WO2011029742A1

WO2011029742A1 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung von elektromagnetischer thz-strahlung

Info

Publication number: WO2011029742A1
Application number: PCT/EP2010/062644
Authority: WO
Inventors: Ullrich Pfeiffer; Erik ÖJEFORS
Original assignee: Bergische Universität Wuppertal
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-03-17
Also published as: DE102009029447A1

Abstract

Kohärente heterodyne THz-Empfänger sind in einer Reihe von Varianten realisiert worden. Mischer für THz-Empfänger werden in der Regel als Schottky-Diodenmischer gebaut. Schottky-Dioden bieten die höchsten Cut-off-Frequenzen bei den Halbleiterbauelementen und daher die beste Empfängerleistung bei hohen Frequenzen. Jedoch sind Hochleistungs-Schottky-Dioden nicht in Siliziumtechnologie verfügbar, was die Implementierung in integrierten Empfängerschaltkreisen schwierig oder unmöglich macht. Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitzustellen, bei welcher der Mischer in der gleichen Halbleitertechnologie ausgeführt werden kann wie beispielsweise der Lokaloszillator zur Erzeugung des Lokaloszillatorsignals oder andere für den Betrieb des Empfängers benötigte Komponenten. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Vorrichtung zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitszustellen, mit einer symmetrischen Antenne für die zu erfassende THz-Strahlung mit zwei Ausgangsanschlüssen und einem Symmetriepunkt, einer Einspeiseleitung für ein Lokaloszillatorsignal, die elektrisch leitend mit dem Symmetriepunkt der Antenne verbunden ist, und einem Mischer zum Mischen eines aus der zu erfassenden THz-Strahlung resultierenden THz-Signals mit einem Lokaloszillatorsignal, wobei der Mischer zwei Transistoren aufweist, wobei jeder Transistor mit jeweils einem Ausgangsanschluss der Antenne elektrisch verbunden ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von elektromagnetischer THz-Strahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich.

Der Terahertz-(THz-)Frequenzbereich oder Submillimeter-Wellenlängenbereich, der grob von 100 GHz bis 10 THz definiert ist, ist einer der letzten„dunklen" Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Technisch nutzbare, insbesondere kohärente Quellen und entsprechende Detektoren sind in diesem Frequenzbereich nicht oder nur bei niedrigen Frequenzen kommerziell erhältlich. Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben zu komplizierten Systemen geführt, die aufgrund ihrer Komplexität bisher jedoch nur in experimentell geprägten Gebieten, wie der Radioastronomie oder der Atmosphärenforschung, Verwendung finden. Für Anwendungen des täglichen Lebens fehlt es bisher an der Verfügbarkeit preiswerter Quellen und Detektoren. Gerade gegenüber niedrigeren Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums, wie z. B. Radio-, Mikrowellen- und Millimeterwellen in einem Frequenzbereich von 1 bis 300 GHz bietet die THz-Strahlung eine ganze Reihe von Vorteilen in unterschiedlichen Gebieten:

• In der Bildgebung ermöglichen die kurzen Wellenlängen der THz-Strahlung eine verbes- serte Auflösung verglichen mit den Millimeter-Wellen geringerer Frequenz. Viele optisch undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich dennoch transparent. Darüber hinaus ist THz-Strahlung nicht ionisierend und wird daher im biomedizinischen Bereich als sicher betrachtet.

• Aufgrund der kurzen Wellenlängen können Radarsysteme mit einer großen Winkelauflö- sung mit Antennen kleiner Apertur für die THz-Strahlung realisiert werden. Die großen

Bandbreiten, die bei THz-Frequenzen verfügbar sind, erlauben auch eine hohe Entfernungsauflösung durch die Verwendung von kurzen Pulsen, FMCW-Radar mit großer Bandbreite oder PRBS Pseudo-Random-Binary-Sequence-Radar mit großer Bandbreite.

• Im Bereich der Telekommunikation bieten die THz-Frequenzen große Bandbreiten und ermöglichen dadurch über kurze Reichweiten bei Übertragungen mit hoher Bitrate. In einigen Ländern enden die regulierten Frequenzbereiche bei 300 GHz. Daher können in diesen Ländern THz-Kommunikationssysteme, ohne eine langwierige und kostenintensive Genehmigung durch die Regulierungsbehörden benutzt werden. Keines dieser Gebiete kann zur Zeit kommerziell erschlossen werden, da keine geeigneten kompakten und preisgünstigen Quellen und Empfänger zur Verfügung stehen. Kohärente heterodyne THz-Empfänger sind in einer Reihe von Varianten realisiert worden. Mischer für THz-Empfänger werden in der Regel als Schottky-Diodenmischer gebaut. Schottky- Dioden bieten die höchsten Cut-off-Frequenzen bei den Halbleiterbauelementen und daher die beste Empfängerleistung bei hohen Frequenzen. Jedoch sind Hochleistungs-Schottky-Dioden nicht in Siliziumtechnologie verfügbar, was die Implementierung in integrierten Empfängerschalt- kreisen schwierig oder unmöglich macht. Daher werden Schottky-Dioden basierte THz- Empfänger mit diskreten Dioden in metallischen Wellenleitern implementiert oder mit Antennen auf einem Waver integriert, wobei teure Herstellungstechnologien verwendet werden, die mit herkömmlichen BiCMOS-Prozesstechnologien auf Siliziumbasis nicht kompatibel sind. Eine solche Anordnung von diskreten Dioden in metallischen Wellenleitern ist beispielsweise in J. Schür et al.,„600 GHz GaAs Schottky diode mixer in split-block technology", The Joint 30^th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13^th International Conference on Terahertz Electronics, 2005 (IRMMW-THz 2005), Seiten 469-470, Williamsburg, Virginia, 19.-23. September 2005, beschrieben. Die empfindlichsten THz-Empfänger basieren auf Hot Electron-Bolometern (HEB). Diese benötigen jedoch zur Herstellung eine hochspezialisierte Prozesstechnologie und sind ebenfalls nicht zur herkömmlichen Silizium-BiCMOS-Technologie kompatibel. In einem heterodynen Empfänger auf Basis eines HEB wird weiterhin das Lokaloszillatorsignal typischerweise wie das zu empfangende Signal als Freistrahlsignal bereitgestellt, was die Erzeugung und Zuführung des Lokaloszil- latorsignals aufwendig macht.

HEB sind beispielsweise aus J. R. Gao et al.,„Terahertz Superconducting Hot Electron Bolome- ter Heterodyne Receivers", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Bnd. 17, Nr. 2, S. 252-258, Juni 2007, bekannt.

Aus der DE 10 2007 062 562 A1 ist ein THz-Detektor auf Basis zweier Feldeffekttransistoren mit einer integrierten Antenne in CMOS-Technologie bekannt.

Aus der Veröffentlichung von B. Gilbert,„A precise four-quadrant multiplier with subnanosecond response", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bnd. 3, Nr. 4, Seiten 365-373, Dezember 1968, ist die Realisierung von Mischern in verschiedenen Ausführungsformen auf Basis von Bipolartransistoren bekannt. Die offenbarten Ausführungsformen eignen sich jedoch nur für Frequenzen bis etwa 100 GHz. Ein Betrieb bei höheren Frequenzen scheitert daran, dass die Mischer auf Basis der Bipolartransistoren nicht oberhalb der Cut-off-Frequenzen des Transistors betrieben werden können, da die Signale transitzeitbegrenzt von der Basis zum Kollektor mindestens eines Tail-Transistors laufen müssen, bevor sie die eigentlichen Mischertransistoren erreichen. Dies führt bei Signalen im THz-Frequenzbereich zu einer derart starken Abschwächung, dass ein sol- eher Mischer bei diesen Frequenzen übermäßig große Umwandlungsverluste aufweist.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitzustellen, bei welcher der Mischer in der gleichen Halbleitertechnologie ausgeführt werden kann wie beispielsweise der Lokaloszillator zur Erzeugung des Lokaloszillatorsignals oder andere für den Betrieb des Empfängers benötigte Komponenten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitgestellt wird mit einer symmetrischen Antenne für die zu erfassende THz-Strahlung mit zwei Ausgangsanschlüssen und einem Symmetriepunkt, einer Einspeiseleitung für ein Lokaloszillatorsignal, die elektrisch leitend mit dem Symmetriepunkt der Antenne verbunden ist, und einem Mischer zum Mischen eines aus der zu erfassenden THz-Strahlung resultierenden THz-Signals mit einem Lokaloszillatorsignal, wobei der Mischer zwei Transistoren, die mit jeweils einem Ausgangsanschluss der Antenne elektrisch verbunden sind.

In einer Ausführungsform sind die Transistoren Heterojunction-Bipolartransistoren mit je einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor, wobei die Basis jedes Transistors mit jeweils einem Ausgangsanschluss der Antenne elektrisch verbunden ist. Solche Heterojunction- Bipolartransistoren lassen sich in einer Technologie fertigen, die zu der herkömmlichen Technologie zur Herstellung von integrierten Schaltungen kompatibel ist. Damit lassen sich durch die Verwendung von Heterojunction-Bipolartransistoren diese im Wesentlichen mit der gleichen Halbleiterprozesstechnologie herstellen wie die erforderlichen Schaltungskomponenten für beispielsweise einen Lokaloszillator oder eine Auswertelogik. Diese lassen sich in einer Ausführungsform sogar auf einem einzigen gemeinsamen Substrat herstellen, wobei vorzugsweise die Heterojunc- tion-Bipolartransistoren in Silizium-Germanium-(SiGe-)Technologie (BiCMOS) hergestellt sind und die weiteren Schaltkreiselements, insbesondere der Lokaloszillator, in CMOS-Technologie auf Basis von Silizium hergestellt ist. Es sind jedoch ebenso Ausführungsformen der Erfindung denkbar, in denen die Transistoren beispielsweise Feldeffekttransistoren sind und sowohl die Transistoren als auch weitere Schaltkreiselemente in Ill-V-Technologie hergestellt sind oder vollständig in CMOS-Technologie. Die Ausgestaltung des Mischers mit Heterojunction-Bipolartransistoren in BiCMOS-SiGe- Technologie ermöglicht nicht nur die Integration des Mischers und des Lokaloszillators auf einem einzigen Chip, sondern gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ auch die Integration von Signal- verarbeitungs- und anderen digitalen Schaltkreisen auf dem gleichen Chip bzw. Substrat.

Unter einem Heterojunction-Bipolartransistor, kurz HBT, wird ein Bipolartransistor verstanden, dessen Material für den Emitter anders gewählt ist als das Material der Basis. Durch die gezielte Wahl des Materials für Emitter und Basis, wobei das Material des Emitters eine größere Bandlücke aufweist als das Material der Basis, werden nur sehr wenige Löcher in die Basis injiziert, und im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bipolartransistor tragen die Löcher nur zu einem sehr geringen Teil zum Stromtransport im Transistor bei. Die geringere Anzahl von in die Basis injizierten Löchern ermöglicht eine deutlich höhere p-Dotierung der Basis als bei herkömmlichen Bipolartransistoren und führt zu einer deutlich höheren Elektronenmobilität und damit zu einer Verschiebung der Cut-off-Frequenz der Heterojunction-Bipolartransistoren zu Frequenzen über 600 GHz hinaus. In diesem Sinne bildet ein Heterojunction-Bipolartransistor die bipolare Alternative zu einem Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (high electron mobility transistor, HEMT), einer speziellen Bauform des Feldeffekttransistors. Im Gegensatz zu Feldeffekttransistoren kann in Bipolartransistoren und insbesondere in Heterojunction-Bipolartransistoren der Stromfluss durch den Transistor nur in einer Richtung erfolgen.

Unter dem THz-Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung der Frequenzbereich von etwa 300 GHz bis 10 THz verstanden. Dabei wird für die von der Antenne zu empfangende Strahlung der Begriff THz-Strahlung verstanden, während von einem THz-Signal die Rede ist, welche sich in der Schaltung ausbreitet, bzw. in dieser geführt wird. Das THz-Signal in der Schaltung resultiert aus der von der Antenne empfangenen THz-Strahlung.

Symmetrische Antennen werden im englischen Sprachraum häufig auch als differentielle Antennen (engl, differential antenna) oder balancierte Antennen (engl, balanced antenna) bezeichnet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass aufgrund ihrer Konstruktion das empfangene THz-Signal an ihren Ausgangsanschlüssen als Zweidrahtsignal mit gegenüber einem Massepotential gleichgroßen Wechselspannungen anliegt.

Als Symmetriepunkt der Antenne im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein elektrischer Symmetriepunkt verstanden, an dem die Antenne bei Empfang der elektromagnetischen THz- Strahlung ein Strommaximum oder ein Spannungsminimum aufweist. Beispiele für solche symmetrischen Antennen sind eine Halbwellenfaltdipolantenne, eine Loop-Antenne oder eine Patch- Antenne. Bei diesen Antennentypen liegt der Symmetriepunkt auch auf einer geometrischen Symmetrieachse, welche die Antenne in zwei spiegelsymmetrische Hälften teilt und die in der Mitte zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen liegt.

In einer Ausführungsform ist eine solche Loop-Antenne eine rechteckige, quadratische oder ring- förmige Vollwellenlängen-Loop-Antenne.

In einer Ausführungsform ist eine solche Patch-Antenne eine rechteckige, quadratische, ringförmige oder elliptische Halbwellenlängenantenne. Dabei ist die Patch-Antenne vorzugsweise über einer Massenebene in einer unter dem Antennensubstrat liegenden Schicht angeordnet.

Die erfindungsgemäße elektrische Verbindung der Einspeiseleitung für das Lokaloszillatorsignal mit dem Symmetriepunkt der Antenne ermöglicht es, gleichzeitig das von der Antenne empfangene THz-Signal und das an der Einspeiseleitung anliegende Lokaloszillatorsignal in die Basen der beiden Heterojunction-Bipolartransistoren einzuspeisen. Dabei erfolgt die Speisung des Lo- kaloszillatorsignals in die beiden Transistoren im Gleichtakt (common mode), d.h. in Phase, während die Speisung des THz-Signals aufgrund der Symmetrie der Antenne in die beiden Transistoren im Gegentakt (differential mode), d.h. in Gegenphase, erfolgt. Aufgrund der gemeinsamen Speisung von THz-Signal und Lokaloszillatorsignal unterliegt der Mischprozess in den Transistoren nicht den herkömmlichen Beschränkungen in der Betriebsfrequenz durch die Transitzeit, sondern ein Mischen kann noch effizient auch oberhalb der transitzeitbegrenzten Cut-off- Frequenz der Transistoren erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Beschaltung der Antenne und des Mischers fungiert die Antenne somit nicht nur als Empfangsantenne für die zu erfassende elektromagnetische THz-Strahlung, sondern auch als Kombinator zum Zusammenführen des THz-Signals und des Lokaloszillatorsignals.

In einer Ausführungsform sind die Transistoren mit einem Massenanschluss des Mischers verbunden. In einer Ausführungsform, bei welcher die Transistoren Heterojunction- Bipolartransistoren sind, sind die Emitter der Heterojunction-Bipolartransistoren elektrisch leitend miteinander und mit dem Massenanschluss des Mischers verbunden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Transistoren so beschaltet, dass sie einen einfachbalancierten Mischer bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Antenne eine Resonanzfrequenz auf, wobei der Lokaloszillator so eingerichtet ist, dass er im Betrieb ein Lokaloszillatorsignal erzeugt, dessen Frequenz ein ganzzahliger Bruchteil, das heißt eine Subharmonische der Resonanzfrequenz der Antenne ist. Auf diese Weise liegt die Frequenz des von dem Lokaloszillator zu erzeugenden Lokaloszillatorsignals deutlich unterhalb der Frequenz der zu erfassenden elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich, beispielsweise in einem Bereich von 100 GHz bis 300 GHz. Anders als hohe GHz- bzw. THz-Frequenzen lassen sich Frequenzen in einem Bereich von unter 300 GHz mit herkömmlichen zum Stand der Technik gehörenden Silizium- bzw. Silizium- Germanium-Schaltkreisen realisieren. Demgegenüber lassen sich im THz-Frequenzbereich derzeit keine Lokaloszillatoren, beispielsweise auf Silizium-Germanium-Basis, herstellen, die ein ausreichend starkes Lokaloszillatorsignal im THz-Frequenzbereich oberhalb etwa 300 GHz beispielsweise für einen Fundamentalsignalmischprozess bereitstellen. Die Erzeugung des Lokalos- zillatorsignals als subharmonische der zu empfangenden elektromagnetischen THz-Strahlung ermöglicht damit die effektive Integration des Lokaloszillators auf dem gleichen Substrat bzw. Chip wie den Mischer.

Sollten insbesondere bei Verwendung einer breitbandigen Antenne die Resonanzfrequenz der Antenne und die Zielfrequenz, für welche die Vorrichtung ausgelegt ist, auseinanderfallen, so kann es vorteilhaft sein, wenn der Lokaloszillator so eingerichtet ist, dass er im Betrieb ein Lokaloszillatorsignal erzeugt, dessen Frequenz ein ganzzahliger Bruchteil dieser Zielfrequenz und nicht der Resonanzfrequenz der Antenne ist. In einer Ausführungsform ist die Einspeiseleitung für das Lokaloszillatorsignal eine Leitung für ein asymmetrisches Signal, d.h. ein Leiter der Leitung liegt auf Masse.

Dazu weist in einer Ausführungsform der Erfindung die Vorrichtung eine durchgehende Massenverbindung zwischen dem Lokaloszillator und dem Mischer auf. Diese Massenverbindung hilft, das Lokaloszillatorsignal an den Ausgangsanschlüssen im Gleichtakt, d.h. in Phase, bereitzustellen.

In einer Ausführungsform ist die Massenverbindung des Lokaloszillators elektrisch leitend mit dem Massenanschluss des Mischers verbunden.

In einer Ausführungsform ist die Massenverbindung entlang der Symmetrieachse der Antenne unter der Antenne durchgeführt, ohne mit der Antenne elektrisch leitend verbunden zu sein.

In einer dazu alternativen Ausführungsform ist die Massenverbindung als flächige Metallisierung ausgestaltet, welche die Antenne umgibt ohne mit dieser elektrisch leitend verbunden zu sein.

Dabei beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Abstand der flächigen Metallisierung von der Antenne etwa eine Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz der Antenne. Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer THz-Strahlung gelöst mit den Schritten: Empfangen der zu erfassenden THz- Strahlung mit einer symmetrischen Antenne mit zwei Ausgangsanschlüssen und einem Symmet- riepunkt, Einspeisen eines Lokaloszillatorsignals in den Symmetriepunkt der Antenne, Einspeisen eines aus der zu erfassenden THz-Strahlung resultierenden THz-Signals und des Lokaloszillatorsignals in einen Mischer, der zwei Transistoren aufweist, wobei das THz-Signal und das Lokaloszillatorsignal von den Ausgangsanschlüssen der Antenne in jeden der beiden Transistoren eingespeist wird, und Mischen des THz-Signals mit dem Lokaloszillatorsignal in dem Mischer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Halbwellenfaltdipolantenne.

Fig. 2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Loop-Antenne.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Patch-antenne.

Fig. 4 zeigt einen Schaltkreis zur Realisierung des Schemas aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Detektors 1 zur kohärenten Erfassung von THz-Strahlung 8. Dieser besteht aus drei wesentlichen Elementen, einer Einspeiseleitung 2 für ein Lokaloszillatorsignal LO, einer für die zu empfangende THz-Strahlung 8 resonanten Halbwellenfaltdipolantenne 3 sowie einem Mischer 4 mit zwei Heterojunction-Bipolartransistoren 5, 6.

Die Halbwellenfaltdipolantenne 3 dient sowohl dem Empfang der zu erfassenden THz-Strahlung 8 als auch als Kombinator für das gleichzeitige Einspeisen des von der Antenne 3 empfangenen THz-Signals THz und das über die Einspeiseleitung 2 in die Antenne 3 eingespeiste Lokaloszillatorsignal in den Mischer 4.

Wesentlich für die Funktionsweise der Antenne 3 als Kombinator ist, dass die Einspeiseleitung 2 für das Lokaloszillatorsignal elektrisch leitend mit dem Symmetriepunkt 7 der Antenne verbunden ist. Dieser Symmetriepunkt 7 der Antenne 3 liegt auf der Symmetrieachse der Antenne, um wel- che herum die beiden spiegelsymmetrischen Hälften der Faltdipolantenne angeordnet sind. Dieser Symmetriepunkt 7 ist auch der elektrische Symmetriepunkt der gezeigten Antenne 3, in dem diese ein Strommaximum bzw. ein Spannungsminimum des erfassten THz-Signals aufweist. Aufgrund dieser Einspeisung des Lokaloszillatorsignals im elektrischen Symmetriepunkt der Anten- ne, an welchem kein THz-Signal vorhanden ist, wird kein in der Antenne induzierter THz-Strom in die Einspeiseleitung gelangen.

Für die Frequenzen des über die Einspeiseleitung 2 in die Antenne 3 eingespeisten Lokaloszillatorsignals stellen die oberen und unteren Hälften der Dipolantenne 3 kleine in Serie geschaltete Induktivitäten dar, die das Lokaloszillatorsignal nicht oder fast nicht beeinflussen.

Durch die im geometrischen Sinne symmetrische Einspeisung des Lokaloszillatorsignals in die Antenne 3 erreicht das Lokaloszillatorsignal, welches in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile symbolisiert ist, im Gleichtakt (common mode) die Basen B der beiden Heterojunction- Bipolartransistoren 5, 6. Für das asymmetrische in die Antenne eingespeiste Lokaloszillatorsignal arbeitet die Antenne 3 als Weiche und das Lokaloszillatorsigal verlässt die Antenne 3 als symmetrisches Signal jedoch im Gleichtakt. Im Gegensatz dazu liegt das von der Antenne 3 empfangene THz-Signal an den Ausgangsanschlüssen 9, 10 der Antenne und damit an den Basen B der Heterojunction-Bipolartransistoren 5, 6 im Gegentakt (differential mode) an.

Schematisch angedeutet ist in Fig. 1 eine Masse 1 1 , die den Lokaloszillator, welcher die Einspeiseleitung 2 mit dem Lokaloszillatorsignal versieht, durchgängig mit dem Mischer 4 verbindet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Masse 1 1 elektrisch leitend mit dem Masseanschluss des Mischers 4 verbunden (in den Figuren sind die Emitter E der Transistoren 5, 6 mit dem Mas- senanschluss des Mischers 4 verbunden).

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch Ausführungsformen der Erfindung, die sich von der aus Fig. 1 durch die Form der Antennen 3', 3" unterscheiden. Gleiche Elemente sind in den Fig. 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Während in Fig. 2 die Halbwellenfaltdipolantenne 3 aus Fig. 1 durch eine rechteckige Vollwellenlängen-Loop-Antenne 3' ersetzt ist, zeigt Fig. 3 eine Patch-Antenne 3".

Auch die Einspeisung des Lokaloszillatorsignals über die Einspeiseleitung 2 bei der Loop- Antenne aus Fig. 2 erfolgt über deren Symmetriepunkt 7', der wie zuvor für die Halbwellenfaltdi- polantenne 3 aus Fig. 1 auf der Spiegelsymmetrieachse der Antenne 3' liegt.

Auf der Patch-Antenne 3" aus Fig. 3 könnte der Symmetriepunkt 7", der elektrisch mit der Einspeiseleitung 2 verbunden ist, auf irgendeinem Punkt auf der Symmetrieachse der Patch- Antenne 3" in der Mitte zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 9", 10" liegen. Die Patch- Antenne 3" aus Fig. 3 ist eine rechteckige Halbwellenlängenantenne, die, wie in Fig. 3 durch das entsprechende Symbol angedeutet, über einer in einer tieferen, unter dem Substrat der Antenne 3" liegenden Massenebene angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt einen Schaltkreis mit vier Komponenten, einem Lokaloszillator 12, einem Lokaloszillatortreiber 13, einem Kombinator 14 sowie einem Mischer 4. Alle vier Komponenten 4, 12, 13, 14 des Schaltkreises sind auf einem einzigen Chip bzw. Substrat aus Silizium integriert. Diese Integration ist möglich, da für den Mischer 4 Heterojunction-Bipolartransistoren 5, 6 verwendet wer- den, die sich in SiGe-Technologie fertigen lassen, während der Rest der integrierten Schaltung, insbesondere der Lokaloszillator 12, auf dem gleichen Siliziumsubstrat in herkömmlicher Siliziumtechnologie realisiert ist.

In der dargestellten Ausführungsform stellt der Lokaloszillator 12 ein Lokaloszillatorsignal bei 162,5 GHz bereit, während die gesamte Vorrichtung zur Erfassung von THz-Strahlung bei 650 GHz ausgerichtet ist. Das Lokaloszillatorsignal ist also eine Subharmonische der zu erfassenden THz-Strahlung. Das Lokaloszillatorsignal wird mit Hilfe eines differentiellen Leistungsverstärkers 15 im Lokaloszillatortreiber 13 auf ausreichende Leistung verstärkt, um den Mischer 4 hinter dem Kombinator 14 zu treiben. Im Kombinator 14 wird ein Balun bzw. Symmetrieglied 16 verwendet, um den Zweidrahtausgang des Verstärkers 15 in ein asymmetrisches Signal zu verwandeln, bei welchem eine Leitung auf Masse liegt. Für die Frequenz von 162,5 GHz des Lokaloszillatorsignals bildet die Antenne 3 eine einfache Induktivität. Die Antenne 3 wiederum teilt das asymmetrische Lokaloszillatorsignal, so dass ein symmetrisches Gleichtaktsignal entsteht, welches an den Ausgangsanschlüssen 9, 10 der Antenne 3 anliegt und von dort in die Basen B der Transistoren 5, 6 eingespeist wird. Zusätzlich zu dem Lokaloszillatorsignal wird an dem Symmetriepunkt 7 der Antenne 3 noch eine konstante Gleichspannung eingespeist, die von der Vorspannungsquelle 17 in dem Kombinator 14 erzeugt wird. Diese dient zum Vorspannen der Basen B der Transistoren 5, 6. Auch die Vorspannungsquelle 17 ist auf dem gleichen Subtrat wie die anderen Schaltungselemente integriert.

Der Mischer 4 besteht im Wesentlichen aus den zwei bereits zuvor erwähnten Heterojunction- Bipolartransistoren 5, 6 in einer differentiellen bzw. symmetrischen Verschaltung in einem nichtlinearen Klasse B Modus. Die Emitter E der Transistoren liegen auf Masse während ein Differenzsignal zwischen dem THz-Signal und dem Lokaloszillatorsignal als symmetrisches Signal an den Kollektoren C der Transistoren 5, 6 anliegt. Entscheidend für den auch bei hohen Frequenzen effizienten Mischprozess in den Transistoren 5, 6 ist, dass sowohl das empfangene THz-Signal als auch das Lokaloszillatorsignal an die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistoren 5, 6angelegt werden. Das eigentliche Mischen wird durch das Schalten der Basis-Emitter- Übergänge der Transistoren durch das Lokaloszillatorsignal erreicht. Daher müssen keine THz- Signale durch die Schicht der Basis zu dem Kollektor gelangen wie in herkömmlichen Mischern, in denen Tail-Transistoren verwendet werden, um das empfangene THz-Signal in die eigentlichen Mischertransistoren einzuspeisen.

Um das Mischerrauschen im Ausgang der Transistoren 5, 6 weiter zu unterdrücken, kann ein weiterer Balun verwendet werden, um das symmetrische bzw. differentielle Ausgangssignal des Mischers 4 in ein asymmetrisches Signal umzuwandeln, welches dann das in den Mischer 4 eingespeiste Lokaloszillatorsignal und Amplitudenrauschen des Lokaloszillatorsignals nicht mehr enthält.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung we- gen verzichtet.

Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche defi- niert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.

Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort„aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel„eine" oder„ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht. Bezugszeichenliste

1 Detektor

2 Einspeiseleitung

3 Halbwellenfaltdipolantenne 3" Vollwellenlängen-Loop-Antenne 3" Patch-Antenne

4 Mischer

5, 6 Heterojunction-Bipolartransistoren

7, T, 7" Symmetriepunkt

8 THz-Strahlung

9, 10, 9', 10', 9", 10" Ausgangsanschlüsse

1 1 Masse

12 Lokaloszillator

13 Lokaloszillator-Treiber

14 Kombinator

15 Leistungsverstärker

16 Balun

17 Vorspannungsquelle

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Vorrichtung zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer THz-Strahlung mit einer symmetrischen Antenne (3, 3', 3") für die zu erfassende THz-Strahlung (8) mit zwei Ausgangsanschlüssen (9, 10, 9', 10', 9", 10") und einem Symmetriepunkt (7, 7', 7"), einer Einspeiseleitung (2) für ein Lokaloszillatorsignal, die elektrisch leitend mit dem Symmetriepunkt (7, 7', 7") der Antenne (3, 3', 3") verbunden ist, und

einem Mischer (4) zum Mischen eines aus der THz-Strahlung resultierenden THz-Signals mit einem Lokaloszillatorsignal, wobei der Mischer (4) zwei Transistoren (5, 6) aufweist, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss (9, 10, 9', 10', 9", 10") der Antenne (3, 3', 3") elektrisch verbunden sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie so beschaltet ist, dass das Lokaloszillatorsignal im Gleichtakt von den Ausgangsanschlüssen (9, 10, 9', 10', 9", 10") der Antenne (3, 3', 3") in den Mischer (4) eingespeist wird, während das THz-Signal im Gegentakt in den Mischer (4) eingespeist wird.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3) eine Resonanzfrequenz aufweist, wobei der Lokaloszillator (12) so eingerichtet ist, dass er im Betrieb ein Lokaloszillatorsignal erzeugt, dessen Frequenz ein ganzzahliger Bruchteil der Resonanzfrequenz der Antenne (3) ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein weiteres Schaltkreiselement (12, 13, 17) aufweist, wobei zumindest die Transistoren (5, 6) und das weitere Schaltkreiselement (12, 13, 17) auf einem einzigen gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (5, 6) des Mischers (4) und das weitere Schaltkreiselement (12, 13, 17) mit der gleichen Halbleiterprozesstechnologie hergestellt sind, wobei vorzugsweise die Transistoren (5, 6) des Mischers (4) in Silizium-Germanium-Technologie hergestellt sind und das weitere Schaltkreiselement (12, 13, 17) in Silizium-Technologie oder Silizium-Germanium-Technologie hergestellt ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lokaloszillator (12) zur Erzeugung des Lokaloszillatorsignals aufweist, wobei der Lokaloszillator (12) elektrisch leitend mit der Einspeiseleitung (2) verbunden ist und wobei zu- mindest die Transistoren (5, 6) und der Lokaloszillator (12) oder Teile des Lokaloszillators (12) auf einem einzigen gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (5, 6) so beschaltet sind, dass sie einen einfach-balancierten Mischer (4) bilden.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren Heterojunction-Bipolartransistoren (5, 6) mit je einer Basis (B), einem Emitter (E) und einem Kollektor (C) sind, wobei die Basis (B) jedes Transistors (5, 6) mit jeweils einem Ausgangsanschluss (9, 10, 9', 10', 9", 10") der Antenne (3, 3', 3") elektrisch verbunden ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (5, 6) des Mischers (4) mit einem Massenanschluss verbunden sind, wobei vorzugsweise, wenn die Transistoren Heterojunction-Bipolartransistoren (5, 6) sind, die Emitter (E) der Transistoren elektrisch leitend miteinander und mit einem Massenanschluss verbunden sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine durchgehende Massenverbindung (1 1 ) zwischen dem Lokaloszillator (12) und dem Mischer (4) aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenverbindung entlang der Symmetrieachse der Antenne (3, 3', 3") unter der Antenne durchgeführt ist, wobei die Massenverbindung nicht mit der Antenne elektrisch leitend verbunden ist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenverbindung als flächige Metallisierung ausgestaltet ist, welche die Antenne (3, 3', 3") umgibt, ohne mit dieser elektrisch leitend verbunden zu sein.

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die flächige Metallisierung von der Antenne (3, 3', 3") einen Abstand von etwa einer Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Antenne aufweist. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne eine Halbwellenfaltdipolantenne (3), eine Loop-Antenne (3') oder eine Patchantenne (3") ist. Verfahren zur kohärenten Erfassung von elektromagnetischer THz-Strahlung mit den Schritten

Empfangen der zu erfassenden THz-Strahlung (18) mit einer symmetrischen Antenne (3, 3', 3") mit zwei Ausgangsanschlüssen (9, 10, 9', 10', 9", 10") und einem Symmetriepunkt (7, 7', 7"),

Einspeisen eines Lokaloszillatorsignals in den Symmetriepunkt (7, 7', 7") der Antenne (3,

3', 3"),

Einspeisen eines aus der THz-Strahlung (18) resultierenden THz-Signals und des Lokaloszillatorsignals in einen Mischer (4), der zwei Transistoren (5, 6) aufweist, wobei das THz-Signal und das Lokaloszillatorsignal von den Ausgangsanschlüssen (9, 10, 9", 10") der Antenne (3, 3', 3") in die Transistoren (5, 6) eingespeist werden und

Mischen des THz-Signals mit dem Lokaloszillatorsignal in dem Mischer (4).