本發(fā)明涉及包括天線的輻射源、收發(fā)器和其他裝置，例如涉及放置在硅基板(芯片)上的cmos技術(shù)天線。

背景技術(shù)：

近幾十年來的cmos技術(shù)創(chuàng)新打開了通向設(shè)計thz頻率的全cmos集成系統(tǒng)的可能性的大門。thz頻率的小天線尺寸使cmos和硅對于可調(diào)向的2d發(fā)射器和接收器陣列而言具有吸引力。在先工作成功地顯示了利用片上天線的thz源陣列[4,10-13]。然而，在不增加成本的情況下在標(biāo)準(zhǔn)cmos中實現(xiàn)具有顯著輻射功率和效率的鎖頻和鎖相的這種陣列仍是一種挑戰(zhàn)。以下將描述的解決方案致力于解決cmosthz輻射陣列中的若干現(xiàn)有問題，例如：

第一個問題是天線效率，如天線陣列那樣的和在天線陣列中的問題。標(biāo)準(zhǔn)cmos中的體硅具有高電容率和低電阻率，其在100-800μm的體厚度下在0.3thz處招致顯著的輻射損失。如果在接地硅基板(低的或高的相對電容率)上設(shè)計片上天線，則電磁波將會在所有方向從天線向外輻射和傳播。在基板內(nèi)部輻射的所有波將會在地平面和電介質(zhì)/空氣界面之間反射。在干次反彈之后，反射的角度將會增大，并且在臨界角之后，波將會被捕獲在基板內(nèi)并且耦合到表面波模式(te0和tm1為主要的貢獻者)。開發(fā)了若干解決方案來規(guī)避這一問題(比如覆板石英層、背面硅透鏡)，然而，它們?nèi)季哂谐杀荆枰獠吭?，并且使芯片集成?fù)雜化。

即，在先工作添加了具有背面輻射[11-12]或石英覆板[13]的高造價透鏡以保持合理的效率。天線效率對于片上2d陣列而言更成為挑戰(zhàn)，這是因為其由于硅總面積而劣化，從而使得其不可擴展。還已知的是，天線陣列系統(tǒng)需要大的硅面積(與單個天線所需的面積相比，不成比例地大)以便實現(xiàn)其最大增益。

第二個挑戰(zhàn)是在這種陣列的每個元件中的有效thz生成。在這層意義上，由于特別是在功率放大器中消耗的dc功率，壓控振蕩器(vco)通常對于倍頻器鏈(multiplierchain)而言是優(yōu)選的。在普遍存在的交叉耦合對中，特別是在使用附加的緩沖器和無源倍頻器在所生成的基波的諧波處驅(qū)動天線時，在其調(diào)諧范圍、輸出功率和相位噪聲之間存在不可避免的權(quán)衡取舍。

第三個挑戰(zhàn)是鎖定陣列。如在本領(lǐng)域中所知的，可以使用有源倍頻器鏈以顯著dc功率和面積為代價來將信號鎖定到低頻基準(zhǔn)。還可以使用各個pll，同樣具有面積和功率的開銷，但由于負載因而還具有輸出功率損失。次諧波注入鎖定可以是面積和功率高效的，但仍需要消耗了面積、功率并且不容易在2d中擴展的較低(除毫米波外)lo分布。應(yīng)當(dāng)注意，thz輻射源/陣列的鎖定是特定技術(shù)問題，其在所謂的“thz空隙(thzgap)”(0.3thz–3thz)中尤為尖銳。

近年來已經(jīng)做出了許多努力，通過將集成電路的操作范圍從毫米波向thz范圍(300ghz–3thz)延伸以覆蓋“thz空隙”。應(yīng)當(dāng)注意，在thz空隙以上，由于可以通過光學(xué)設(shè)備來供給高于3thz的頻率，因此所述問題并不十分尖銳。thz信號對于許多應(yīng)用而言是期望的，但它們受到其抖動(或相位噪聲)的限制，這意味著它們的頻率和波幅在時間上不恒定。而且，當(dāng)前的用于實現(xiàn)被鎖定的thz源的方式需要復(fù)雜的設(shè)計，尤其當(dāng)用于相控陣列系統(tǒng)中時。這是由于若干問題，比如：i)lo功率分布損失(分離器)信號(由于高頻所致)，ii)鎖相環(huán)(pll)的復(fù)雜性和iii)在這樣的頻率處的有源倍頻鏈(amc)的非常高的dc功耗。目前，這些問題以使用昂貴技術(shù)(例如inp和gan)為代價來克服。

盡管已經(jīng)在相對便宜的cmos技術(shù)中(即，在用于構(gòu)造集成電路的互補金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)中)展示了thz信號的生成和檢測，各種挑戰(zhàn)仍然妨礙cmos技術(shù)對于這種應(yīng)用切實可行。一個重要問題是，當(dāng)前的cmos晶體管很難在從0.3thz(300ghz，所謂的最大頻率，在不同cmos版本中不同)開始的thz范圍展示任何功率增益。由于這一原因，信號生成不得不依賴低頻(基頻)源/發(fā)射器的(典型地在毫米波范圍中的)諧波生成。該方式中的主要挑戰(zhàn)是實現(xiàn)高輸出功率、高生成效率、高片上輻射效率、以及對基頻和其他不必要諧波的良好抵制。

在先已知的解決方案通過使用d頻帶頻率源的二次諧波[1]或w頻帶源的三次諧波[2-5]來生成j頻帶(220-325ghz)信號。在所提及的工作中，一般而言，源(通常是諸如壓控振蕩器vco的振蕩器)的輸出通過變壓器耦合到天線，變壓器引入了額外的損失，還輻射能量，因此降低了注入到天線中的功率。在這種情況下的天線的挑戰(zhàn)不僅是從cmos的干擾硅基板有效地輻射所需諧波，而且要抵制基頻，由此進一步改善所輻射的信號的質(zhì)量和總體功率效率。在[2]中展示了一種改進，其中片上環(huán)形天線直接連接到vco晶體管的漏極。然而，為了使片上thz輻射源實用，例如可用于相干通信或雷達成像，該源的頻率和相位需要被鎖定到基準(zhǔn)源。

一種方法是使用基頻[3]處的pll(鎖相環(huán))，其大大增加了電路復(fù)雜性、成本和dc消耗。而且，在存在輻射源(vco)的陣列的情況下，該方法要么每一元件均需要單獨的pll，要么需要針對毫米波或甚至thz信號的有損的、復(fù)雜的分布網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)有技術(shù)中已知的另一方法是將許多vco組合并耦合在同一芯片上并行地運行并采用互鎖[2]。然而，在這樣的方法中，vco輸出必須在天線之前被功率組合或者必須在每個元件(vco)區(qū)域內(nèi)提供天線。功率組合于是以基頻執(zhí)行，這是個缺點。另外，互鎖不一定足以用來實現(xiàn)來自整個整列的被鎖定的發(fā)射信號；這個問題有時通過在陣列內(nèi)放置若干合成器來對付，以便將整個陣列注入鎖定，而這一解決方案同樣是高成本、復(fù)雜和dc消耗大的。信號分布于是在較低的、低損失的頻率處進行，但在硅面積和dc功耗方面的成本較高。

關(guān)于上文討論的主題的許多公開在說明書之后呈現(xiàn)的章節(jié)“參考文獻”中有提及。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是以最經(jīng)濟的方式并且至少針對thz輻射源和陣列來解決上述若干現(xiàn)有問題——單個天線元件的效率、天線陣列的效率、天線/陣列的鎖定。

已經(jīng)提及，天線陣列系統(tǒng)需要比單個天線所需面積大得多(且不成比例地大)的大硅面積以便實現(xiàn)其最大增益。

為了解決天線效率這第一個問題，本發(fā)明人提出了如下構(gòu)思：通過在芯片/絕緣板的硅基板中創(chuàng)建溝道，將用于片上天線(其為單個天線元件或天線陣列中的天線元件)的單獨區(qū)域從該芯片的其余硅區(qū)域/該板的其余區(qū)域中保留出來/隔離出來，以便保留該片上天線的增益，其中，所述溝道限定了天線的單獨區(qū)域，因此將該天線從其余硅區(qū)域和/或陣列的其他天線隔離出來。將在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語天線芯片應(yīng)當(dāng)被理解為布置在絕緣板/芯片/晶片上的一個或多個天線。

為了實現(xiàn)片上天線的(從周圍或從陣列的其他天線和它們的硅區(qū)域中的)更有效的隔離，硅基板中的溝道可以被金屬化(金屬鍍覆，設(shè)有嵌入于所述溝道中的金屬球，以導(dǎo)電材料填充)。片上天線可以是印刷天線、接收/或發(fā)射天線，例如thz天線。片上天線可以連接到例如具有vco形式的發(fā)射器。天線(和vco)可以通過諸如cmos等經(jīng)濟的技術(shù)來生產(chǎn)。

在本說明書中，術(shù)語“天線”和“發(fā)射器”中的每一個可以按兩種含義來使用：特定的和一般的。在特定含義中，這兩個術(shù)語定義了可以一起形成天線元件的發(fā)射器和天線。然而，天線可以是接收天線，因此可以不連接到任何發(fā)射器/饋源。在這種情況下，天線元件包括沒有發(fā)射器的天線。在非特定(一般)含義中，術(shù)語天線/發(fā)射器中的任一個可以替代術(shù)語“天線元件”來使用。用于輻射頻率的源(輻射源)可以包括包含相應(yīng)發(fā)射器的一個或多個天線元件。兩個或更多個天線元件形成陣列，它們可以被稱為陣列的像素。在說明書中，術(shù)語輻射源、發(fā)射器、收發(fā)器、天線、天線元件、陣列元件、陣列像素可能穿插使用，并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)上下文并參考附圖來理解。

應(yīng)注意的是，溝道(金屬化或沒有金屬化)可以在將陣列放置在板上時設(shè)置。不過原則上這種溝道可以在將天線印刷在板上之前預(yù)先設(shè)置。此外，可以將溝道制作在基板/板的正面上。單獨區(qū)域優(yōu)選是最佳的。在本說明書中，最佳區(qū)域可以理解為這樣一個單獨區(qū)域，其由圍繞陣列中的單個天線的所述溝道(具有或不具有金屬壁)來限定，在其內(nèi)，單個天線的增益在操作中保持不劣化。本發(fā)明人認識到增益保留的效果是對在天線或天線陣列所處的芯片上出現(xiàn)的表面波的動作進行了抵消的結(jié)果。本發(fā)明人已經(jīng)注意到，如果一旦通過經(jīng)驗或通過分析而為特定天線的特定陣列找到的最佳區(qū)域被更改(即尺寸增大或減小)，則被這樣的更改后的區(qū)域所包圍的天線的增益劣化。

諸如gaas或gan之類的若干技術(shù)具有tsv(貫穿基板通孔)的制造可行性，其表明通孔可以貫穿整個芯片并連接芯片的底部和頂部。這樣的通孔可以在將天線印刷在芯片上之前或與之同時地制造在硅芯片的前面上。另一選項是(為板)提供貫穿金屬通孔。本構(gòu)思的一個未來可能的實現(xiàn)方式是將這樣的通孔(tsv、tmv)用來包圍天線的最佳區(qū)域，或者為了創(chuàng)建包圍最佳區(qū)域的所提到的金屬壁。不過，這樣的tsv元件目前在標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)(例如cmos、sige)中還不可用，并且很可能很長一段時間都不會出現(xiàn)。因此，本發(fā)明人提出了一種簡單直接的解決方案，其包括在硅基板(或芯片或板)中設(shè)置分割溝槽，并隨后優(yōu)選地采用導(dǎo)電膠對它們進行鍍覆或填充。在它們的實驗中，本發(fā)明人成功地得到了預(yù)期效果：它們將天線的最佳區(qū)域與其余的硅區(qū)域隔離，并保留了片上天線的增益。例如，由于背面金屬鍍覆溝槽的構(gòu)思和示例性先進技術(shù)，本發(fā)明人成功在任何硅區(qū)域上集成高增益天線，保留其最先進性能，并且允許以非常低的成本實現(xiàn)性能優(yōu)良的片上天線。嵌入于硅基板中的金屬壁的深度或溝道的深度可以在基板厚度所允許的最大深度以內(nèi)變化。

實際上，本發(fā)明人還提出了一種制造天線芯片的方法，該方法包括：在絕緣板上設(shè)置一個或多個天線元件的步驟，每個天線元件能夠輻射和/或接收頻率；以及在絕緣板上設(shè)置溝道以便由所述溝道限定針對所述天線元件中的每一個的相應(yīng)單獨區(qū)域的步驟。(絕緣板還可以被稱為芯片、硅基板、晶片、板、晶圓。)

天線芯片可以是輻射頻率的源，在這種情況下，天線元件包括連接到發(fā)射器的天線。

如前所述，該方法可以具有至少以下版本。在板上可以設(shè)置兩個或更多個天線的陣列?？梢砸詣?chuàng)建最佳單獨區(qū)域/多個最佳單獨區(qū)域的方式來設(shè)置溝道。溝道可以在板的背面或正面做出。溝道可以在設(shè)置天線之前或之后制作。背面溝道還可以以導(dǎo)電材料填充以在其內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)電壁?？梢酝ㄟ^cmos或類似技術(shù)來制造天線。

為了解決在每個陣列元件中的有效thz生成這第二個問題，本發(fā)明人提出對天線的發(fā)射器使用例如更功率有效的vco拓撲而非傳統(tǒng)vco，比如基于微分考畢茲(colpitts)拓撲的vco。另外，本發(fā)明人提出直接將vco與適當(dāng)?shù)奶炀€連接，從而提供了修改后的天線元件。使用便宜的cmos技術(shù)等所制造的這樣的天線元件形成了有效的thz頻率輻射源。其可以有效地用于例如thz天線陣列中。因此，提出了包括直接連接到天線的具有vco拓撲的發(fā)射器的天線元件。發(fā)射器可以具有考畢茲vco拓撲。更具體地，天線元件可以是cmos制造的thz頻率天線元件。天線元件可以具有所提出的天線芯片的形式。

為了解決鎖定陣列的第三個挑戰(zhàn)，本發(fā)明人提出了新的方法，即所謂的無線次諧波注入鎖定(在圖1c中示意性描繪，并隨后在例如圖1b、6b、6c的其他附圖中示出并說明)，尤其對于以thz頻率操作的天線和天線陣列是優(yōu)越的。實際上，提及的所有挑戰(zhàn)一起帶來本發(fā)明的又一方面。本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生魯棒的頻率被鎖定信號的(例如在thz頻率中和/或在所謂的“thz空隙”的頻率范圍中操作的)輻射源的成本有效的技術(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過諸如cmos等(例如bt、fr4等的板/封裝件)傳統(tǒng)的相對便宜的技術(shù)來建立感興趣的發(fā)射器(即thz天線元件)被認為是不可能的。

實際上，本發(fā)明人提出的用于鎖定天線元件的方法包括：提供具有thz天線的適當(dāng)發(fā)射器，以及通過使用期望的發(fā)射thz頻率的次諧波頻率來執(zhí)行發(fā)射器的無線外部注入鎖定，從而也獲得發(fā)射器的期望的鎖定的發(fā)射thz頻率。

更詳細地說，為了鎖定由發(fā)射器產(chǎn)生的thz信號(例如，“thz空隙”信號)，本發(fā)明人提出以下步驟：

-提供具有能夠發(fā)射期望thz信號到空閑空間中且適于接收該信號的次諧波頻率的天線的發(fā)射器；(根據(jù)所需的所輻射的頻率的thz/thz空隙發(fā)射器)

-提供用于無線地鎖定thz發(fā)射器的外部遠端輻射源，

-提供以被鎖定的(無抖動的)頻率(其是關(guān)于thz發(fā)射器的期望發(fā)射頻率的次諧波)從上述源輻射的鎖定波束，并且確保所輻射的波束在空間上包圍thz發(fā)射器(可能的話，這種發(fā)射器的陣列或至少陣列中大部分發(fā)射器)，因此將(多個)發(fā)射器鎖定到(多個)thz發(fā)射器的次諧波頻率并因而鎖定(多個)thz發(fā)射器的發(fā)射頻率。

事實上，本發(fā)明人已經(jīng)顯示了(多個)發(fā)射器的發(fā)射頻率由于它/它們的次諧波頻率的鎖定而也將被鎖定。

發(fā)射器可以是通過dc供電方案被饋電的壓控振蕩器(vco)。對于所需的發(fā)射和接收能力，可以設(shè)有適當(dāng)?shù)膖hz天線。例如，thz天線可以具有片上天線的形式?？梢允褂胏mos技術(shù)(例如使用cmos65nm)制造vco。天線也可以是基于cmos的，或替代地由sige、inp、hemt技術(shù)中的任何技術(shù)制造。天線優(yōu)選地形成具有發(fā)射器的普通集成電路(ic)的一部分。具有壓控振蕩器(vco)形式的cmos發(fā)射器可以直接連接到片上天線(例如經(jīng)由vco晶體管漏極)。

在包括多個類似發(fā)射器的陣列中，與天線耦合的發(fā)射器可以被稱為陣列的元件。在本說明書的框架中，所提及的感興趣的發(fā)射器有時可以被稱為第一發(fā)射器或收發(fā)器。外部源有時可以被稱為第二發(fā)射器。

在本專利申請的上下文中，術(shù)語“頻率”應(yīng)當(dāng)理解為電磁信號的頻率，該信號可以輸入到收發(fā)器/發(fā)射器或從收發(fā)器/發(fā)射器輸出。

術(shù)語“被鎖定的頻率”應(yīng)當(dāng)理解為具有在特定頻率值處被鎖定(即，無抖動)的頻率的信號。

應(yīng)當(dāng)注意的是，無論一般地還是特別地，所提及的發(fā)射器可以能夠同時：

-生成基頻，

-接收基頻的鎖定次諧波頻率，以及

-產(chǎn)生并發(fā)射關(guān)于鎖定頻率的超諧波頻率。

因此將理解，所述超諧波頻率可以是基頻或基頻的高次諧波，并且保持關(guān)于所提及的次諧波(鎖定)頻率的超諧波。因此，本發(fā)明人提出的解決方案也可以被闡述為一種適合于對發(fā)射器產(chǎn)生的thz信號(例如，thz空隙信號)進行鎖定的方法，其包括：

-提供發(fā)射器，其能夠a)至少生成nthz的第一頻率，b)接收n/nthz的第二頻率，其中n為自然數(shù)；c)至少發(fā)射高于或等于所述第一頻率的第三頻率；

-提供能夠發(fā)出與發(fā)射器的第二頻率相等的n/nthz的被鎖定頻率的外部源；

-啟動發(fā)射器和源，同時將發(fā)射器暴露于源的輻射，以通過使用其n/nthz的第二頻率來執(zhí)行發(fā)射器的無線注入鎖定，從而也鎖定所述第三頻率；

-從發(fā)射器輸出作為發(fā)射頻率的被鎖定的所述第三頻率。

例如，第一頻率可以是發(fā)射器的基頻，并且第二頻率可以是發(fā)射器的次諧波頻率。次諧波情況是優(yōu)選的，因為其更容易從現(xiàn)今的設(shè)備導(dǎo)出。第三頻率可以是發(fā)射器的超諧波頻率或者是其基頻?？商娲?，第一頻率可以是發(fā)射器的超諧波發(fā)射頻率，而第二頻率可以是發(fā)射器的基頻或次諧波頻率。在本說明書中優(yōu)選的是，第三/第一頻率用于經(jīng)由第一發(fā)射器的輸出信號發(fā)射信息，而第二頻率用于控制(鎖定)第一發(fā)射器的各種信號的相位和頻率。

此外，該方法可以包括：采取措施以阻止除了所述第二頻率以外的頻率進入發(fā)射器(收發(fā)器)。為了執(zhí)行這一步驟，所述措施可以包括：

a)使得發(fā)射器窄頻帶的天線適于僅通過所述第二頻率；b)對源的被鎖定的第二頻率執(zhí)行特定調(diào)制，并使得發(fā)射器的天線適于僅通過受到所述特定調(diào)制的頻率。

在又一版本中，該方法包括：還從發(fā)射器同時輸出被鎖定的第二頻率(也就是，用于陣列中的相鄰發(fā)射器的互鎖，后文將描述)。應(yīng)當(dāng)注意，在這樣的陣列中，許多發(fā)射頻率理論上可以共存。陣列中的每個元件可以被設(shè)計為產(chǎn)生其自己的發(fā)射頻率，但是可以使用同一個第二頻率用于外部鎖定和/或互鎖。在本說明書的框架中，我們主要討論并示出發(fā)射單個頻率的發(fā)射器/陣列。

在所提及的該方法的又一版本中，其包括使發(fā)射器的天線適于：發(fā)射第一頻率nthz以用于載送信息，接收第二頻率n/nthz以用于發(fā)射器的無線注入鎖定，發(fā)射第二頻率n/nthz以用于發(fā)射器陣列中的一個或多個相鄰發(fā)射器的無線注入鎖定。如前所述，可以提供類似于所述發(fā)射器且處在所述第一發(fā)射器鄰近的至少一個附加的發(fā)射器來形成發(fā)射器陣列。隨后可以通過使用來自陣列的至少一個發(fā)射器的被鎖定的第二頻率來執(zhí)行發(fā)射器陣列的相鄰發(fā)射器之間的無線注入鎖定。在該方法的一個優(yōu)選版本中，其包括：在發(fā)射器陣列中組合互鎖和外部鎖定，從而得到高eirp(有效全向輻射功率)、trp(總輻射功率)、低dc(直流)消耗和較小的電路復(fù)雜性。

當(dāng)用于類似元件的陣列中時，存在改進所提出的解決方案的能力的附加選項。來自陣列的不同發(fā)射器(vco元件)的發(fā)射信號的相位通常不相同。本發(fā)明人已經(jīng)表明可以僅通過調(diào)整各元件的相對相位來執(zhí)行陣列的總放射波束的空間轉(zhuǎn)向，這可以通過調(diào)整vco的所謂dc工作點來完成。

已知任何vco產(chǎn)生抖動或未鎖定的信號；此外，cmosvco此前被認為不適合用于鎖定thz頻帶的頻率。本發(fā)明人聲明，出乎意料的是所提出的方法允許有效地鎖定這種基于cmos(例如，基于65nmcmos)的vco的thz空隙發(fā)射頻率并且克服了目前對于基于cmos的發(fā)射器而言在thz空隙處固有的缺陷。

例如，基于cmos發(fā)射器/vco的次諧波頻率的使用允許在低于vco的fmax(即，vco在其處仍提供增益的最大頻率)的頻率范圍中工作，從而所提出的解決方案不會遭受在高于fmax的頻率處的發(fā)射器增益的缺乏。

此外，本發(fā)明人以新穎的無線方式來利用注入鎖定的現(xiàn)象。即，他們使用了來自工作在空閑空間中的遠端源的功率十分低的次諧波頻率鎖定信號，并且出人意料地獲得了具有被鎖定的thz空隙頻率的魯棒發(fā)射源，該源

-不需要昂貴和大體積的pll電路和/或倍頻方案

-具有非常低的dc功耗。

上文已經(jīng)從方法的方面限定了新提出的技術(shù)。所提出的系統(tǒng)及適當(dāng)?shù)奶炀€的限定大體上對應(yīng)于該方法的限定。在發(fā)明內(nèi)容部分中和在以下的具體實施方式部分中還將添加一些特定特征和細節(jié)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種能夠鎖定thz發(fā)射頻率的信號的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射器，該發(fā)射器具有適于接收從外部輻射源輻射的被鎖定的次諧波頻率的thz天線，該系統(tǒng)適于在所述發(fā)射器中通過作為關(guān)于發(fā)射器的發(fā)射thz頻率的次諧波的所述被鎖定的頻率來執(zhí)行無線注入鎖定；從而該系統(tǒng)確保了所述發(fā)射器的所述發(fā)射thz頻率的鎖定。

在一個優(yōu)選實施例中，上述系統(tǒng)適于產(chǎn)生和鎖定作為thz空隙頻率的發(fā)射頻率。該系統(tǒng)還可以包括能夠輻射所述發(fā)射器的被鎖定的次諧波頻率的外部源。

更詳細地說，該系統(tǒng)可以包括：

-所述發(fā)射器，其設(shè)有所述thz天線，并且能夠：至少產(chǎn)生nthz的第一頻率，接收n/nthz的第二(次諧波)頻率，其中n為自然數(shù)，發(fā)射等于或高于第一頻率的第三頻率；

-外部源，其能夠發(fā)出與所述發(fā)射器的第二頻率相等的n/nthz的被鎖定的頻率；

發(fā)射器和源被布置在空間中，使得無論何時被啟動，發(fā)射器都暴露于源的輻射，因此在其n/nthz的第二頻率處受到無線注入鎖定，從而發(fā)射器的一個或多個頻率由于被鎖定的第二頻率而變得被鎖定；由此使得第一發(fā)射器能夠至少輸出作為所述發(fā)射頻率的所述被鎖定的第三頻率。

如前已述，發(fā)射器可以是vco，例如cmosvco，并且thz天線可以是直接連接到vco的片上環(huán)狀(環(huán)形)天線。該天線可以通過cmos技術(shù)制造，但是也可以通過其他技術(shù)生產(chǎn)并與cmosvco組合在同一集成電路中。

在所提出的系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施中，發(fā)射器陣列和外部源可以適于執(zhí)行互相和外部注入鎖定的組合。

外部源可以是能夠發(fā)射和鎖定第二頻率的優(yōu)選與發(fā)射器相距大約6-50cm的任何源。然而，根據(jù)天線和陣列的特定設(shè)計和參數(shù)，天線可以與陣列相距達到10m。來自外部鎖定源的功率可以低如-30dbm。

如前已述，所提出的構(gòu)思還實現(xiàn)了建立并使用簡單和成本有效的被鎖定的thz發(fā)射器陣列，以用于得到組合的更強大的和無抖動的輸出信號。

在所述陣列中的相鄰發(fā)射器之間的距離可以在基頻波長的大約(0.5-2.0)的范圍內(nèi)，例如針對100ghz大約1mm-3mm。所提及的距離范圍可以充當(dāng)對陣列中的發(fā)射器的單獨區(qū)域的尺寸進行表征的示例范圍，如前文所討論的那樣。

發(fā)射器陣列可以由相似的cmosvco組成，并且下文將在具體實施方式部分中描述發(fā)射器、天線和陣列的一些可能修改。

如前所述，還提供了通過cmos技術(shù)制造的thz頻率天線元件，其包括具有vco拓撲并且直接連接到天線的發(fā)射器。天線元件可以具有所提出的天線芯片的形式。此外，天線元件可以適于所提出的次諧波無線注入鎖定。

天線元件可以例如用在上文討論的系統(tǒng)中并且至少適于包括如下的雙重功能：

-接收用于執(zhí)行發(fā)射器的無線注入鎖定的次諧波頻率；

-發(fā)射工作頻率，其為關(guān)于所提及的被鎖定的次諧波頻率的超諧波工作頻率。

天線還可以適于三重功能，附加的功能為發(fā)射用于執(zhí)行相鄰收發(fā)器(如果有的話)的無線注入鎖定的被鎖定的次諧波頻率。

分別地，次諧波頻率可以是發(fā)射器的基頻或其低次諧波頻率；而超諧波頻率可以是基頻或關(guān)于所提及的次諧波頻率的高次諧波頻率。

目前，可以通過天線在發(fā)射(工作)頻率處提供的功率看起來足夠用于例如隱蔽武器雷達(即短程雷達)、短程的極寬帶寬通信、和生物組織成像。

來自外部鎖定源的功率可以低如-30dbm，以用于以大約半波長(其為約1mm)間隔開的陣列的相鄰天線元件(收發(fā)器、“元件”、像素)。該距離還可以根據(jù)特定需要而更小。

次諧波頻率可以被理解為第二頻率，而超諧波頻率可以被理解為如上文所述的第一或第三頻率。

優(yōu)選地，天線適于發(fā)射thz空隙頻率。在接收模式下，天線可以適于thz空隙以下的頻率，這甚至更為經(jīng)濟(例如，儀器可接入頻率可以高達100ghz)。

更具體地，所提出的天線可以是環(huán)狀的片上天線。如前所述，其可以是基于cmos的天線，但也可以不是。

優(yōu)選地，天線元件的天線可以適于在取決于頻率的如下兩種體制下工作：

-在次諧波頻率處(例如在115ghz處)，天線為感應(yīng)器(阻抗負載)并且充當(dāng)發(fā)射器的基頻處的rf扼流圈；

-在發(fā)射頻率處(例如在345ghz處)，天線作為匹配電阻天線工作。

即，在方法的另一版本中和系統(tǒng)的其他實施例中，單個天線元件或這種元件的陣列可以被制造在具有對(多個)天線元件的單獨區(qū)域進行限定以用于將天線元件彼此隔離開的溝道的絕緣板(pcb、晶片、芯片、硅基板)上。溝道可以被金屬化。

類似地，上文提及的用于通過設(shè)置在絕緣板中的溝道來隔離(多個)天線元件的解決方案可以通過確保(多個)天線元件的無線注入鎖定來實行。

構(gòu)思中的任何思想可以使用包括直接連接到天線的vco發(fā)射器的天線元件，例如cmosthz天線元件。

例如，可以提出如下示例解決方案：所討論的天線芯片(包括芯片，其具有通過芯片中設(shè)置的溝道而被隔離的一個或多個天線元件)具有以下特征a)和b)中的至少一個：

a)天線元件是通過cmos技術(shù)制造的并且包括直接與具有vco拓撲的發(fā)射器連接的天線的thz頻率天線元件；

b)天線元件包括連接到天線的發(fā)射器，其中所述天線元件能夠通過使用作為發(fā)射器的期望thz發(fā)射頻率的次諧波的被鎖定的外部頻率來執(zhí)行其發(fā)射器的無線注入鎖定，從而得到被鎖定的所述thz發(fā)射頻率。

所討論的用于鎖定thz頻率的信號的方法可以在作為輻射源的天線芯片中執(zhí)行，其中天線元件(意圖用于輻射必需的thz頻率)放置在絕緣板上由絕緣板中設(shè)置的溝道所限定的單獨區(qū)域內(nèi)。

上述方法還可以包括：提供被鎖定頻率的外部源，并確保所提及的單獨區(qū)域的尺寸大致對應(yīng)于由所述外部源輻射的在單獨區(qū)域處接收到的波束的橫截面。

意圖用于鎖定thz發(fā)射頻率的信號的系統(tǒng)可以包括放置在通過設(shè)置于絕緣板中的溝道(切塊、溝槽)而在絕緣板上限定的(多個)單獨區(qū)域內(nèi)的所提及的一個或多個天線元件。

還將在繼續(xù)說明過程中更詳細地描述本發(fā)明。

附圖說明

下面將利用如下非限制性附圖來說明和例示本發(fā)明，其中：

圖1a示出絕緣板，其承載了設(shè)置于板中并將其分成用于2d陣列的天線的單獨區(qū)域的溝道(比如溝槽或切塊)的網(wǎng)。

圖1b示出作為包括發(fā)射器的天線元件(其可以用作輻射陣列的像素)的輻射源的實現(xiàn)方式的示例。

圖1c示出低成本2d可擴展thz陣列的示例性實現(xiàn)方式，其中天線元件通過設(shè)置在硅基板中的溝槽/切塊分開。圖1c還描繪出陣列的天線根據(jù)本發(fā)明是可無線地鎖定的。

圖2a、圖2b示出可如何在硅基板中圍繞天線元件設(shè)置金屬鍍覆后的溝槽，并且其如何改變天線的增益。

圖3a至圖3c示出天線陣列(2x3)的特定實現(xiàn)方式，其中通過使用所提出的溝槽/分割技術(shù)實現(xiàn)對應(yīng)的參數(shù)。

圖4a、圖4b呈現(xiàn)了示出單個天線的功率和2x3天線陣列的功率的掃描光片。

圖4c示出針對單個天線和2x3天線陣列的作為頻率的函數(shù)的eirp的圖線。

圖4d示出作為陣列中的天線的數(shù)量的函數(shù)的eirp/trp的圖線。

圖5a和圖5b為設(shè)有對源進行隔離的被分割溝槽的、具有2x3源的陣列的示例芯片的顯微圖。圖5a和圖5b給出了陣列和溝槽的示例尺寸。

圖6a、圖6b和圖6c呈現(xiàn)了示意性框圖，其示出：

與已知方法(圖6a)相比較的所提出的次諧波無線注入鎖定的示例實現(xiàn)方式(圖6b)，以及執(zhí)行陣列中的次諧波互鎖的示例(圖6c)。

圖7示出在所提出的thz發(fā)射器中的eirp和針對控制柵極偏壓的調(diào)諧范圍的測量結(jié)果。

具體實施方式

所提出的新方法包括陣列中的任何天線元件的機械/電隔離以及分離地或一起地執(zhí)行對包括發(fā)射器的天線元件的發(fā)射頻率的鎖定。盡管對于任何技術(shù)和頻率都是有用的，但本方法對于諸如cd、sige針對所有cmos工藝節(jié)點(例如65nmcmos)的技術(shù)尤為優(yōu)越。該方法實現(xiàn)了對于片上天線陣列的所輻射功率的顯著增大。例如，針對在thz空隙附近的頻率窗中(即，在300ghz-3thz的范圍內(nèi)及其附近)工作的陣列獲得了可觀的結(jié)果。

對于詳細說明，我們將提醒以下術(shù)語

●w頻帶頻率：67ghz至110ghz

●j頻帶頻率：220-325ghz

●d頻帶頻率—110ghz至170ghz

●thz空隙頻率—大致在0.3thz與3thz之間

●eirp—等效全向輻射功率

●trp—總輻射功率

●陣列的方向性—在遠場處測量的陣列的組合波束的方向性

●dc消耗：dc功率，被測量為晶體管漏極的dc電壓乘以通過晶體管漏極的dc電流。

●鎖定范圍—vco在其中無抖動(表明其直接受注入信號的影響)的頻率范圍。在該范圍中，可以調(diào)整vco的頻率(即vco的頻率將會跟蹤或等于注入信號的頻率)

●槽路的q—振蕩器(vco)的諧振槽路的品質(zhì)因數(shù)

●esd保護—抵抗esd沖擊的靜電放電保護；

●天線元件包括至少一個天線(例如接收天線)。設(shè)有適當(dāng)天線的發(fā)射器/收發(fā)器形成輻射天線元件。

●用于輻射頻率的源(輻射源)可以包括包含(多個)發(fā)射器的一個或多個天線元件。

●放置在絕緣板上(例如在硅基板上)的兩個或更多個天線元件形成陣列。

●天線元件(尤其是作為陣列的一部分的天線元件)可以被稱為“像素”、“發(fā)射器”或“天線”

●vco—壓控振蕩器

●天線芯片—承載一個或多個天線的絕緣板

●溝槽—設(shè)置在絕緣板/硅基板中的溝道/切塊/狹縫

圖1a-圖1c示出通過低成本2d可擴展無線鎖定thz天線陣列所展示的組合構(gòu)思。

圖1a示出意圖用于低成本2d可擴展天線陣列的絕緣板/硅基板/晶片10的示例實現(xiàn)方式。在板10上，用于天線(天線元件、發(fā)射器、源、像素)16(圖1b、1c中所示)的單獨區(qū)域14被設(shè)置在基板10的后表面處的溝道/溝槽12分離。在實踐中，在絕緣板的前面上制造了陣列(所謂的后制造工藝)之后，可以切割(dice)絕緣板的背面(如圖所示)?？商娲?，可以在基板的正側(cè)上并且預(yù)先制作溝道12。如本發(fā)明人已經(jīng)表明的，天線基板(cmos或其他)內(nèi)的任何溝道將會用于保留天線增益的目的。溝道可以在天線打印之后被切割，或者在天線打印之前在cmos或板上通過稱為貫穿硅通孔(針對cmos/硅基板)或貫穿金屬通孔(針對板/封裝件，如bt、fr4等)的工藝開槽。

圖1b是單個輻射源(天線元件、像素)16的所提出的一種拓撲的示意性例示和模型。在該示例中，其基于與thz天線16b耦合的th發(fā)射器vco16a，這兩者均通過cmos制造。該天線例如為已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明人的在先工作[14]而證明了其優(yōu)良性質(zhì)的環(huán)形天線。圖1b中的vco具有考畢茲配置。本發(fā)明人提出將發(fā)射器直接連接到天線，以分離陣列中的vco并且執(zhí)行無線注入鎖定(見圖1c還有圖6b、圖6c)。在天線的模型(虛線輪廓標(biāo)記的17)中，包括虛擬電阻rant的上分支對應(yīng)于頻率300-345ghz(三次諧波)，而具有兩個虛擬電感l(wèi)d的分支對應(yīng)于100-115ghz(基波)，兩個諧波均由vco生成。晶體管將它們的lg和cgs的槽路與加載漏極的天線隔離。通過對cgs進行控制的柵極偏置而不添加低q可變電容來實現(xiàn)調(diào)諧。有效槽路的相對高的q和不存在拖尾電流使得基波電壓波幅能夠超過2vdd。這些示例性波幅實現(xiàn)了在晶體管中的非常有效的三次諧波電路生成，驅(qū)動了直接連接到漏極的環(huán)形天線。其他波幅可以帶來另外的(例如五次)諧波的有效生成。環(huán)形天線的特殊設(shè)計再次發(fā)揮作用：其在基頻處是rf感性扼流圈，但在例如所輻射的三次諧波處是阻性的。因此，在基頻處很難產(chǎn)生任何功率，更不必說在三次諧波處的輻射且非常有效的生成和輻射。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了無線地鎖定thz發(fā)射器的所輻射的輸出頻率，使用次諧波外部輻射源是a)可能的并且b)優(yōu)越的。由于在與第一發(fā)射器的晶體管漏極相連接(即，直接連接)的天線節(jié)點(處于接收模式下)處的足夠大的開路電壓，在vco中發(fā)生了鎖定現(xiàn)象。在操作中，連接在柵極與漏極之間的電容器的寄生電容(cgd)和連接在漏極與源極之間的電容器的寄生電容(cds)在vco的基頻處對柵極與源極之間的所謂的諧振/振蕩槽路提供了電流路徑。計算機仿真考慮了特定參數(shù)，并且例如示出以-20dbm的入射功率輻射的天線的開路電壓在110ghz附近大約為3mvrms。這對應(yīng)于在基頻處的～0.3ghz的鎖定范圍，如在仿真中觀察到的，以及通過鎖定范圍ωl的阿德勒公式(adler’sequation)所預(yù)測的那樣，考慮了槽路中的所仿真的振蕩和所注入的波幅：

其中vinj為注入電壓(在110ghz處)，vosc為振蕩電壓，q取作25，ω0為在110ghz處取得的振蕩頻率，并且所得到的鎖定范圍為～0.2ghz。

此外，圖1b示意性地示出所提出的鎖定單個片上j頻帶輻射源16的一種方式。該源基于基本w頻帶vco，其輻射使用直接連接到無緩沖器的差分vco的片上環(huán)形天線來輻射其j頻帶三次諧波3xfosc(21)。利用w頻帶信號22flock＝fosc(例如，使用放置于50cm外的喇叭天線)對芯片進行輻射實現(xiàn)了輻射源16的無線注入鎖定。源可以在約280與約294ghz之間的寬頻率范圍中被調(diào)諧，其中峰值總輻射功率約為0.6mw，eirp約為+7dbm，并且dc至thz輻射功率效率約為3％。

通過在10mhz偏移處比-95dbc/hz更良好的自激相位噪聲，被鎖定的信號跟隨外部基準(zhǔn)的相位噪聲，在-25dbm的所輻射的w頻帶功率下達至大約80mhz的鎖定范圍。在圖1b的輻射源(發(fā)射器)的略微不同的示例中，可以在tsmc(臺灣積體電路制造股份有限公司)cmos65nm工藝中在承受10ω·cm的電阻率的230μm厚度的塊體(無溝道)上設(shè)計電路。vco16a基于差分考畢茲壓控振蕩器(vco)。

vco槽路由嵌套環(huán)形ls和在晶體管的源極處的mom電容器cs組成，頻率調(diào)諧通過控制晶體管柵極偏壓(修改晶體管柵-源電容并因此修改了振蕩頻率)來實現(xiàn)。環(huán)形(環(huán)狀)天線16b直接連接到晶體管漏極，并且被設(shè)計為使得它的環(huán)作為電感器并充當(dāng)在vco振蕩基頻(即100-115ghz)處的rf扼流圈，并且在振蕩頻率的三次諧波(300-345ghz)處，該環(huán)/圈成為幾乎純阻性元件，因而充當(dāng)j頻帶的、所匹配的阻性環(huán)形天線。在該電路中在每個偏置節(jié)點處添加了通過n型二極管形成的去耦電容器和esd保護。對晶體管柵極串聯(lián)地添加了1kω的電阻器以作為附加esd保護。

到天線中的最大仿真注入功率為約0dbm，并且vco仿真調(diào)諧范圍為約5％。通過計算機仿真程序仿真的天線具有21％的-10db帶寬(260-320ghz)以及從270ghz至320ghz的分別為約+8dbi和50％以上的方向性和總效率。

vco操作。如前所述，vco槽路由嵌套環(huán)形ls和在晶體管的源極處的mom電容器cs組成。然而，確定了vco的振蕩頻率的主要電容器和電感器為cgs柵-源電容器和柵極嵌套環(huán)形電感器lg。因此，通過控制晶體管柵極偏壓(修改晶體管的柵-源電容并因此修改了振蕩頻率)來實現(xiàn)頻率調(diào)諧。電感器ls僅需要足夠大以確保振蕩穩(wěn)定性，而晶體管尺寸、柵極電感器lg和源極電容器cs之間的合適比率將會使得調(diào)諧范圍最大化。無源元件(電感器和源極電容器)的值固定，并且在設(shè)計時確定。晶體管的尺寸也一樣。然而，vg的dc值有效改變了晶體管的柵-源電容，其進而改變自激振蕩頻率。

在仿真中將vco設(shè)計為其振蕩基頻以110ghz為中心。在晶體管漏極處的仿真最大差分輸出功率在330ghz處為0dbm，并且仿真調(diào)諧范圍為1％。在電路的每個偏置輸入處添加了去耦電容器和esd保護(由n型二極管形成)。對晶體管柵極串聯(lián)地添加1kω電阻器以作為附加的esd保護。

vco被直接連接到天線這一事實以及天線的多功能性(當(dāng)然，還有用于注入鎖定的外部鎖定源的使用)是新穎且有成效的。

圖1c示意性示出由圖1b所示的元件16形成的放置在圖1a所示的基板10上的示例天線陣列。換句話說，陣列的像素可以是thzcmos輻射源。此外，圖1c示意性示出在基板中形成的用于隔離陣列的元件的溝槽12可以被金屬填充。例如，其可以通過將基板10的背側(cè)放置在板(pcb)20上的導(dǎo)電膠18的層上來執(zhí)行。圖1c還示出可以在天線陣列上(例如使用100ghz外部基準(zhǔn)，標(biāo)記符號為22)執(zhí)行所謂的無線注入鎖定。然而，應(yīng)當(dāng)注意，可以將天線陣列放置在不具有上述溝道的絕緣板上。

如果這樣的陣列受到使用22的鎖定頻率，則無線注入鎖定可以以任何方式發(fā)生，但是由于陣列的非隔離天線的干擾會效率較低。在絕緣板的任何配置中，注入鎖定過程可以是雙重的：首先，陣列中的相鄰元件相互注入鎖定(箭頭24)；隨后，外部100ghz源22(圖1c中未示出)將整個陣列鎖定到基準(zhǔn)。我們在該示例中使用100ghz的值，盡管其實際上可以為115ghz等。環(huán)形天線在這里也會起到重要作用。盡管基頻100ghz不被天線輻射，但其仍在環(huán)中生成磁場，其在100ghz處是感應(yīng)的。該信號磁性耦合到相鄰環(huán)形天線并通過晶體管rds和cgd被注入vco槽路中。外部100ghz鎖定源對300ghz(三重100ghz)輻射功率沒有影響，并且還能利用僅-15dbm的輸出功率在cmos中被實現(xiàn)。

本發(fā)明人已經(jīng)成功展示了可以針對大約270-350ghz的頻率實現(xiàn)陣列中天線的高增益性質(zhì)。不過，在大得多的頻譜(根據(jù)當(dāng)前研究的初步結(jié)果，至少200-700ghz)上也可以實現(xiàn)類似效果。下面，呈現(xiàn)了對意圖用于注入鎖定的并且在基板(其有或者沒有被上述溝道劃分成單獨區(qū)域)上創(chuàng)建的天線陣列的更為詳細的描述。

許多vco可以被組合并耦合到同一芯片上的陣列中，可以并行地運行并且采用互鎖。在陣列中可以使用所提出的鎖定輻射j頻帶源的新方式。為了對其進行檢查，實現(xiàn)了具有運行輻射thz源的空閑空間的vco，并且成功觀察和測量了其自激信號。所測量的一個thz源的輸出信號展示了在345ghz處的+3.8dbm的最大eirp，其中在343與347ghz之間具有1.2％的調(diào)諧范圍。通過使用來自外部d頻帶源的基準(zhǔn)信號并在與其振蕩基頻接近的頻率處在自激thz輻射芯片陣列的方向上輻射該基準(zhǔn)信號，三次諧波輻射源陣列信號被成功鎖定在thz頻率處。

實現(xiàn)了1x2和1x4源的陣列，并且分別測量了5和10db的eirp改進得到針對1x2/1x4陣列的+8.6dbm/+13.8dbmeirp。1x4陣列的trp(總輻射功率)為+1dbm，得到1.2％的dc至thz效率。

所提出的發(fā)射器的上述參數(shù)相比于其他cmos節(jié)點(例如45nm等)好得多(好大約一個數(shù)量級)。另外，與vco+天線(例如倍頻鏈和vco+pll+天線)相比，其勝過了用于thz輻射產(chǎn)生的其他方法。采用承受12ω·cm的電阻率的230μm厚的體硅，在tsmccmos65nm工藝中設(shè)計了與圖1c的電路類似的電路(但不具有溝道12)。在示例中，陣列的每個元件基于差分考畢茲壓控振蕩器(vco)。

圖1c的每個vco的片上環(huán)形天線可以類似于圖1b中的天線。應(yīng)當(dāng)注意，注入互鎖在所提出的解決方案中并非強制性的(盡管是幫助大的)。各元件的緊密性給出三個事實：i)外部“鎖定器”的波束可以很窄，并且仍然包含所有元件。ii)由于緊密的元件在空閑空間處容易相互作用，因此波束轉(zhuǎn)向會進行得更容易。iii)整個輻射波束的方向性隨著元件更緊密而增加。

另外，將陣列的硅區(qū)域劃分成陣列像素的單獨區(qū)域14帶來了附加優(yōu)勢，如使得陣列的一個發(fā)射器/像素的增益穩(wěn)定，以及相對于在沒有所分離的單獨區(qū)域的情況下實現(xiàn)的增益而言使得陣列的增益穩(wěn)定及增加?？偠灾?，圖1a至圖1c示意性呈現(xiàn)并示出了本發(fā)明的兩個互相相關(guān)的構(gòu)思：隔離陣列中的天線元件以及將其無線鎖定以用于更有效的操作。這通過包括65nmcmos的無線鎖定的0.3thz2x3輻射源陣列的示例實現(xiàn)方式而示出。如前所述，可以在一般的絕緣板/晶片(無所述溝道)處實現(xiàn)陣列的無線注入鎖定。然而，通過在晶片背側(cè)使用后處理金屬化(金屬鍍覆)的切割的溝槽，實現(xiàn)了具有5.1％輻射dc至thz效率的5.4dbm的trp和+22dbm的eirp。在該鎖定的源中的所實現(xiàn)的輻射功率和效率應(yīng)當(dāng)被視為對于高于200ghz的任何技術(shù)的集成電路的記錄(成就)。

圖2a示意性示出針對天線元件16(在該示例中，輻射源)的通過溝槽12(例如，金屬化溝槽)在絕緣板10上形成的示例最佳單獨區(qū)域14。例如在存在相鄰天線元件時，在允許保留天線增益的范圍中找出示例最佳區(qū)域。

圖2b示出硅面積變化和金屬鍍覆溝槽對天線增益的影響的電磁仿真結(jié)果。談及硅基板的頻率和參數(shù)，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，通過檢測出陣列中的天線的增益被穩(wěn)定并且不因增大的區(qū)域/相鄰天線而減小，可以憑經(jīng)驗找出陣列中的天線的最佳區(qū)域。例如，在以下情況中通過所提出的技術(shù)實現(xiàn)了最佳區(qū)域：

-對于從250至350ghz的頻率并且對于具有以下特性的硅基板：相對電容率等于11.9，電阻率為12歐姆.厘米。最佳區(qū)域的尺寸取決于天線類型。在環(huán)形天線的情況下，該區(qū)域為大約300x300微米。

通過其研究，本發(fā)明人已經(jīng)顯示，當(dāng)在最佳硅區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)時，可以在標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)(cmos，介電常數(shù)＝12，電阻率＝12歐姆.厘米)中設(shè)計高增益環(huán)形天線(5-8dbi增益)。嵌入硅基板中的溝道/金屬壁的深度可以改變直到在基板厚度所允許的最大深度。

圖2b的計算機仿真的結(jié)果示出，如果陣列設(shè)有針對該特定天線限定單獨區(qū)域(優(yōu)選地，最佳區(qū)域)的金屬鍍覆的溝槽，則可以使天線的增益在任何硅區(qū)域上穩(wěn)定。如可在圖2b中看出的那樣，片上天線的仿真增益隨著沒有溝槽的硅區(qū)域的增大而急劇劣化，但是在最佳地設(shè)定了像素硅區(qū)域的溝槽的情況下保持恒定。穩(wěn)定的增益在圖2b中示出為上部水平線。

圖3a至圖3c示出天線陣列(nxm)的em(電磁)模型，其中通過使用所提出的溝槽/切割技術(shù)來實現(xiàn)對應(yīng)的s參數(shù)和實現(xiàn)的增益參數(shù)。根據(jù)該構(gòu)思，分別地包括thz天線的元件的組被布置成在由半導(dǎo)體晶圓或pcb的可用制備硅區(qū)域限定的硅表面上的nxm陣列(例如2x3陣列，但實際上包括兩個或更多個元件的任何陣列)的設(shè)計，而溝槽(優(yōu)選地，金屬填充溝槽)設(shè)置在pcb板的背側(cè)上以限定針對每個元件的單獨硅區(qū)域并將單獨硅區(qū)域彼此分離。金屬填充溝槽實現(xiàn)了陣列的元件之間的最小干擾、以及作為性能與硅面積成本之間的權(quán)衡取舍的它們的最佳放置。

例如，在65cmos中，本發(fā)明人的方法允許僅使用2x3片上陣列、22dbm的eirp和5.1％的輻射功率至dc功率，得到在0.3thz處的+5.4dbm的記錄輻射功率，其為在這些頻率處對于任何技術(shù)中的陣列所能實現(xiàn)的五倍以上。

因此，還將使用在65nmcmos中具有5.1％dc至rf效率的輻射+5.4dbm的300ghz無線鎖定2x3陣列的示例(其也參照圖1c提出)來進一步說明和例示本工作中提出的構(gòu)思。

示例天線陣列的em設(shè)計(圖3a)包括壓控振蕩器(vco)電感器16、接地環(huán)、pcb接地平面20和焊線26。對晶片10上的2x3的陣列進行封裝的技術(shù)階段可以為如下：1)當(dāng)芯片被粘貼(例如采用銀環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠，未示出)在pcb20上時，通過利用導(dǎo)電膠從晶片的背側(cè)浸漬芯片10的晶片/基板來填充具有金屬壁的溝槽12，2)例如通過相同的導(dǎo)電膠來將基板的側(cè)面金屬化，以及3)將具有金屬線26的芯片接合到pcb13(例如在陣列的每個像素處)。將從em仿真器提取的天線s參數(shù)用作負載，vco可以被設(shè)計成在三次諧波處圍繞285ghz振蕩。根據(jù)仿真，差分考畢茲振蕩器能夠在285ghz處在漏極(天線)遞送高達2.5dbm?；诜抡妫嬎懔?21-22dbm的eirp。為了鎖定振蕩器，使用了在[14]中呈現(xiàn)的無線注入技術(shù)。

圖3b示出根據(jù)頻率(ghz)的圖3a的陣列(在具有金屬鍍覆溝槽的基板上包括六個天線)的回波損耗參數(shù)(以db為單位)。s參數(shù)指示良好的功率如何從給定源(在我們的實例中為vco)被遞送到天線。當(dāng)s參數(shù)很高時，天線“匹配”。由于回波損耗(其等于s11)較低，其更為良好——更多功率被遞送到天線)。s11bw表明何為天線在其中匹配(即，功率被更適當(dāng)?shù)剡f送給天線)的帶寬(bw)。圖3b示出“示例天線”在約250與325ghz之間匹配；s11bw：80ghz(28％)。

圖3c的仿真示出在285ghz附近具有80ghz(28％)的s11帶寬的11.2dbi的所實現(xiàn)的增益(40％的效率)。(對于上文討論的2x3陣列，見三角形標(biāo)示的曲線)。與單個元件(由矩形標(biāo)示的曲線)相比，所討論的2x3陣列具有7db的增加，其略低于理論最大增益(7.8db)。圓形標(biāo)示的曲線示出在像素之間未設(shè)置溝槽的相同陣列中實現(xiàn)的增益。如前所述，使用金屬填充的溝槽實現(xiàn)了元件之間的最小干擾以及作為性能與硅面積成本之間的權(quán)衡取舍的它們的最佳放置。得益于天線元件的分離，可以獲得質(zhì)量非常優(yōu)良的信號。在這樣的基礎(chǔ)上，信號還可以被成功地拉動、合成和無線鎖定。

圖4a、圖4b示出單個輻射源(圖4a)和2x3陣列的源(圖4b)的功率掃描光片。分別做出了單個和六個像素(即元件或天線)的掃描光片并測量-2.4dbm和+5.4dbm的trp。對于trp和eirp觀察到非常符合最大理論陣列增益。根據(jù)所測量的eirp和trp，2x3像素陣列具有16.6dbi的方向性。2x3像素陣列一共消耗67.2mwdc功耗，得到5.1％的輻射功率dc至thz效率的記錄。2d2x3陣列占據(jù)了約2.22mm²的正方形。

圖4c示出針對單個天線和針對2x3像素陣列的作為頻率及控制柵極偏壓(v)的函數(shù)的eirp和調(diào)諧范圍的圖線。圖線是測量結(jié)果。可以看出，具有溝槽的天線陣列的參數(shù)顯著優(yōu)于單個天線元件或無溝槽的陣列的參數(shù)。具有溝槽的陣列的eirp圖線與無溝槽的陣列的eirp圖線相比表現(xiàn)出陣列的大約雙倍的效率。

圖4d示出作為源數(shù)量的函數(shù)的eirp/trp的圖線。圖4d示出對于所提出的陣列而言trp和eirp的理論值和測量值實際上是一致的。

圖5a示意性示出2x3像素陣列的特定示例，其使用具有230μm硅厚度的tsmc65nmcmos工藝來實現(xiàn)。

圖5b呈現(xiàn)了基板的側(cè)視圖和一個溝槽的放大截面圖。通過使用刀片切割器，在諸如pcb的晶片/晶圓的背側(cè)上設(shè)置溝槽。使用了50μm寬的刀片，并且實現(xiàn)了大約150μm的切塊深度(depthdice)，這滿足了對于有效thz輻射的隔離條件而沒有破壞機械穩(wěn)定性。為了填充溝槽，可以利用完全填充所有溝槽的導(dǎo)電膠僅將電路粘貼在pcb上，隨后進行引線接合。

圖6a示意性示出在現(xiàn)有技術(shù)中通常經(jīng)由更為復(fù)雜和昂貴的緩沖器電路31將thz發(fā)射器(輻射源vco)30連接到天線32；而且，天線32僅在發(fā)射體制下工作，以輻射期望的發(fā)射頻率。

圖6b使用兩個示例頻率值示意性示出本發(fā)明的頻率鎖定構(gòu)思?？梢允褂没井a(chǎn)生具有抖動的輻射/發(fā)射和次諧波頻率(在該示例中，分別為0.3thz和0.1thz)的更為便宜的基于cmos的vco36a來得到鎖定的thz發(fā)射器(輻射源)36。為了鎖定它，提供了鎖定的次諧波頻率的外部源34。vco36a直接連接到其天線36b，并隨后可以使用被鎖定在該次諧波頻率處的外部源18來執(zhí)行vco的次諧波頻率的所謂無線注入鎖定。天線36b適于從外部源34接收該鎖定的頻率。當(dāng)在發(fā)射器36a與天線36b之間循環(huán)的vco14的內(nèi)部次諧波頻率0.1thz由于來自外部源34的無線注入的作用而被鎖定時，其也導(dǎo)致了從次諧波頻率產(chǎn)生的vco的輻射頻率的鎖定，并且從天線36b發(fā)射輻射頻率0.3thz。應(yīng)當(dāng)注意，天線36a可以適于也發(fā)射次諧波頻率。包括發(fā)射器36a和天線36b的天線元件被標(biāo)記為36。包括至少一個元件36和外部源34的系統(tǒng)被標(biāo)記為38。

圖6c示出本發(fā)明構(gòu)思的一個實現(xiàn)方式，其中，每個均包括具有如圖6b所示天線的vco的多個元件36彼此足夠接近地被布置在陣列39中，并且其中每個元件還能夠輻射次諧波頻率?；ユi(由元件36之間的箭頭37所示)增強了可以具有寬波束(其將會輻射在整個陣列處)的外部源(注入器)34的鎖定效果。圖6c也可以被理解為示出了陣列39中的組合的外部和相互無線注入鎖定的系統(tǒng)38’。

圖7示出針對控制柵極偏壓的單個天線元件的eirp的測量結(jié)果和調(diào)諧范圍的測量結(jié)果，其中，當(dāng)施加注入鎖定時，天線元件為天線+所提出的thz發(fā)射器。為了測量電路總輻射功率，實現(xiàn)了在4mm距離處的15x16mm²的最大機械允許的掃描光片。掃描光片示出，在掃描區(qū)域中收集的所有輻射功率之和得到了對于陣列的單個元件的8.1dbi的方向性和-4.3dbm的總輻射功率(trp)。這些結(jié)果展示了在我們的vco陣列中的無線注入鎖定的優(yōu)勢。

表1(如下)是組合的概括性的表，其中所提出的thz發(fā)射器陣列的主要設(shè)計因數(shù)與一些已知類型的thz陣列的對應(yīng)的主要設(shè)計因數(shù)定性地進行比較。所有架構(gòu)均基于相同eirp來比較，即，標(biāo)準(zhǔn)化為相同eirp值。

表1

“mn”——匹配網(wǎng)絡(luò)，典型地為變壓器；“面積”——用于制備的面積

表2(如下)呈現(xiàn)了針對thz源陣列的所提出的解決方案與在來自本說明書末尾所示列表的參考文獻[4]和[10]至[14]中描述的各種已知解決方案的比較。通過使用在晶片背側(cè)處的后處理金屬化(金屬鍍覆)的切割的溝槽，實現(xiàn)了具有5.1％輻射的dc至thz效率的+5.4dbm的trp和+22dbm的eirp。在這一被鎖定的源中的所實現(xiàn)的輻射功率和效率是針對高于200ghz的任何技術(shù)的集成電路的記錄。

表2

(a)對于倍頻鏈的-3db帶寬。

(b)使用硅透鏡。

(c)使用覆板石英層。

(d)不考慮外部鎖定基準(zhǔn)的dc功耗。

所開發(fā)的構(gòu)思允許以低成本實現(xiàn)可擴展thz源陣列。而且，已經(jīng)展示了可以針對大約270-350ghz的頻率實現(xiàn)陣列中天線的高增益性質(zhì)。然而，其還可以在大得多的頻譜上實現(xiàn)(根據(jù)本研究，至少200-700ghz)。

下面將參照特定示例(當(dāng)可應(yīng)用時)討論由本發(fā)明人提出的解決方案的優(yōu)點。

本發(fā)明人建議使用通過cmos技術(shù)制造的vco，其使用廣泛并相對便宜，提供了優(yōu)點(見下文)。本發(fā)明人建議直接將vco連接到適合的天線，(其還可以通過cmos制作)，因此創(chuàng)建了改進的天線元件。本發(fā)明人建議通過利用在基板中制作的溝道(優(yōu)選地，通過另外對溝道金屬化)限定單獨區(qū)域來對天線元件(其為單個或陣列元件，例如為所提出的改進的天線元件)設(shè)置在硅基板/絕緣板上的其單獨區(qū)域。盡管cmosvco之前被認為不適于鎖定thz頻帶頻率，然而本發(fā)明人已經(jīng)表明所提出的方法出乎意料地允許有效地鎖定這種基于cmos的vco的thz頻帶頻率。例如，使用基于cmos的發(fā)射器/vco的次諧波頻率允許在低于vco的fmax的頻率范圍中工作，因此在本發(fā)明解決方案中不存在低發(fā)射增益的問題。

此外，對來自工作在空閑空間中的遠端源的功率十分低的次諧波頻率鎖定信號的使用允許得到具有鎖定的thz空隙發(fā)射頻率的魯棒的收發(fā)器。這樣的收發(fā)器不需要昂貴的和大體積的pll電路和/或倍頻方案，并且具有非常低的dc功耗。更具體地，用于輻射thzcmosvco的注入鎖定的所提出的方法緩減了對集成pll的需求，并允許在降低槽路q的情況下的注入鎖定，因此保留了源高輸出功率。

例如，利用具有3％的輻射功率效率的來自單個元件的高達+7dbm的eirp和0.6mw的總輻射功率來展示280-294ghz的寬調(diào)諧。新的方法還可以應(yīng)用于輻射thzcmos陣列的同時無線注入鎖定，節(jié)省了所需的硅面積和dc功耗，并消除了對復(fù)雜高頻率分布網(wǎng)絡(luò)的需要。

所提出的溝槽/溝道允許天線和電路的其余部分兩者的輕易的設(shè)計，因為它們通過溝槽而被解耦。從字面上看，其通常報告了這些頻率中的整個陣列。而且，相關(guān)結(jié)果為大約+3dbm的eirp和0.05mw的總輻射功率。另外，最相關(guān)的數(shù)字是效率(dc至rf能量轉(zhuǎn)換，按％測量)——人們報告為大約0.14和0.015％，而所提出的本發(fā)明具有大約1.2％(或更高)。溝槽提高了天線性能并且因而提高了芯片的總體性能。

本新穎的方法在被應(yīng)用于所描述的輻射源的陣列時展示出互鎖(芯片內(nèi))和外部參考鎖定效果的組合是利用高eirp、trp、低dc消耗和較小電路復(fù)雜性來合成被鎖定的源的極為強大的技術(shù)。通過組合鎖定頻率和相位兩者的可能性，與單個元件相比增大了陣列的方向性和trp兩者。例如，利用鎖定的輸出信號展示了來自1x4vco陣列的在345ghz處的+13.8/+1dbm的最大eipr/trp，并且效果將會擴展達到大2d陣列。

本發(fā)明的重要優(yōu)勢在于，所需的費用與所得到的輸出thz信號的功率和準(zhǔn)確度之間的比例比在背景技術(shù)中提到的針對thz空隙的其他現(xiàn)有解決方案中的好得多。

在設(shè)計和制造具有期望參數(shù)的這種系統(tǒng)中所涉及的成本在已知的現(xiàn)有方法和所提出的技術(shù)之間大約相差500倍(例如，現(xiàn)有方法為500,000usd，而所提出的方法為5,000usd)。

應(yīng)當(dāng)理解，可以提出所提出的方法、系統(tǒng)和天線/天線陣列的其他版本和實施方式，并且無論后文的權(quán)利要求(在參考文獻列表之后)是否對其進行了限定，它們均應(yīng)當(dāng)被視為本發(fā)明的一部分。

參考文獻

[1]h.ruonan,e.afshari,"a260ghzbroadbandsourcewith1.1mwcontinuous-waveradiatedpowerandeirpof15.7dbmin65nmcmos,"ieeeinternationalsolid-statecircuitsconference(isscc),pp.138-139,february2013.

[2]s.jameson,e.socher,"highefficiency293ghzradiatingsourcein65nmcmos,"ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters,vol.24,no.7,pp.463-465,july2014.

[3]p.-y.chiang,z.wang,o.momeniandp.heydari,"asilicon-based0.3thzfrequencysynthesizerwithwidelockingrange",ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.49,no.12,december2014.

[4]k.senguptaanda.hajimiri,"a0.28thzpowergenerationandbeam-steeringarrayincmosbasedondistributedactiveradiators",ieeejournalofsolid-statecircuits,vol.47,no.12,pp.3013–3031,december2012.

[5]f.golcuk,o.dogan,g.m.rebeiz,"a0.39–0.44thz2x4amplifier-quadruplerarraywithpeakeirpof3–4dbm",ieeetrans.microwavetheory&tech.,vol.61,no.12,pp.4483-4491,december2013.

[6]m.adnan,e.afshari,"a247-to-263.5ghzvcowith2.6mwpeakoutputpowerand1.14％dc-to-rfefficiencyin65nmbulkcmos,"ieeeinternationalsolid-statecircuitsconference(isscc),pp.262-263,february2014.

[7]z.chen,c.-c.wang,h.-c.yaoandp.heydari,"abicmosw-band2×2focal-planearraywithon-chipantenna",ieeejournalofsolid-statecircuits(jssc),vol.47,no.10,pp.2355-2371,september2012.

[8]k.statnikov,e.j.grzyb,p.chevalierandu.r.pfeiffer,0.32thzfmcwradarsystembasedonlow-costlens-integratedsigehbtfront-ends",ieeeeuropeansolidstatecircuitsconf.(esscirc),pp.81-84,september2013.

[9]b.razavi,"astudyofinjectionpullingandlockinginoscillators,"ieeejournalofsolid-statecircuit(jssc),vol.39,no.9,pp.1415-1424,september2004.

[10]y.tousi,etal.,“scalablethz2dphasedarraywith+17dbmofeirpat338ghzin65nmbulkcmos,”issccdig.tech.papers,feb.2014.

[11]r.han,etal.,“a320ghzphase-lockedtransmitterwith3.3mwradiatedpowerand22.5dbmeirpforheterodynethzimagingsystems”,issccdig.tech.papers,feb.2015.

[12]r.han,etal.,“a260ghzbroadbandsourcewith1.1mwcontinuous-waveradiatedpowerandeirpof15.7dbmin65nmcmos”,issccdig.tech.papers,feb.2013.

[13]y.yang,etal.,“an8-element400ghzphased-arrayin45nmcmossoi”,ieeeims,may2015.

[14]s.jameson,etal.,“sub-harmonicwirelessinjectionlockingofathzcmoschiparray”,ieeerfic,may2015.