本發(fā)明屬于電磁功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微帶線加載hemt(高電子遷移率晶體管)嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器。

背景技術(shù)：

太赫茲波是指頻率在0.1-10thz范圍內(nèi)的電磁波，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡區(qū)域，是電磁波譜中唯一尚處于開(kāi)發(fā)的頻段資源。它介于技術(shù)相對(duì)成熟的微波毫米波與紅外可見(jiàn)光區(qū)域之間，具有獨(dú)特的電磁特性；太赫茲波在多個(gè)領(lǐng)域具有極重要的應(yīng)用，是下一代信息產(chǎn)業(yè)的科學(xué)技術(shù)重要基礎(chǔ)之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建設(shè)具有重大意義。由于太赫茲所處的特殊電磁波譜的位置，它有很多優(yōu)越的特性，有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，使得全世界各國(guó)都給予極大的關(guān)注。

如何調(diào)控太赫茲波，對(duì)太赫茲波的幅度和相位進(jìn)行高速、高效的調(diào)制一直以來(lái)都是太赫茲領(lǐng)域的公認(rèn)國(guó)際性難題，自2004年以來(lái)也一直是太赫茲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。太赫茲調(diào)制器對(duì)于太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)、太赫茲成像系統(tǒng)以及太赫茲波譜系統(tǒng)等具有重要應(yīng)用價(jià)值的太赫茲系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的價(jià)值。如何研制高速、高效的太赫茲波調(diào)制器件也成為了制約太赫茲發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。近年來(lái)隨著半導(dǎo)體領(lǐng)域hemt的發(fā)展和人工電磁媒質(zhì)的開(kāi)發(fā)，太赫茲波調(diào)制器的研制具有了新的發(fā)展途徑。

人工電磁媒質(zhì)是指將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元諧振結(jié)構(gòu)周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的一種人工電磁周期陣列結(jié)構(gòu)，可通過(guò)人為地設(shè)計(jì)諧振單元，通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)突破某些自然規(guī)律的限制，從而滿足設(shè)計(jì)上的要求。

近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料及技術(shù)的發(fā)展，hemt展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)，并已成功運(yùn)用至多種領(lǐng)域，hemt的出現(xiàn)為太赫茲快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)器件提供了新的發(fā)展思路。hemt是一種利用存在于調(diào)制參雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣來(lái)進(jìn)行工作的新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其中g(shù)aas基片具有高介電常數(shù)高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，在同樣的電長(zhǎng)度gaas電路的物理尺寸更小，適合在太赫茲高頻段電路中應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)外加電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波動(dòng)態(tài)調(diào)控的調(diào)制器，可有效地對(duì)太赫茲波進(jìn)行高效、快速幅度調(diào)制。

本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的：

一種微帶線加載hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器，包括輸入波導(dǎo)1、微帶調(diào)制部分3、輸出波導(dǎo)5、濾波器饋電結(jié)構(gòu)6；所述微帶調(diào)制部分3包括波導(dǎo)腔體、微帶線和調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)；所述微帶線和調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔體內(nèi)部；所述微帶線包括輸入探針2、傳輸段和輸出探針4；所述輸入探針2設(shè)置于輸入波導(dǎo)1中；所述輸出探針4設(shè)置于輸出波導(dǎo)5中；微帶線的傳輸段連接所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)；所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)中每個(gè)調(diào)制單元包括人工電磁媒質(zhì)與hemt；所述人工電磁媒質(zhì)包括柵極連接線8和金屬開(kāi)口諧振環(huán)9；所述hemt包括柵極連接線8、源極10、漏極11和調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)12；所述源極10和漏極11分別與金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處的金屬條相連接；所述柵極連接線8置于金屬開(kāi)口諧振環(huán)9開(kāi)口處的中心位置并與微帶線的中央饋線連接；所述濾波器饋電結(jié)構(gòu)6連接輸入探針2；通過(guò)外接濾波器饋電結(jié)構(gòu)6的調(diào)制電壓控制hemt的通斷。

所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)包含六個(gè)調(diào)制單元，其中三個(gè)調(diào)制單元等距位于金屬傳輸線7的一側(cè)，另外三個(gè)調(diào)制單元呈鏡像結(jié)構(gòu)位于金屬傳輸線7的另一側(cè)。

所述微帶傳輸線基板為碳化硅或砷化鎵等。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用的微帶線結(jié)構(gòu)相較于其他傳輸線結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于設(shè)計(jì)、易于集成，加工方便的優(yōu)點(diǎn)；

(2)本發(fā)明采用的微帶傳輸線結(jié)構(gòu)可有效降低太赫茲波的損耗，實(shí)現(xiàn)太赫茲波在高速調(diào)制的同時(shí)插損低；

(3)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的諧振結(jié)構(gòu)與普通的開(kāi)口環(huán)諧振器不同，是在金屬開(kāi)口諧振環(huán)開(kāi)口處嵌套hemt晶體管的單元結(jié)構(gòu)，由此可高效的對(duì)人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元中的諧振模式進(jìn)行切換，可實(shí)現(xiàn)器件諧振頻率的動(dòng)態(tài)控制和諧振強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)控制，從而高效的對(duì)傳輸?shù)奶掌澆ㄟM(jìn)行調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)寬頻、高調(diào)制深度的調(diào)制，這對(duì)太赫茲波段寬頻帶調(diào)制技術(shù)的發(fā)展具有重要價(jià)值；

(4)本發(fā)明中調(diào)制單元結(jié)構(gòu)在微帶傳輸線中可只放置少數(shù)幾個(gè)甚至一個(gè)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制，結(jié)構(gòu)的寄生電容極小，因此其電路時(shí)間常數(shù)極小，根據(jù)單個(gè)hemt器件的響應(yīng)速率估算該調(diào)制速率可達(dá)到10ghz以上，調(diào)制速率大幅提升；

(5)本發(fā)明中微帶傳輸線加載人工電磁媒質(zhì)單元結(jié)構(gòu)與hemt嵌套可實(shí)現(xiàn)偶極振蕩和等效lc電路諧振模式的耦合和轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振效果，從而可以大幅提升該調(diào)制器件的調(diào)制效率，可實(shí)現(xiàn)大于99.5％的調(diào)制深度；

(6)本發(fā)明中采用的二維平面結(jié)構(gòu)可通過(guò)微細(xì)加工手段實(shí)現(xiàn)，工藝成熟、易于制作；

(7)本發(fā)明通過(guò)改變腔體中介質(zhì)基板的材質(zhì)和增加介質(zhì)基板的厚度，使得該調(diào)制器具有更好的物理強(qiáng)度，便于加工運(yùn)輸和測(cè)試，微帶線結(jié)構(gòu)使得傳輸線具有更寬的帶寬和可靠性；

(8)本發(fā)明通過(guò)電控來(lái)進(jìn)行工作而不需要外加光照、溫度等激勵(lì)，并且饋電方式可直接采用同軸sma接口進(jìn)行饋電，有利于器件的小型化、實(shí)用化與產(chǎn)量化；

(9)通過(guò)改變?nèi)斯る姶琶劫|(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可對(duì)不同大小的太赫茲波束進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)靈活、方便定制；

(10)本發(fā)明為配合微帶傳輸線，改進(jìn)了饋電結(jié)構(gòu)，通過(guò)濾波器結(jié)構(gòu)加載控制電壓，防止載波信號(hào)從饋電端口泄露，同時(shí)將饋電線路進(jìn)行了簡(jiǎn)化；

(11)本發(fā)明針對(duì)波導(dǎo)傳播太赫茲電磁波，可工作于常溫、常壓、非真空條件下，易于封裝、方便使用。

附圖說(shuō)明

圖1為微帶調(diào)制器三維整體結(jié)構(gòu)透視圖；

圖2為微帶調(diào)制器的整體結(jié)構(gòu)俯瞰平面示意圖；

圖3為微帶調(diào)制器調(diào)制單元結(jié)構(gòu)俯瞰平面示意圖；

圖4為hemt結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為外加正方向電壓(連通)狀態(tài)下的電場(chǎng)分布圖；

圖6為外加負(fù)方向電壓(斷開(kāi))狀態(tài)下的電場(chǎng)分布圖；

圖7為微帶調(diào)制器在不同狀態(tài)下的s21參數(shù)對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更深入的詳細(xì)說(shuō)明。

一種微帶線加載hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器，其整體結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)俯瞰平面示意圖如圖2所示，包括輸入波導(dǎo)1、微帶調(diào)制部分3、輸出波導(dǎo)5、濾波器饋電結(jié)構(gòu)6；所述微帶調(diào)制部分3包括波導(dǎo)腔體、微帶線和調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)；所述微帶線和調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)腔體內(nèi)部；所述微帶線包括輸入探針2、傳輸段和輸出探針4；所述輸入探針2設(shè)置于輸入波導(dǎo)1中；所述輸出探針4設(shè)置于輸出波導(dǎo)5中；微帶線的傳輸段連接所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)；所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)中每個(gè)調(diào)制單元包括人工電磁媒質(zhì)與hemt，調(diào)制單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示；所述人工電磁媒質(zhì)包括柵極連接線8和金屬開(kāi)口諧振環(huán)9；所述hemt包括柵極連接線8、源極10、漏極11和調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)12，所述hemt結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示；所述源極10和漏極11分別與金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處的金屬條相連接；所述柵極連接線8置于金屬開(kāi)口諧振環(huán)9開(kāi)口處的中心位置并與微帶線的中央饋線連接；所述濾波器饋電結(jié)構(gòu)6連接輸入探針2；通過(guò)外接濾波器饋電結(jié)構(gòu)6的調(diào)制電壓控制hemt的通斷。

所述調(diào)制單元陣列結(jié)構(gòu)包含六個(gè)調(diào)制單元，其中三個(gè)調(diào)制單元等距位于金屬傳輸線7的一側(cè)，另外三個(gè)調(diào)制單元呈鏡像結(jié)構(gòu)位于金屬傳輸線7的另一側(cè)。

所述微帶傳輸線基板為碳化硅或砷化鎵等。

本發(fā)明所述調(diào)制器是通過(guò)控制hemt的通斷對(duì)空間傳播的太赫茲波進(jìn)行動(dòng)態(tài)幅度調(diào)制。具體調(diào)制過(guò)程為：如圖5所示，當(dāng)外加電壓使得hemt連通的時(shí)候，金屬開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口處位于連接狀態(tài)，在此情況下金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)由于開(kāi)口的導(dǎo)通無(wú)法針對(duì)在指定工作頻率附近進(jìn)行諧振，因此太赫茲波可以良好的通過(guò)微帶傳輸線以互相耦合的方式快速傳輸。如圖6所示，當(dāng)外加電壓使hemt斷開(kāi)，使得金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)處于斷開(kāi)狀態(tài)，該情況下諧振單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立工作，形成lc振蕩模式，這時(shí)傳播的太赫茲波電磁能量主要集中在金屬開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口處，無(wú)法再進(jìn)行沿著金屬線條的傳輸。因此通過(guò)外加電壓信號(hào)可控制hemt結(jié)構(gòu)的通斷以此實(shí)現(xiàn)對(duì)該諧振結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)強(qiáng)度快速調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)電控方式的太赫茲波快速調(diào)制。如圖7所示，在電控hemt連接狀態(tài)下的傳播系數(shù)以及斷開(kāi)狀態(tài)下的傳播系數(shù)，有超過(guò)35db的幅度調(diào)控，表明該調(diào)制器可以高效的對(duì)太赫茲波進(jìn)行調(diào)制。本示意圖為工作頻率0.23thz的調(diào)控。

在調(diào)控結(jié)構(gòu)中選取金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)可以更加便利的調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)(長(zhǎng)、寬、開(kāi)口位置等)，使得諧振頻率更加容易調(diào)整。此外金屬開(kāi)口諧振環(huán)具有的電磁效應(yīng)也比單純的金屬電極形成的諧振更加強(qiáng)烈，從而獲得更好的幅度調(diào)制效果和調(diào)制深度。

上述太赫茲波調(diào)制器經(jīng)三維電磁模擬軟件仿真證明了其可行性，圖5、圖6分別為電磁仿真在控制hemt通、斷情況下太赫茲波的電場(chǎng)分布圖。當(dāng)控制hemt處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，從圖5可以看到，場(chǎng)可以從結(jié)構(gòu)中以互相耦合的方式快速傳輸，此時(shí)太赫茲波也處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖6中為仿真hemt斷開(kāi)時(shí)的狀態(tài)，可以看到連接腔體壁與中間金屬條的中間金屬開(kāi)口諧振環(huán)調(diào)制單元結(jié)構(gòu)開(kāi)口處也處于斷路狀態(tài)，此時(shí)形成了上下部分各自獨(dú)立的lc振蕩的模式，場(chǎng)主要集中在金屬開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口的中心位置，由圖7可以觀察到太赫茲波無(wú)法通過(guò)該器件。該結(jié)果證明該調(diào)制器可以對(duì)太赫茲波進(jìn)行高效的調(diào)制，加之hemt具有極快的通斷速率，因此該器件可對(duì)太赫茲波進(jìn)行快速調(diào)制。結(jié)果表明，外加電壓控制hmet的通斷，使得太赫茲波在該器件中傳輸過(guò)程中的電場(chǎng)分布發(fā)生改變，從而使得太赫茲波通過(guò)該器件后的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生大幅改變由此導(dǎo)致太赫茲波的通過(guò)率隨之變化，以此對(duì)太赫茲波的幅度進(jìn)行調(diào)制。因此所述的微帶線加載高電子遷移率晶體管嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器是一種工作于thz頻段的電控高效、高速調(diào)制器件。這為將來(lái)thz功能器件的設(shè)計(jì)與制作提供了很好的思路與方向。