本發(fā)明涉及太赫茲輻射陣列源，特別是涉及一種基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源及太赫茲輻射源。

背景技術(shù)：

1、太赫茲輻射源在高速通信、成像、高分辨率雷達(dá)和非破壞性檢測等多種應(yīng)用具有很大潛力。硅基工藝因其高集成度、低成本、小型化成為未來太赫茲輻射源的研究熱點。由于硅材料特性，頻率限制成為硅基太赫茲源面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

2、在已經(jīng)公開的技術(shù)中，設(shè)計高于晶體管fmax的硅基太赫茲源主要包含以下兩種方案。一是對毫米波頻率源采用倍頻器或倍頻鏈路；二是采用諧波振蕩器，通過阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計，在輸出中提取諧波并抑制其他諧波。相較于倍頻方案，諧波振蕩器具有更高的效率和更低的功耗。然而，對于采用諧波法產(chǎn)生太赫茲信號仍需要考慮以下兩種情況，一是設(shè)計低基頻的振蕩器，但是需要提取更高次諧波，導(dǎo)致輸出功率的快速降低；二是將諧波振蕩器的諧波階數(shù)降低，但是需要設(shè)計高基頻振蕩器，接近fmax的振蕩器核心設(shè)計難度大。綜上，選擇硅基太赫茲源系統(tǒng)架構(gòu)需要權(quán)衡考慮頻率、輸出功率、功耗和設(shè)計難度等方面。

3、另外，硅基太赫茲源還面臨功率輻射的挑戰(zhàn)。太赫茲波相較于毫米波的傳輸距離相對較短，并且考慮到太赫茲在通信、雷達(dá)、成像、非破壞性檢測等特殊領(lǐng)域的非接觸性、高分辨率的多樣化應(yīng)用，因此太赫茲源以輻射形式輸出功率。已經(jīng)公開的太赫茲源輻射技術(shù)中，主要包含以下兩種方案，一是采用片上天線從芯片正面輻射功率，由于片上天線輻射效率低，并且大部分傳輸功率在硅襯底中輻射，因此通常在芯片背面附著金屬反射器來提升輻射功率；二是采用片上天線但在芯片背面附著高阻率的超半球形硅透鏡，從芯片背面輻射功率，重新聚焦在襯底中損耗的功率，能顯著提升輻射效率和指向性，但是需要更復(fù)雜的封裝工藝，而且硅透鏡的價格昂貴，會抵消使用硅基工藝的成本效益。

4、另外，單個輻射源的輻射功率有限，因此現(xiàn)有太赫茲輻射源趨于陣列化的形式發(fā)展，太赫茲輻射陣列源可以將多個輻射單元組合起來發(fā)射，整個系統(tǒng)的輻射功率增強、輻射方向性得到改善、實現(xiàn)波束賦形，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和應(yīng)用靈活性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為克服目前硅基太赫茲輻射源的工作頻率低、輸出功率低、輻射效率低以及無法進(jìn)行寬帶頻率調(diào)諧等一個或多個問題，而提供一種基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源及太赫茲輻射源，是高工作頻率、高輻射功率、寬帶可調(diào)諧的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源及太赫茲輻射源。

2、本發(fā)明的第一方面，提供一種基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，包括基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，包括多個由基于片上微凸天線的交叉耦合諧波振蕩器構(gòu)成的陣列單元，多個所述陣列單元連接組成n×n陣列結(jié)構(gòu)的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源。

3、其中，每個所述陣列單元由一對交叉耦合對、兩個源極電感、兩個漏極電感和一個片上微凸天線相連接構(gòu)成，所述交叉耦合對由一對晶體管交叉耦合構(gòu)成，每個晶體管的源極電感與漏極電感以預(yù)定耦合系數(shù)相耦合。

4、其中，每個晶體管的源極連接一個源極電感的一端，每個晶體管的漏極連接一個漏極電感一端，兩個源極電感另一端接地，兩個漏極電感的另一端與片上微凸天線的差分饋入端連接,由所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，即頻率為nf0的輻射信號。

5、其中，所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，n表示提取諧波階數(shù)，決定于片上微凸天線所構(gòu)成的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

6、其中，多個所述陣列單元之間通過傳輸線對相鄰諧波振蕩器的交叉耦合對的柵極之間實現(xiàn)相互連接并進(jìn)行擴展，每個單元的核心電路在基波頻率f0處被鎖定，形成n×n陣列結(jié)構(gòu)的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源。

7、本發(fā)明的第二方面，提供另一種基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源，為基于片上微凸天線的雙重注入鎖定結(jié)構(gòu)的四核耦合振蕩器，包括一個片上微凸天線以及四個交叉耦合對，每個交叉耦合對包括兩個晶體管，每個晶體管的源極連接一個源極電感的一端，且每個晶體管的漏極連接一個漏極電感的一端，每個晶體管的柵極連接一個柵極電感的一端，每個交叉耦合對的兩個源極電感的另一端接地、兩個漏極電感的另一端與所述片上微凸天線的差分饋入端相接；

8、每個交叉耦合對的漏極電感均以第一耦合系數(shù)與相鄰交叉耦合對的源極電感耦合，并且相鄰交叉耦合對之間的柵極電感均以第二耦合系數(shù)相耦合，通過兩種耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交叉耦合對之間的相互注入鎖定，增強交叉耦合對核心電路之間在基波頻率f0處的鎖定。

9、其中，每個交叉耦合對中，其兩個晶體管的漏端產(chǎn)生差分的n次諧波信號，根據(jù)相位連接相鄰交叉耦合對，形成四路相連且相位為0°的n次諧波信號與四路相連且相位為180°的n次諧波信號，然后分別利用四路相連且相位為0°/180°的n次諧波信號合成的一對差分信號驅(qū)動差分結(jié)構(gòu)的片上微凸天線，由所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波，即頻率為nf0的輻射信號。

10、其中，四個所述交叉耦合對的結(jié)構(gòu)相同，所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，n表示提取諧波階數(shù)，決定于片上微凸天線所構(gòu)成的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

11、其中，通過優(yōu)化第一耦合系數(shù)和第二耦合系數(shù)使n次諧波信號功率取得最大值。

12、本發(fā)明提出的基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其片上微凸天線輻射結(jié)構(gòu)，滿足太赫茲頻率和寬帶要求，能夠應(yīng)用于太赫茲輻射源系統(tǒng)，并能實現(xiàn)高工作頻率、高輻射功率、寬帶可調(diào)諧的太赫茲輻射源陣列系統(tǒng)。

13、本發(fā)明提出的基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源陣列，具有低成本、高集成度、小型化的特點，能根據(jù)應(yīng)用場景需求，靈活擴展從而產(chǎn)生不同強度的輻射功率。

14、本發(fā)明提出的基于片上微凸天線的雙重注入鎖定結(jié)構(gòu)的四核耦合振蕩器，利用雙重注入鎖定結(jié)構(gòu)實現(xiàn)核心間在基波頻率f0處鎖定，通過一個交叉耦合對單元的漏極電感與相鄰電感耦合，還可以為漏極輸出提供額外的電壓凈空，有效提升振蕩器振蕩的最大振幅，提升效率。

15、本發(fā)明提出的基于片上微凸天線的雙重注入鎖定結(jié)構(gòu)的四核耦合振蕩器，也可以作為陣列單元以的陣列擴展方式進(jìn)行擴展，應(yīng)用于太赫茲輻射源系統(tǒng)，通過擴展陣列實現(xiàn)高工作頻率、高輻射功率、寬帶可調(diào)諧的太赫茲輻射源陣列系統(tǒng)，同時具有低成本、高集成度、小型化的特點，能根據(jù)應(yīng)用場景需求，靈活擴展從而產(chǎn)生不同強度的輻射功率。

技術(shù)特征：

1.基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，包括多個由基于片上微凸天線的交叉耦合諧波振蕩器構(gòu)成的陣列單元，多個所述陣列單元連接組成n×n陣列結(jié)構(gòu)的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，每個所述陣列單元由一對交叉耦合對、兩個源極電感、兩個漏極電感和一個片上微凸天線相連接構(gòu)成，所述交叉耦合對由一對晶體管交叉耦合構(gòu)成，每個晶體管的源極電感與漏極電感以預(yù)定耦合系數(shù)相耦合。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，每個晶體管的源極連接一個源極電感的一端，每個晶體管的漏極連接一個漏極電感一端，兩個源極電感另一端接地，兩個漏極電感的另一端與片上微凸天線的差分饋入端連接,由所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，即頻率為nf0的輻射信號。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，n表示提取諧波階數(shù)，決定于片上微凸天線所構(gòu)成的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其特征在于，多個所述陣列單元之間通過傳輸線對相鄰諧波振蕩器的交叉耦合對的柵極之間實現(xiàn)相互連接并進(jìn)行擴展，每個陣列單元的核心電路在基波頻率f0處被鎖定，形成n×n陣列結(jié)構(gòu)的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源。

6.基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源，其特征在于，為基于片上微凸天線的雙重注入結(jié)構(gòu)的四核耦合振蕩器，包括一個片上微凸天線以及四個交叉耦合對，每個交叉耦合對包括兩個晶體管，每個晶體管的源極連接一個源極電感的一端，且每個晶體管的漏極連接一個漏極電感的一端，每個晶體管的柵極連接一個柵極電感的一端，每個交叉耦合對的兩個源極電感的另一端接地、兩個漏極電感的另一端與所述片上微凸天線的差分饋入端相接；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源，其特征在于，每個交叉耦合對中，其兩個晶體管的漏端產(chǎn)生差分的n次諧波信號，根據(jù)相位連接相鄰交叉耦合對，形成四路相連且相位為0°的n次諧波信號與四路相連且相位為180°的n次諧波信號，然后分別利用四路相連且相位為0°/180°的n次諧波信號合成的一對差分信號驅(qū)動差分結(jié)構(gòu)的片上微凸天線，由所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，即頻率為nf0的輻射信號。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源，其特征在于，四個所述交叉耦合對的結(jié)構(gòu)相同，所述片上微凸天線輻射高功率的n次諧波信號，n表示提取諧波階數(shù)，決定于片上微凸天線所構(gòu)成的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射源，其特征在于，通過優(yōu)化第一耦合系數(shù)和第二耦合系數(shù)使n次諧波信號功率取得最大值。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開基于片上微凸天線的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源及太赫茲輻射源?；谄衔⑼固炀€的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，包括多個由基于片上微凸天線的交叉耦合諧波振蕩器構(gòu)成的陣列單元，多個所述陣列單元連接組成n×n陣列結(jié)構(gòu)的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源。本發(fā)明的可擴展硅基太赫茲輻射陣列源，其片上微凸天線輻射結(jié)構(gòu)，滿足太赫茲頻率和寬帶要求，能夠應(yīng)用于太赫茲輻射源系統(tǒng)，并能實現(xiàn)高工作頻率、高輻射功率、寬帶可調(diào)諧的太赫茲輻射源陣列系統(tǒng)。

技術(shù)研發(fā)人員：馬凱學(xué),余淼
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17