CN211126058U

CN211126058U - 一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构

Info

Publication number: CN211126058U
Application number: CN202020293568.8U
Authority: CN
Inventors: 张勇; 朱华利; 张博; 徐跃杭
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2030-03-11

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，包括正面设有偶极子天线拓扑结构且背面设有金属层的矩形太赫兹芯片，矩形太赫兹芯片放置在与矩形太赫兹芯片宽度相同的矩形金属腔中，偶极子天线拓扑结构包括共面波导中心导带、共面波导接地层、偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘；该结构简单、加工方便，通过在标准偶极子天线末端添加偶极子天线谐振枝节拓展带宽，在偶极子天线谐振枝节末端添加偶极子天线圆盘以提高电磁能量耦合效率，可使标准太赫兹波导的输入电磁能量尽可能多的通过偶极子天线拓扑结构耦合至矩形太赫兹芯片电路，实现低损耗高性能的太赫兹芯片封装技术。

Description

一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构

技术领域

本实用新型涉及太赫兹器件技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构。

背景技术

太赫兹波(THz)一般是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30um)范围内的电磁波，这个频段刚好处于电磁频谱当中的频谱间隙，因为在太赫兹的低频波段可以用毫米波领域的研究方法进行研究，而在太赫兹高频波段，它与红外线区域有重叠，又可以借鉴光子学领域的研究方法。由于其所处的特殊位置，太赫兹波表现出兼具微波与光波的一些优点，同时也表现出一系列不同于其它电磁辐射的特殊性质，使得太赫兹波在物体成像、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等军事领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

由于太赫兹波频率较高，对环境尺寸极为敏感度，降低太赫兹波在传输过程中产生的损耗是及其重要的。而太赫兹芯片为平面传输结构，太赫兹芯片封装一般为波导封装，因此需要实现波导和芯片的能量转换，即进行芯片与波导之间的能量过渡研究。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其能够应用于太赫兹芯片封装领域，进行芯片与波导的能量转换，具有损耗低、频带宽、过渡效率高的优点，同时能够模块制作流程简化，其装配一致性高、结构简单、体积小、加工方便。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，包括正面设有偶极子天线拓扑结构且背面设有金属层的矩形太赫兹芯片，矩形太赫兹芯片连接有标准太赫兹波导，矩形太赫兹芯片放置在与矩形太赫兹芯片宽度相同的矩形金属腔中，偶极子天线拓扑结构包括从矩形太赫兹芯片的一端向连接标准太赫兹波导的一端依次设置的共面波导中心导带、共面波导接地层、偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘，偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘一体成型并构成对称的天线结构，天线结构完全伸入标准太赫兹波导中，接地共面波导主电路对称地设置在共面波导中心导带和天线结构两侧的共面波导接地层；共面波导中心导带从矩形太赫兹芯片的一端延伸至中部的偶极子过渡段，两段偶极子天线过渡段并列排列且间隔设置，一段偶极子过渡段与共面波导中心带连接且设置在共面波导中心导带向标准太赫兹波导的延伸方向，另一段偶极子过渡段与共面波导接地层连接，两段偶极子过渡段的另一端分别连接一个标准偶极子天线，标准偶极子天线由偶极子过渡段向两侧延伸并连接至偶极子天线谐振枝节，标准偶极子天线垂直于共面波导中心导带，偶极子天线谐振枝节平行于共面波导中心导带，偶极子天线谐振枝节的末端连接偶极子天线圆盘。

在本实用新型较佳的实施例中，上述天线拓扑结构通过偶极子天线圆盘以增加电磁能量耦合面积，提高矩形太赫兹波导-偶极子天线拓扑结构的耦合效率，偶极子天线圆盘呈圆形，且直径大于偶极子天线过渡段、标准偶极子天线和偶极子天线谐振枝节的宽度。

在本实用新型较佳的实施例中，上述天线拓扑结构通过调节偶极子天线谐振枝节沿平行于面波导中心导带方向的延伸长度，调节偶极子天线拓扑结构的耦合中心频点，拓展标准太赫兹波导与偶极子天线拓扑结构的耦合频率带宽，以实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述天线拓扑结构通过调节标准偶极子天线的长度，调节偶极子天线拓扑结构的耦合中心频点，拓展标准太赫兹波导与偶极子天线拓扑结构的耦合频率带宽，以实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，通过调整上述偶极子天线过渡段的长度和宽度、标准偶极子天线的长度和宽度、偶极子谐振枝节的长度宽度以及位置、偶极子天线圆盘的直径，可使标准太赫兹波导输入的电磁能量高性能的耦合至偶极子天线拓扑结构。

在本实用新型较佳的实施例中，上述偶极子天线圆盘的直径为55～65um。

在本实用新型较佳的实施例中，上述偶极子谐振枝节的长度为55～65um。

在本实用新型较佳的实施例中，上述标准偶极子天线的长度为105～115um。

在本实用新型较佳的实施例中，上述矩形太赫兹芯片设置有若干关于共面波导中心导带对称的过孔，共面波导接地层通过过孔与矩形太赫兹芯片背面的金属层连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述矩形太赫兹芯片采用InP衬底。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过在矩形太赫兹芯片上依次设置共面波导中心导带、偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘形成偶极子天线拓扑结构，其中天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘构成的天线结构的一体成型且对称设置，通过标准偶极子天线和偶极子天线谐振枝节调节耦合中心频点，拓展耦合频率带宽，实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合，通过偶极子天线圆盘，增加电磁能量耦合面积，提高太赫兹波导-偶极子天线拓扑结构的耦合效率；该结构能够应用于太赫兹芯片封装领域，进行芯片与波导的能量转换，具有损耗低、频带宽、过渡效率高的优点，同时能够模块制作流程简化，其装配一致性高、结构简单、体积小、加工方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本实用新型的太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构的示意图；

图2为本实用新型的太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构的图1的A-A剖面图；

图3为本实用新型的一个优选实例应用于G波段时的片上集成偶极子天线拓扑结构的示意图；

图4为本实用新型的一个优选实例应用于G波段时的S11、S21仿真结果图；

图标：-共面波导中心导带；2-共面波导接地层；3-偶极子天线过渡段；4-标准偶极子天线；5-偶极子天线谐振枝节；6-偶极子天线圆盘；101-矩形太赫兹芯片；102-标准太赫兹波导；1011-偶极子天线拓扑结构；1012-InP衬底。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，本实施例为优选实施例，其应用于G波段，结构包括基于偶极子天线拓扑结构且连接标准太赫兹波导102的矩形太赫兹芯片101，矩形太赫兹芯片101基于50um InP衬底1012且呈矩形，该矩形太赫兹芯片101放置在与矩形太赫兹芯片101宽度相同的矩形金属腔中，矩形太赫兹芯片101放置于标准太赫兹波导102的宽边正中，并与标准太赫兹波导102的H面垂直(波导的E面通常是指与电场方向平行的方向图切面；波导的H面是指与磁场方向平行的方向图切面)，矩形太赫兹芯片101的正面设有偶极子天线拓扑结构1011且背面设有金属层(图中未示出)，偶极子天线拓扑结构1011包括从矩形太赫兹芯片101的一端向连接标准太赫兹波导102的一端依次设置的共面波导中心导带1、共面波导接地层2、偶极子天线过渡段3、标准偶极子天线4、偶极子天线谐振枝节5和偶极子天线圆盘6；其中，偶极子天线圆盘6位于偶极子天线拓扑结构1011的末端，并与偶极子天线谐振枝节5连接，本实施例通过偶极子天线圆盘6增加电磁能量耦合面积，提高标准太赫兹波导102-偶极子天线拓扑结构1011的耦合效率，通过标准偶极子天线4和偶极子天线谐振枝节5调节耦合中心频点，拓展耦合频率带宽，实现矩形太赫兹芯片101与标准太赫兹波导102的电磁能量耦合。

请参照图2和图3，从矩形太赫兹芯片101的一端向连接标准太赫兹波导102的一端依次设置有一段共面波导中心导带1、两个共面波导接地层2、两段偶极子天线过渡段3、两段标准偶极子天线4、两段偶极子天线谐振枝节5和两个偶极子天线圆盘6，其中共面波导接地层2、偶极子天线过渡段3、标准偶极子天线4、偶极子天线谐振枝节5和偶极子天线圆盘6为对称设置的结构，通过调整偶极子天线过渡段3的长度和宽度、标准偶极子天线4的长度和宽度、偶极子谐振枝节的长度宽度以及位置、偶极子天线圆盘6的直径，可使标准太赫兹波导102输入的电磁能量高性能地耦合至偶极子天线拓扑结构1011，经过优选参数，本实施例中，矩形太赫兹芯片101的宽度为970um，共面波导中心导带1的宽度为16um，共面波导中心导带1与共面波导接地层2之间的间隙为14um，偶极子天线过渡段3的长度为150um、宽度为16um，标准偶极子天线4的长度为110um、宽度为16um，偶极子谐振枝节的长度为60um、宽度为16um，偶极子天线圆盘6的直径为60um，偶极子天线过渡段3、标准偶极子天线4、偶极子天线谐振枝节5和偶极子天线圆盘6一体成型并构成对称的天线结构，该天线结构完全伸入标准太赫兹波导102中，接地共面波导主电路对称地设置在共面波导中心导带1和天线结构两侧的共面波导接地层2，矩形太赫兹芯片101设置有若干关于共面波导中心导带1对称的过孔，相邻过孔之间具有间隔，本实施例中过孔的直径为25um，间隔为60um，过孔位于共面波导接地层2上，本实施例中过孔沿标准太赫兹波导102与矩形太赫兹芯片101连接的两侧和共面波导中心导带1两侧分布，并沿共面波导中心导带1的一端延伸至矩形太赫兹芯片101的两侧，共面波导接地层2通过过孔与矩形太赫兹芯片101背面的金属层连接；共面波导中心导带1从矩形太赫兹芯片101的一端延伸至位于矩形太赫兹芯片101中部的偶极子过渡段，两段偶极子天线过渡段3并列排列且间隔设置，其中一段偶极子过渡段与共面波导中心带连接且设置在共面波导中心导带1向标准太赫兹波导102的延伸方向，另一段偶极子过渡段与共面波导接地层2连接，两段偶极子过渡段的另一端分别连接一个标准偶极子天线4，标准偶极子天线4由偶极子过渡段向矩形太赫兹芯片101两侧延伸并连接至偶极子天线谐振枝节5，标准偶极子天线4垂直于共面波导中心导带1，偶极子天线谐振枝节5平行于共面波导中心导带1，偶极子天线谐振枝节5的末端连接偶极子天线圆盘6，偶极子天线圆盘6呈圆形，偶极子天线圆盘6的直径大于偶极子天线过渡段3、标准偶极子天线4和偶极子天线谐振枝节5的宽度。

请参照图4，为本实施例应用于G波段时的S11、S21的仿真结果图，可知：

标准偶极子天线4和偶极子天线谐振枝节5决定了偶极子天线拓扑结构1011的两个电磁能量耦合中心频点，两个电磁能量耦合中心频点叠加并得到了最终的电磁能量耦合频段，通过分别调节合适的标准偶极子天线4和偶极子天线谐振枝节5的长度，拓展标准太赫兹波导102与偶极子天线拓扑结构1011的耦合频率带宽，即可在宽频带内实现矩形太赫兹芯片101与标准太赫兹波导102的电磁能量耦合。天线拓扑结构通过偶极子天线圆盘6，增加电磁能量耦合面积，提高标准太赫兹波导102-偶极子天线拓扑结构1011的耦合效率，仿真表明当偶极子天线圆盘6的直径为60um时，本实施例天线过渡结构具有最优的电磁能量耦合效率。

根据上述分析以及优化数据，得到图4显示的仿真结果：在180～260GHz频率范围内，插入损耗优于0.76dB，回波优于14dB。表明本实施例可应用于G波段太赫兹芯片封装领域，且具有低损耗(＜0.76dB)、超宽带(＞36％)、结构简单、加工方便的性能。

综上所述，本实用新型实例通过在矩形太赫兹芯片上依次设置共面波导中心导带、偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘形成偶极子天线拓扑结构，其中天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘构成的天线结构的一体成型且对称设置，通过标准偶极子天线和偶极子天线谐振枝节调节耦合中心频点，拓展耦合频率带宽，实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合，通过偶极子天线圆盘，增加电磁能量耦合面积，提高太赫兹波导-偶极子天线拓扑结构的耦合效率；该结构能够应用于太赫兹芯片封装领域，进行芯片与波导的能量转换，具有损耗低、频带宽、过渡效率高的优点，同时能够模块制作流程简化，其装配一致性高、结构简单、体积小、加工方便。

本说明书描述了本实用新型的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本实用新型的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，包括正面设有偶极子天线拓扑结构且背面设有金属层的矩形太赫兹芯片，所述矩形太赫兹芯片连接有标准太赫兹波导，所述矩形太赫兹芯片放置在与矩形太赫兹芯片宽度相同的矩形金属腔中，所述偶极子天线拓扑结构包括从矩形太赫兹芯片的一端向连接标准太赫兹波导的一端依次设置的共面波导中心导带、共面波导接地层、偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘，所述偶极子天线过渡段、标准偶极子天线、偶极子天线谐振枝节和偶极子天线圆盘一体成型并构成对称的天线结构，所述天线结构完全伸入标准太赫兹波导中，接地共面波导主电路对称地设置在共面波导中心导带和天线结构两侧的共面波导接地层；所述共面波导中心导带从矩形太赫兹芯片的一端延伸至中部的偶极子过渡段，两段所述偶极子天线过渡段并列排列且间隔设置，一段所述偶极子过渡段与共面波导中心带连接且设置在共面波导中心导带向标准太赫兹波导的延伸方向，另一段所述偶极子过渡段与共面波导接地层连接，两段偶极子过渡段的另一端分别连接一个标准偶极子天线，所述标准偶极子天线由偶极子过渡段向两侧延伸并连接至偶极子天线谐振枝节，所述标准偶极子天线垂直于共面波导中心导带，所述偶极子天线谐振枝节平行于共面波导中心导带，所述偶极子天线谐振枝节的末端连接偶极子天线圆盘。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述天线拓扑结构通过偶极子天线圆盘以增加电磁能量耦合面积，提高矩形太赫兹波导-偶极子天线拓扑结构的耦合效率，所述偶极子天线圆盘呈圆形，且直径大于偶极子天线过渡段、标准偶极子天线和偶极子天线谐振枝节的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述天线拓扑结构通过调节偶极子天线谐振枝节沿平行于共面波导中心导带方向的延伸长度，调节偶极子天线拓扑结构的耦合中心频点，拓展标准太赫兹波导与偶极子天线拓扑结构的耦合频率带宽，以实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述天线拓扑结构通过调节标准偶极子天线的长度，调节偶极子天线拓扑结构的耦合中心频点，拓展标准太赫兹波导与偶极子天线拓扑结构的耦合频率带宽，以实现矩形太赫兹芯片与标准太赫兹波导的电磁能量耦合。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，通过调整偶极子天线过渡段的长度和宽度、标准偶极子天线的长度和宽度、偶极子谐振枝节的长度宽度以及位置、偶极子天线圆盘的直径，可使标准太赫兹波导输入的电磁能量高性能的耦合至偶极子天线拓扑结构。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述偶极子天线圆盘的直径为55～65um。

7.根据权利要求5所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述偶极子谐振枝节的长度为55～65um。

8.根据权利要求5所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述标准偶极子天线的长度为105～115um。

9.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述矩形太赫兹芯片设置有若干关于共面波导中心导带对称的过孔，所述共面波导接地层通过过孔与矩形太赫兹芯片背面的金属层连接。

10.根据权利要求1所述的一种太赫兹片上集成偶极子天线过渡结构，其特征在于，所述矩形太赫兹芯片采用InP衬底。