性很强的波束。光子晶体41可以用层叠各具有多排Si杆的多层以使得各层的形成为宽度为波长量级(例如1mm左右)的线条的各排Si杆相互垂直的结构形式实现。

此外，为了发射和接收高频脉冲信号，可以采用一种用短脉冲激光器58接通/断开光电导开关59的方法。也就是说，利用这样一种现象：通过低温生长形成的不掺杂GaAs层53通常具有高的电阻，只是在有激光束照射到光电导开关59的间隙上时，在不掺杂的GaAs层53内才产生光生载流子，从而如果在间隙两端加有一个电压46就会立刻引起电流流动，产生一个高频脉冲。如果来自脉冲激光器58的脉冲的宽度设置为100fsec左右，这个脉冲就可以变换为一个脉冲宽度为约0.4psec的电磁波脉冲，导致辐射频率在THz范围的电磁波。就脉冲激光器58来说，用钛蓝宝石制成的锁模激光器容易操作，因为它具有很高的可控性。然而，在认为便携性重要的情况下，从小型化来看可以使用半导体锁模激光器。

在接收侧，通过导体51和52传播的高频脉冲被结构与光电导开关59相同的光电导开关60接收。此时，在光束分离器62内分出的经反射镜63反射的激光束照射到接收侧的光电导开关60的间隙上，使得仅在有激光束照射的一段时间内可以观察到呈现为电流45形式的高频脉冲信号。为了隔离产生高频脉冲这侧的直流电压，光电导开关60与共面带状线的导体52隔开。在这里，短脉冲激光束的延迟量由光延迟单元61控制，从而可以在对高频脉冲的信号波形采样时观察该信号波形。如果加到产生高频脉冲这侧的光电导开关59上的电压用一个要在接收侧同步检测的正弦波信号调制，就可以实现高灵敏度的测量。在这个实施例中，也可以将在第一实施例中所说明的机械开关集成在线51和52之一的在光电导开关59与螺旋天线50之间的部分中，以对信号执行接通/断开控制。

这种用电脉冲的发射/接收在无线感测系统、高速通信之类内作为宽带无线技术即所谓的超宽带(UWB)技术正处在开发过程中。本发明的控制器可有效地应用于这种UWB系统。

在上面所提到的各个实施例中，说明了用在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波实现感测之类的微型集成模块的结构。这种集成模块可以作为便携性更为优异的器件用于对物质的二维透射或反射成像、短距离位置感测雷达之类的领域，如在有关技术例子中所说明的。在用这种器件作为成像设备的情况下，可以将一个能在任何不需要安装空间的场合方便地进行检查的系统配置为对人的携带物进行安全检查的系统、检查IC卡的系统、指纹检测器或诊断血流、皮肤、眼睛之类的医疗保健诊断系统。此外，在这种器件用作位置感测设备的情况下，可以将这种器件配置成包含在便携式设备内，从而可以应用于显示器、计算机之类、遥控设备或用于游戏之类的定位器的无线输入单元。

第五实施例

按照本发明所设计的第五实施例是将两个执行两波长混合的半导体激光器、一个光波导、一个兆兆赫产生器、一个传播兆兆赫波的传输线和一个兆兆赫检测器集成在一个基底上，即安装在一个共同的基底上。图10示出了这个集成模块的透视图。

在半绝缘的GaAs基底301上形成具有感光性的绝缘树脂302。通过光刻处理，使绝缘树脂302只有一个与Y形分支光波导304相应的区域的折射率大于周边区域的折射率。作为绝缘树脂302的材料例如可以使用感光聚硅烷(商品名为Glasia(NIPPON PAINT公司出品))。除了这种材料之外，诸如BCB或聚酰亚胺之类的具有感光性的光学树脂也都可以用来制作光波导和电绝缘层。

AlGaAs/GaAs串联分布反馈(DFB)型半导体激光器303a和303b以混合方式安装。半导体激光器303a和303b都可执行单模振荡，各具有多电极结构。因此，用半导体激光器303a和303b中每一个，都可使波长连续改变2nm左右，而光输出没有大的改变。应该使用具有不同衍射光栅间距的一个单元，使得两个半导体激光器303a和303b的振荡中心波长预先相差1THz左右。而且，通过检测部分波束以用注入的电流执行反馈控制，使两个半导体激光器303a和303b的振荡波长之差保持稳定。在半导体激光器303a和303b的波段(830nm波段)，波长和频率之间的转换因子大约为4.35×10¹¹(Hz/nm)。为了产生1THz的拍频，必需要有2.3nm左右的波长差。作为对所关注的波长的反馈控制，例如，在锁相环(PLL)控制中，必需进行利用分频器和合成器的偏置锁定。由于偏置量与上述拍频相应，因此电磁波的振荡产生的频率由合成器确定。虽然原则上可以产生所有的拍频，但考虑到锁定范围和半导体激光器的谱线宽度(10MHz左右)，判定拍频在几十MHz到10THz左右的范围内。在这个实施例中，可以执行从100GHz到3THz的连续调谐。

从相应半导体激光器303a和303b发射的激光束以所传播的光束313a和313b形式传播，通过光电导开关加到兆兆赫产生器306上。此时，由于所传播的光束313a和313b是通过叠加在基底301上的Y形分支光波导304传播的，因此保持了半导体激光器303a和303b发射的激光束的极化。这样，就不需要极化调整措施。光电导开关由一层通过低温(约20℃)生长不掺杂的GaAs形成的薄膜307构成，通常具有优异的绝缘性能。于是，即使有30V左右的电压从直流电压源310加到两个导体305和317上，也没有电流流过光电导开关。施加了激光束后，产生光生载流子，使电流流过光电导开关。在这种情况下，光生载流子受到以上提到的拍频调制，产生与拍频相应的电磁波314。电磁波314通过在绝缘树脂302上形成的导体305和317传播。这里，假设例如导体305和317的宽度都为30μm，而导体305与317的间距为200μm。注意，兆兆赫产生器306的间隙部分316假设为5μm宽。

图12示出了光电导开关另一形式的沿线12-12切剖的剖视图。为了采用波导型的光电导开关以增强光吸收效率，在基底301上依次生长一个AlGaAs(Al的成分为0.3)层330和一个不掺杂的GaAs层331。然后，有选择地将GaAs层331蚀刻成宽度为10μm左右，然后在得到的GaAs层331两侧掩埋一个绝缘层332。此外，将电极334a和334b配置成隔着间隙333相对。与如图10中所示的配置GaAs块状层的情况相比，在这种形式中转换效率得到增强。此外，作为又一种形式，可以通过使用一个非线性晶体增强基于拍频产生电磁波314的效率。

检测器308(在图10中示为在半导体层309上形成的)以电信号311的形式得到所传播的兆兆赫波314。如沿图10中的线13-13切剖的剖视图13所示的肖特基势垒二极管用作检测器308。这个肖特基势垒二极管包括一个在半绝缘GaAs基底301上生长的n型GaAs层340上形成的AuGe/Ni/Au电极341、一个形成为直径等于或小于2μm的通孔电极的点接触部分343、一个肖特基电极342和一个绝缘层344。肖特基电极342和点接触部分343都是用Ti/Pt/Au形成的。用检测器308可以检测的频率为1THz左右。注意，如图10所示，导体305和317与电极308是隔离的。

作为感测对象的试样312放在具有以上所提到结构的集成模块上(它的长度和宽度为毫米级)。在兆兆赫波314通过导体305和317传播时，电磁波(损耗波)也泄漏到表面。这样，检测器308检测到的毫米波或兆兆赫波的强度对应于试样312的吸收特性而改变。因此，测量试样312，同时改变拍频以允许进行试样312的兆兆赫范围的光谱化学分析。谱衍射中的频率分解力由所用的激光的谱线宽度确定，在这个实施例中为10MHz左右。就试样312来说，诸如半导体、金属、介质、有机材料、活体物质(细胞、DNA和蛋白质)、食品和置物之类的任何物质都可以成为感测对象。因此，对于任何物质都可以简单地检查常规上可能得不到的兆兆赫范围特性。

在实际执行测量时，为了增强S/N比，有这样一种处理方法可以采用：将一个频率等于或低于1MHz的正弦波信号叠加在来自其中一个半导体激光器的信号上，而在检测器308侧将该信号与来自同一个信号源的信号混合，以执行同步检测。

图11A至11D示出了包括制造这种模块的方法的一个例子。在图11A中，在半绝缘GaAs基底301上生长由GaAs晶体形成的GaAs层320。此时，如果必要的话，GaAs层320可以用AlGaAs异质生长，也可以在生长温度和成分随区域改变的情况下多次有选择地生长。在这种情况下，最后生长要通过低温生长形成的构成光电导开关的不掺杂GaAs层。此后，用具有图案321的光掩模通过应用g线323之类的光刻处理执行抗蚀图案成形(未示出)。在图11B中，用光致抗蚀剂作为掩模执行使用氯的感应耦合等离子体(ICP)蚀刻，形成半导体层307和309的区域。另一方面，将两个半导体激光器303a和303b分别安装在预定位置。

在图11C中，应用绝缘树脂(聚硅烷)302，形成能透射光的绝缘层，再用掩模图案324对要形成光波导304的区域执行i线曝光。这样，就形成了光波导304，因为在光波导304的区域内产生了0.01左右的折射率差。在图11D中，用剥离方法形成由Ti/Au形成的电极，制成模块。

用这样的方式，传播电磁波的光波导304和绝缘树脂302用相同的材料形成，因此可以提供较为经济的特别适合大量生产的集成模块。虽然在这个实施例中用共面带状线作为电磁波的传输线，但也可以应用诸如微带线和共面线之类的所有集成型传输线。

第六实施例

按照本发明所设计的第六实施例如图14所示包括一个螺旋天线351，用来向空间辐射毫米波到兆兆赫波范围的电磁波，使得一个在空间上离集成模块有一段距离的试样352可以得到检查。

整个集成模块的结构几乎与第五实施例相同。因此，用两个半导体激光器执行混合，一个将输入的电磁波变换成与拍频相应的电磁波的兆兆赫产生器306、两个导体305和317、一个检测器308等集成在一起。螺旋天线351形成在适于振动的介质构件350中，必要时适于使向空间辐射的波束353的方向偏转。此外，可以将一个机械开关(未示出)配置成能选择是否从导体305和317向螺旋天线351馈电。加到试样352上的电磁波的反射波再由螺旋天线351接收，以通过检测器308得出一个信号。

如果设置有螺旋天线351的构件350设置成可以一维振动，就可以执行波束扫描，因此在将试样352在与扫描方向垂直的方向上移动时可以得到试样352的二维反射图像。此时，为了增强电磁波的方向性以提高图像的空间分辨率，在螺旋天线351上还可以设置一个介质透镜或光子晶体(未示出)。这样，由于可以得到数量级为波长的空间分辨率，在电磁波的频率为1THz的情况下空间分辨率就为300μm左右。为了进一步提高分辨率，如果在上面所提到的透镜或光子晶体内用金属之类形成一个尺寸等于或小于波长的1/10的微型开口，即一个尺寸等于或小于30μm的开口，这个开口就起着一个近场探头的作用。结果，就可以得到一个分辨率与开口尺寸相近的图像。然而，在使用这种近场探头时，必须在试样352接近透镜或光子晶体的状态下检查试样352。

用这样的方式，在这个实施例中，可以对试样352进行非接触方式的检查。实际上，由于兆兆赫波在空中传播时受到非常大的衰减(100dB/km左右)，检查一个尺寸等于或小于几米的试样是切实可行的。

在这种情况下，虽然给出的是所有产生和检测在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波用一个模块处理的例子，但产生器和检测器也可以配置为分立的模块。在这种情况下，可以用配置成相对的产生器和检测器得到试样的透射二维图像。

第七实施例

在按照本发明所设计的第七实施例中，不是用混合光束产生兆兆赫CW波束，而是产生频率在兆兆赫范围的脉冲，以执行时域谱测量(TDS)。

图15示出了一个集成模块的结构。半导体锁模激光器360安装在基底301上，它发射的宽度为0.3psec左右的脉冲耦合给光波导361。所传播的激光束之一加到兆兆赫产生器306上，变换为脉冲宽度为0.5psec左右的电磁波366，再通过传输线传播。另一个通过光波导361的分支得到的激光束如标注数字364所示通过光延迟单元362加到检测器363上。光检测器363是一个结构与兆兆赫产生器306相同的光电导开关单元。因此，在光检测器363内，仅在加有激光脉冲时产生光生载流子，因此使与通过传输线传播的电磁波脉冲的电场幅度相应的电流流动，以信号形式被检测。因此，改变延迟单元362的延迟量就能测量兆兆赫脉冲的电场强度的时间改变。延迟单元362可以由一个延迟波导和一个光开关(未示出)、一个改变折射率的元件等组成。就检测方法来说，除了在这个实施例中的方法之外，也可以采用这样一种方法：在光检测器363前配置一个EO晶体，以将兆兆赫脉冲强度的时间起伏改变为基于EO晶体的Pockel效应的起伏，由光检测器363测量通过来自脉冲激光器的激光束的分支得到的光束的经透射的光束强度。

在这个实施例中，如在第六实施例中的那样，电磁波脉冲从螺旋天线351向空间辐射，以测量从试样352反射的电磁波，检验脉冲响应，从而可以用非接触的方式检查试样352内部的载流子浓度、介电常数、迁移率等等。也可以用配置成相对的产生器和检测器两个模块执行透射测量。这些方法适合鉴定半导体特别是有机半导体和导电聚合物膜。如果如在第六实施例中那样用波束对试样扫描，也可以检查试样内的二维分布。此外，如果测量延迟时间，就可以高精确地测出远地试样的位置。在兆兆赫脉冲的宽度为0.5psec时，如果假设可以检测为脉冲宽度的二分之一左右的延迟量，那么就可以以0.5×10^-12/2×(3×10⁸)＝750μm的精度来检测试样的位置。

在执行这些TDS时，如果在执行如在第五实施例中所述的同步检测时以μsec量级改变光束延迟量以相继执行跟踪，可以不必使用高速的电子电路。

第八实施例

在上面所提到的各个实施例中，说明了用在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波实现感测的微型集成模块的结构。这种集成模块可以用作便携性更为优异的器件诸如检查物质的二维透射或反射成像器，或短距离位置感测雷达之类，如在有关技术例子中所说明的。在用这种集成模块作为成像器的情况下，可以将一个能在不需要安装空间的任何场合简单地进行检查的系统配置为对人的携带物进行安全检查或者检查IC卡的检查系统、指纹检测器或诊断血流、皮肤、眼睛之类的医疗保健诊断系统。此外，在集成模块用于位置感测的情况下，也可以将集成模块配置成包含在便携式设备内的形式。因此，可以将集成模块用于显示设备或计算机、遥控设备或用于游戏的定位器之类的无线输入单元。

图16A和16B为简单地说明一种包括使用感测系统的方法的透视图。在图16A中，一个安装有以上所提到的集成模块的卡372通过插入口371插入分析仪370，使放置在模块上或者位于模块上方的试样可以受到分析。或者，也可以采用在模块器件上安装有一个存储器和将模块器件插入分析仪370时对预先所检查的信息进行分析的方法。

此外，还可以采用如图16B所示的方法，其中为安装有以上提到的集成模块的卡372配置一个无线装置，通过无线通信373将信息适当地发送给分析仪，以及将安装有该模块的卡接到移动电话机之类上以将信息发送给分析仪的方法等等。

采用这种用在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波的微型模块，就能实现方便个人携带的、在各处可以用来执行健康状态检查、验证和保安检查、将数据和位置信息输入信息设备等的系统。

工业实用性

如上所述，按照本发明，可以实现用主要在毫米波到兆兆赫波范围内的电磁波执行感测的高频电信号控制器，这种高频电信号控制器很容易构造成小型的低功耗集成模块之类，可以方便地控制电磁波通过空间传播的状态，如天线的辐射强度和波束偏转、接通/断开之类。因此，这种高频电信号控制器可用于执行材料分析的活体信息检查系统、行李安全检查系统和透射/反射成像系统、以无线方式检测位置信息的雷达系统、将数据输入各种信息设备的定位器等，使这些设备或系统的便携性可以得到提高。

Claims

1.一种高频电信号控制器，所述高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的发射器、一个接收器、一个传播电信号的传输线和一个向空间辐射通过传输线传播的电信号或从空间接收信号的构件，

其中所述构件提供的在空间与传输线之间的电信号耦合度是可以可变地受控的。

2.一种高频电信号控制器，所述高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的发射器、一个接收器、一个传播电信号的传输线和一个向空间辐射通过传输线传播的电信号或从空间接收信号的构件，其中：

所述构件具有一个可移动的部分；以及

向空间辐射的电磁波的方向性可以以偏转方式控制。

3.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中一个天线配置为所述构件，使得可以使通过天线辐射或接收的电磁波的强度或者方向性成为可变的。

4.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中：

所述传输线是由一个平面电路构成的一个微带线、共面线或共面带状线；以及

所述构件在所述平面电路上形成。

5.一种按照权利要求4所述的高频电信号控制器，其中：

配置一个接通/断开一个电接触点的可移动部分，所述可移动部分在所述平面电路上形成；以及

所述构件与空间之间的信号耦合度可以由所述可移动部分可变地控制。

6.一种按照权利要求3所述的高频电信号控制器，其中：

所述传输线是一个具有一个矩形或圆形的空腔的波导；

所述天线是一个具有类似空腔的喇叭天线；以及

可以执行改变喇叭天线的输入部分与波导之间的位置关系以改变耦合度、改变喇叭天线的输出单元的方向以执行为向空间辐射的电磁波的方向性扫描这两种操作中的至少一种操作。

7.一种按照权利要求3所述的高频电信号控制器，其中所述天线的表面上集成有一个光子晶体或透镜，以通过一个窄发射角发射具有高方向性的电磁波。

8.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中所述传输线内集成有一个环行器，使电信号在连接到传输线上的发射器、接收器和构件之间沿一个方向流动。

9.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中一个在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THZ)范围内的频率用作高频电信号的频率。

10.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中所述发射器和接收器集成在同一个基底上。

11.一种按照权利要求1所述的高频电信号控制器，其中：

所述产生高频电信号的发射器将一个脉冲激光束照射到配置在一个光电导膜的表面上的加有电压的两个导体之间的间隙上；

所述接收器从在同一个结构内的所述两个导体之间流动的电流得到一个电信号；

所述接收只是在所述脉冲激光束的一部分照射到接收器的所述两个导体之间的间隙上时才执行；以及

在将脉冲激光束引导到接收器的光通道的中间配置有一个允许控制光束延迟量的装置。

12.一种高频感测系统，其中用如在权利要求1中所述的高频电信号控制器控制电磁波通过空间的传播，以无线检查一个对象的表面或内部的组成部分、介电常数分布状态、位置信息之类。

13.一种高频电信号控制器，所述高频电信号控制器包括一个产生高频电信号的产生器，用作将一个激光束变换成一个频率比激光束的低的电磁波的单元，

其中所述产生器与一个产生激光束的激光器、一个传播激光束以将激光束引导到所述产生器的光波导和一个传播信号的传输线一起集成在同一个基底上。

14.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，其中所述产生器具有波导型结构，以与用于传播激光束的所述光波导耦合。

15.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，其中一个检测器和一个将信号传播给所述检测器的传输线进一步集成在同一个基底上。

16.一种按照权利要求14所述的高频电信号控制器，其中一个构成所述光波导的介质构件和一个构成所述传输线的介质绝缘层用同一个构件形成。

17.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，其中：

所述激光器包括具有不同振荡波长的两个器件；

从所述两个器件发射的光束在一个在同一个基底上形成的Y形分支光波导内相互混合；以及

从所述产生器产生一个频率与所述两个器件之间的频率差相应的电信号。

18.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，其中：

所述激光器由一个用来产生一个脉冲宽度等于或短于10psec的短脉冲的半导体锁模激光器组成；以及

由所述产生器产生一个短脉冲电信号。

19.一种按照权利要求18所述的高频电信号控制器，其中：

通过在同一个基底上形成的所述光波导也可以将所述半导体锁模激光器的光输出引导到所述检测器；

用于将半导体锁模激光器的光输出引导到检测器的所述光波导配置有一个用来改变延迟量的光延迟单元；以及

在改变所述延迟量时测量所述短脉冲电信号的时间波形。

20.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，所述高频电信号控制器还包括一个能向空间辐射/从空间接收电磁波的天线，所述天线配置在所述传输线内。

21.一种按照权利要求20所述的高频电信号控制器，所述高频电信号控制器还包括用于使从该天线辐射的电磁波的方向偏转的装置。

22.一种按照权利要求13所述的高频电信号控制器，其中一个在毫米波段到兆兆赫波段(30GHz到30THz)范围内的频率用作所述高频电信号的频率。

23.一种高频感测系统，其中用如在权利要求13中所述的高频电信号控制器来测量一个放置在用于传播所述电信号的传输线上的对象的表面或内部的组成部分、介电常数分布状态、位置信息之类。

24.一种高频感测系统，其中用如在权利要求20中所述的高频电信号控制器来控制电磁波通过空间的传播，以无线测量一个对象的表面或内部的组成部分、介电常数分布状态、位置信息之类。