基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用

本发明涉特别涉及一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用，属于太赫兹相控阵表面。

背景技术：

1、随着通信技术不断发展，目前商用通信频段已经采用毫米波段，太赫兹波将被应用于下一代通信系统。太赫兹波是指频率在0.1thz至10thz范围内的电磁波，处于微波向红外光波过渡的独特位置，使得太赫兹波兼具两者优点，如微波的高透射性、非电离性，红外光的高分辨率、高带宽特性。但是随着电磁波的频率升高，波长变短，太赫兹波在传播路径上被大气中的水分子吸收，使得路径损耗严重加剧，因此获得高指向性的太赫兹波束是关键，也是技术难题之一。

2、相控阵技术是获得高指向性电磁波束的核心技术之一，具有高速、高灵敏度、灵活、高带宽等优势，已在微波及毫米波段发展成熟，在军事和民用领域都有着极为广泛的应用，如空中监视雷达、机载雷达、舰船防空雷达等，在5g通信系统中被大规模应用于波束赋形，以提高通信系统的性能和容量。但是在太赫兹频段，相控阵技术的关键硬件都还存在技术难题：如太赫兹源的功率不足，导致太赫兹相控阵的输出功率十分有限，降低了系统作用距离；太赫兹波段的直接移相器目前少有报导，而该硬件是实现高精度相控的必经之路；太赫兹功放的器件模型、材料性质等均面临严峻挑战。因此，随着全球通信技术竞争加剧，太赫兹相控阵技术受到了前所未有的关注。

3、在下一代无线通信系统中引入相控阵表面是太赫兹相控阵技术难题的解决方案。相控阵表面由基本阵元规则排列构成，基本阵元通常为亚波长振子，每个阵元可独立工作，调控由阵元反射的太赫兹波的相位，以实现太赫兹波波前操控。基本阵元常由太赫兹谐振天线与开关元件构成，如加载液晶材料、微波射频二极管、相变材料等。氮化镓高电子迁移率晶体管(gan hemt)具有高电子迁移率、高电子饱和漂移速度、高击穿场强等优势，非常适合应用于太赫兹开关，并给相控阵表面带来了高速、高功率容量、可大规模阵列化的优势，获得了高质量和太赫兹波束赋形。目前已经报道了诸多相关发明，例如cn116259980a、cn110444889a等。

4、然而，传统太赫兹相控阵技术难度极高，其核心硬件太赫兹矢量调制器目前少有报道，距离商业化应用还非常遥远，并且，传统相控阵技术需要为每一个阵元配置矢量调制器，这导致系统架构复杂，无法实现大规模阵列化应用，再者，传统相控阵技术需要为每一个阵元配置太赫兹源，这导致系统的输出功率十分有限。另外，传统相控阵技术均采用高电子迁移率晶体管(hemt)作为核心开关元件，该种阵元通过变阻模式调控太赫兹天线的谐振相位，电阻是耗能元件，会带来较高的插损；并且，其只能实现太赫兹波的1-bit离散相位调制，即形成的太赫兹相控阵表面只能进行数字波束扫描，以及，hemt的栅电容有限，在受到大功率太赫兹波照射时相位调制精度有所降低。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用，从而克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例的一个方面提供了一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其包括：太赫兹偶极子天线、肖特基势垒二极管以及两条馈线，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，两条所述馈线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，当经由所述馈线对所述肖特基势垒二极管施加偏压且使所述偏压连续变化时，所述肖特基势垒二极管的电容随所述偏压的变化而变化，所述太赫兹偶极子天线的谐振相位随所述电容的变化而变化。

4、本发明实施例的第二个方面提供了一种移相器阵列，包括呈阵列排布的m×n个基本阵元，所述基本阵元包括所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，m和n都是2以上的整数。

5、本发明实施例的第三个方面提供了一种太赫兹相控阵表面，其包括所述移相器阵列。

6、本发明实施例的第四个方面提供了一种太赫兹波相位调制的方法，其包括：

7、提供所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，或者，所述移相器阵列，或者，所述太赫兹相控阵表面；

8、在所述肖特基势垒二极管的阳极施加负偏压或者在所述肖特基势垒二极管的阳极施加正偏压，所述负偏压或正偏压的大小为0-9v。

9、与现有技术相比，本发明的优点包括：

10、1)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(sbd)的太赫兹空间光直接移相器的基本原理是利用sbd的变容特性调控太赫兹天线的谐振相位，而电容是储能元件，即本发明从机理上降低了基本阵元的插损。

11、2)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(sbd)的太赫兹空间光直接移相器，在降低插损的前提下实现了太赫兹波的连续相位调制，因此本发明可同时应用于太赫兹波模拟相位调控和太赫兹波数字相位调控。

12、3)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(sbd)的太赫兹空间光直接移相器，在基本阵元的工作频率相同时，sbd的阳极电容远大于hemt栅电容，从而进一步提高了太赫兹相控阵表面的功率容量。

技术特征：

1.一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其特征在于，包括：太赫兹偶极子天线、肖特基势垒二极管以及两条馈线，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，两条所述馈线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，当经由所述馈线对所述肖特基势垒二极管施加偏压且使所述偏压连续变化时，所述肖特基势垒二极管的电容随所述偏压的变化而变化，所述太赫兹偶极子天线的谐振相位随所述电容的变化而变化。

2.根据权利要求1所述基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其特征在于：所述电容以及所述谐振相位的变化模式与所述偏压的变化模式相同；

3.根据权利要求1所述基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其特征在于：所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线沿第一方向相对设置在所述肖特基势垒二极管的两侧，所述馈线沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向交叉，所述第一方向为所述太赫兹偶极子天线的谐振方向；

4.根据权利要求3所述基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其特征在于：所述肖特基势垒二极管包括外延结构以及阴极、阳极，所述阴极、所述阳极设置在所述外延结构上，所述阴极与所述外延结构形成欧姆接触，所述阳极与所述外延结构形成肖特基接触；

5.根据权利要求1所述基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其特征在于：所述太赫兹空间光直接移相器的有效工作频段为330ghz-350ghz，调相范围大于180°，理论最大插损小于9db；

6.一种移相器阵列，包括呈阵列排布的m×n个基本阵元，其特征在于：所述基本阵元包括权利要求1-5中任一项所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，m和n都是2以上的整数。

7.根据权利要求6所述移相器阵列，其特征在于：所述移相器阵列中每一列所包含的m个基本阵元的馈线相互串联，每一列所包含的m个基本阵元的接受的偏压相同；

8.一种太赫兹相控阵表面，其特征在于，包括：权利要求6-7中任一项所述移相器阵列。

9.根据权利要求8所述太赫兹相控阵表面，其特征在于，包括：依次层叠设置的金属底板、衬底和移相器结构层，所述移相器结构层包括所述移相器阵列；

10.一种太赫兹波相位调制的方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用。太赫兹空间光直接移相器包括：太赫兹偶极子天线、肖特基势垒二极管以及两条馈线，太赫兹偶极子天线所包含的两个天线分别与肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，两条馈线分别与肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，当经由馈线对肖特基势垒二极管施加偏压且使偏压连续变化时，肖特基势垒二极管的电容随偏压的变化而变化，太赫兹偶极子天线的谐振相位随电容的变化而变化。本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器的基本原理是利用SBD的变容特性调控太赫兹天线的谐振相位，而电容是储能元件，即本发明从机理上降低了基本阵元的插损。

技术研发人员：秦华,于润,周奇,靳琳
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15