基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源及太赫兹辐射源

本发明涉及太赫兹辐射阵列源，特别是涉及一种基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源及太赫兹辐射源。

背景技术：

1、太赫兹辐射源在高速通信、成像、高分辨率雷达和非破坏性检测等多种应用具有很大潜力。硅基工艺因其高集成度、低成本、小型化成为未来太赫兹辐射源的研究热点。由于硅材料特性，频率限制成为硅基太赫兹源面临的主要挑战之一。

2、在已经公开的技术中，设计高于晶体管fmax的硅基太赫兹源主要包含以下两种方案。一是对毫米波频率源采用倍频器或倍频链路；二是采用谐波振荡器，通过阻抗匹配优化设计，在输出中提取谐波并抑制其他谐波。相较于倍频方案，谐波振荡器具有更高的效率和更低的功耗。然而，对于采用谐波法产生太赫兹信号仍需要考虑以下两种情况，一是设计低基频的振荡器，但是需要提取更高次谐波，导致输出功率的快速降低；二是将谐波振荡器的谐波阶数降低，但是需要设计高基频振荡器，接近fmax的振荡器核心设计难度大。综上，选择硅基太赫兹源系统架构需要权衡考虑频率、输出功率、功耗和设计难度等方面。

3、另外，硅基太赫兹源还面临功率辐射的挑战。太赫兹波相较于毫米波的传输距离相对较短，并且考虑到太赫兹在通信、雷达、成像、非破坏性检测等特殊领域的非接触性、高分辨率的多样化应用，因此太赫兹源以辐射形式输出功率。已经公开的太赫兹源辐射技术中，主要包含以下两种方案，一是采用片上天线从芯片正面辐射功率，由于片上天线辐射效率低，并且大部分传输功率在硅衬底中辐射，因此通常在芯片背面附着金属反射器来提升辐射功率；二是采用片上天线但在芯片背面附着高阻率的超半球形硅透镜，从芯片背面辐射功率，重新聚焦在衬底中损耗的功率，能显著提升辐射效率和指向性，但是需要更复杂的封装工艺，而且硅透镜的价格昂贵，会抵消使用硅基工艺的成本效益。

4、另外，单个辐射源的辐射功率有限，因此现有太赫兹辐射源趋于阵列化的形式发展，太赫兹辐射阵列源可以将多个辐射单元组合起来发射，整个系统的辐射功率增强、辐射方向性得到改善、实现波束赋形，进而提高系统性能和应用灵活性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服目前硅基太赫兹辐射源的工作频率低、输出功率低、辐射效率低以及无法进行宽带频率调谐等一个或多个问题，而提供一种基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源及太赫兹辐射源，是高工作频率、高辐射功率、宽带可调谐的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源及太赫兹辐射源。

2、本发明的第一方面，提供一种基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，包括基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，包括多个由基于片上微凸天线的交叉耦合谐波振荡器构成的阵列单元，多个所述阵列单元连接组成n×n阵列结构的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源。

3、其中，每个所述阵列单元由一对交叉耦合对、两个源极电感、两个漏极电感和一个片上微凸天线相连接构成，所述交叉耦合对由一对晶体管交叉耦合构成，每个晶体管的源极电感与漏极电感以预定耦合系数相耦合。

4、其中，每个晶体管的源极连接一个源极电感的一端，每个晶体管的漏极连接一个漏极电感一端，两个源极电感另一端接地，两个漏极电感的另一端与片上微凸天线的差分馈入端连接,由所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，即频率为nf0的辐射信号。

5、其中，所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，n表示提取谐波阶数，决定于片上微凸天线所构成的输出匹配网络的阻抗参数。

6、其中，多个所述阵列单元之间通过传输线对相邻谐波振荡器的交叉耦合对的栅极之间实现相互连接并进行扩展，每个单元的核心电路在基波频率f0处被锁定，形成n×n阵列结构的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源。

7、本发明的第二方面，提供另一种基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源，为基于片上微凸天线的双重注入锁定结构的四核耦合振荡器，包括一个片上微凸天线以及四个交叉耦合对，每个交叉耦合对包括两个晶体管，每个晶体管的源极连接一个源极电感的一端，且每个晶体管的漏极连接一个漏极电感的一端，每个晶体管的栅极连接一个栅极电感的一端，每个交叉耦合对的两个源极电感的另一端接地、两个漏极电感的另一端与所述片上微凸天线的差分馈入端相接；

8、每个交叉耦合对的漏极电感均以第一耦合系数与相邻交叉耦合对的源极电感耦合，并且相邻交叉耦合对之间的栅极电感均以第二耦合系数相耦合，通过两种耦合结构实现交叉耦合对之间的相互注入锁定，增强交叉耦合对核心电路之间在基波频率f0处的锁定。

9、其中，每个交叉耦合对中，其两个晶体管的漏端产生差分的n次谐波信号，根据相位连接相邻交叉耦合对，形成四路相连且相位为0°的n次谐波信号与四路相连且相位为180°的n次谐波信号，然后分别利用四路相连且相位为0°/180°的n次谐波信号合成的一对差分信号驱动差分结构的片上微凸天线，由所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波，即频率为nf0的辐射信号。

10、其中，四个所述交叉耦合对的结构相同，所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，n表示提取谐波阶数，决定于片上微凸天线所构成的输出匹配网络的阻抗参数。

11、其中，通过优化第一耦合系数和第二耦合系数使n次谐波信号功率取得最大值。

12、本发明提出的基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其片上微凸天线辐射结构，满足太赫兹频率和宽带要求，能够应用于太赫兹辐射源系统，并能实现高工作频率、高辐射功率、宽带可调谐的太赫兹辐射源阵列系统。

13、本发明提出的基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源阵列，具有低成本、高集成度、小型化的特点，能根据应用场景需求，灵活扩展从而产生不同强度的辐射功率。

14、本发明提出的基于片上微凸天线的双重注入锁定结构的四核耦合振荡器，利用双重注入锁定结构实现核心间在基波频率f0处锁定，通过一个交叉耦合对单元的漏极电感与相邻电感耦合，还可以为漏极输出提供额外的电压净空，有效提升振荡器振荡的最大振幅，提升效率。

15、本发明提出的基于片上微凸天线的双重注入锁定结构的四核耦合振荡器，也可以作为阵列单元以的阵列扩展方式进行扩展，应用于太赫兹辐射源系统，通过扩展阵列实现高工作频率、高辐射功率、宽带可调谐的太赫兹辐射源阵列系统，同时具有低成本、高集成度、小型化的特点，能根据应用场景需求，灵活扩展从而产生不同强度的辐射功率。

技术特征：

1.基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，包括多个由基于片上微凸天线的交叉耦合谐波振荡器构成的阵列单元，多个所述阵列单元连接组成n×n阵列结构的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源。

2.根据权利要求1所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，每个所述阵列单元由一对交叉耦合对、两个源极电感、两个漏极电感和一个片上微凸天线相连接构成，所述交叉耦合对由一对晶体管交叉耦合构成，每个晶体管的源极电感与漏极电感以预定耦合系数相耦合。

3.根据权利要求2所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，每个晶体管的源极连接一个源极电感的一端，每个晶体管的漏极连接一个漏极电感一端，两个源极电感另一端接地，两个漏极电感的另一端与片上微凸天线的差分馈入端连接,由所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，即频率为nf0的辐射信号。

4.根据权利要求3所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，n表示提取谐波阶数，决定于片上微凸天线所构成的输出匹配网络的阻抗参数。

5.根据权利要求3所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其特征在于，多个所述阵列单元之间通过传输线对相邻谐波振荡器的交叉耦合对的栅极之间实现相互连接并进行扩展，每个阵列单元的核心电路在基波频率f0处被锁定，形成n×n阵列结构的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源。

6.基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源，其特征在于，为基于片上微凸天线的双重注入结构的四核耦合振荡器，包括一个片上微凸天线以及四个交叉耦合对，每个交叉耦合对包括两个晶体管，每个晶体管的源极连接一个源极电感的一端，且每个晶体管的漏极连接一个漏极电感的一端，每个晶体管的栅极连接一个栅极电感的一端，每个交叉耦合对的两个源极电感的另一端接地、两个漏极电感的另一端与所述片上微凸天线的差分馈入端相接；

7.根据权利要求6所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源，其特征在于，每个交叉耦合对中，其两个晶体管的漏端产生差分的n次谐波信号，根据相位连接相邻交叉耦合对，形成四路相连且相位为0°的n次谐波信号与四路相连且相位为180°的n次谐波信号，然后分别利用四路相连且相位为0°/180°的n次谐波信号合成的一对差分信号驱动差分结构的片上微凸天线，由所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，即频率为nf0的辐射信号。

8.根据权利要求6所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源，其特征在于，四个所述交叉耦合对的结构相同，所述片上微凸天线辐射高功率的n次谐波信号，n表示提取谐波阶数，决定于片上微凸天线所构成的输出匹配网络的阻抗参数。

9.根据权利要求6所述基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射源，其特征在于，通过优化第一耦合系数和第二耦合系数使n次谐波信号功率取得最大值。

技术总结
本发明公开基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源及太赫兹辐射源。基于片上微凸天线的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，包括多个由基于片上微凸天线的交叉耦合谐波振荡器构成的阵列单元，多个所述阵列单元连接组成n×n阵列结构的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源。本发明的可扩展硅基太赫兹辐射阵列源，其片上微凸天线辐射结构，满足太赫兹频率和宽带要求，能够应用于太赫兹辐射源系统，并能实现高工作频率、高辐射功率、宽带可调谐的太赫兹辐射源阵列系统。

技术研发人员：马凯学,余淼
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17