本發(fā)明屬于電磁功能器件技術(shù)領(lǐng)域，重點(diǎn)針對(duì)太赫茲波段的快速動(dòng)態(tài)功能器件，用于太赫茲波調(diào)制器、太赫茲波開(kāi)關(guān)、太赫茲移相器等，具體涉及一種鰭線加載hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波快速調(diào)制器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，太赫茲的獨(dú)特性能為通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗和醫(yī)學(xué)成像等眾多領(lǐng)域提供了誘人的發(fā)展可能性。其中在太赫茲通信與成像系統(tǒng)中，太赫茲波動(dòng)態(tài)功能器件—太赫茲外部調(diào)制器如今已成為其關(guān)鍵的核心技術(shù)。從2004年開(kāi)始，nature/science等國(guó)際自然科學(xué)頂級(jí)刊物陸續(xù)刊登了多篇太赫茲波外部調(diào)制器的文章，其內(nèi)容包括基于摻雜硅基、砷化鎵基、相變材料基以及石墨烯等與人工電磁媒質(zhì)相結(jié)合，利用外加溫度、光照、電場(chǎng)等的激勵(lì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制。在上述方法中，調(diào)制器多采用空間金屬陣列形式，金屬單元間耦合寄生效應(yīng)大，降低了調(diào)制器的響應(yīng)速率，且調(diào)制器不便集成。因此設(shè)計(jì)一種響應(yīng)速度高、調(diào)制深度大、結(jié)構(gòu)緊湊便于集成的器件仍然是太赫茲調(diào)制器件亟待解決的核心技術(shù)問(wèn)題。

在半導(dǎo)體材料與電磁器件產(chǎn)業(yè)中，一方面，電磁器件的發(fā)展需求決定了半導(dǎo)體材料的發(fā)展，另外一方面，由于半導(dǎo)體新材料的出現(xiàn)，推動(dòng)了新的電磁器件的出現(xiàn)。在第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展中，高電子遷移率晶體管hemt展現(xiàn)出了卓越的性能，并已成功運(yùn)用至探測(cè)器、放大器等領(lǐng)域，hemt的出現(xiàn)也為太赫茲外部調(diào)制器的設(shè)計(jì)指引了新方向。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。1978年r.dingle首次在分子束外延生長(zhǎng)的調(diào)制摻雜gaas/algaas超晶格中觀察到了高電子遷移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了hemt，并成功應(yīng)用于微波低噪聲放大。第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料gan不僅具有寬的帯隙，而且還具有熱導(dǎo)率大、電子飽和速率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大及熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此在制備高速功能器件中，基于gan材料的hemt具有很大的優(yōu)勢(shì)。

自然界中很多材料在太赫茲頻段沒(méi)有電磁響應(yīng)，人工電磁媒質(zhì)的出現(xiàn)為太赫茲的發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇。人工電磁媒質(zhì)是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其性質(zhì)可以通過(guò)有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來(lái)表征，而人工電磁媒質(zhì)的有效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率則可以可通過(guò)人為地設(shè)計(jì)，從而控制其對(duì)外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性以及電磁特性。隨著近代微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，人工電磁媒質(zhì)在推動(dòng)無(wú)源功能器件的發(fā)展中起到了巨大的推動(dòng)作用，在微波毫米波段、太赫茲波段以及光波段都研制出多種相關(guān)功能器件。

鰭線是一種較為特殊的傳輸線，它能與很多半導(dǎo)體器件相契合，為實(shí)現(xiàn)混合電路提供有利條件。在毫米波內(nèi)對(duì)應(yīng)的行波波長(zhǎng)大于微帶線的導(dǎo)行波，因此基片的公差沒(méi)有微帶線結(jié)構(gòu)那么嚴(yán)格，而且矩形波導(dǎo)壁的公差也略微放寬。由于鰭線基片地面沒(méi)有金屬接地板，能量不會(huì)像微帶線集中在介質(zhì)中，從而減少了介質(zhì)損耗。鰭線阻抗范圍大，在電路的設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)良好的匹配效果，降低不必要的反射，鰭線帶寬較寬，可以工作在較高的工作頻率，因此在很多電路結(jié)構(gòu)中都會(huì)采用鰭線。

本發(fā)明將鰭線傳輸線與人工電磁諧振結(jié)構(gòu)、hemt相結(jié)合通過(guò)電控hemt的電磁特性實(shí)現(xiàn)對(duì)人工電磁諧振單元結(jié)構(gòu)中電磁諧振模式的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鰭線-波導(dǎo)中傳播的太赫茲波幅度、相位進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易集成，可用于太赫茲無(wú)線通信、波譜成像等應(yīng)用系統(tǒng)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：提供一種通過(guò)外加電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)太赫茲波快速動(dòng)態(tài)幅度調(diào)制的調(diào)制器，響應(yīng)速度快，調(diào)制深度高，便于加工，易于集成。

本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的：

一種鰭線加載hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波快速調(diào)制器，包括輸入波導(dǎo)1、波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡部分2、鰭線調(diào)制部分3、鰭線-波導(dǎo)過(guò)渡部分4、輸出波導(dǎo)5和外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6；

所述鰭線調(diào)制部分3包括鰭線中間傳輸區(qū)和調(diào)制單元陣列；所述鰭線中間傳輸區(qū)包括接地鰭7和絕緣鰭8；所述調(diào)制單元陣列中的每個(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10和金屬開(kāi)口諧振環(huán)9；所述hemt包括柵極連接線10、源極11、漏極12和調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)13；所述源極11和漏極12分別與金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處金屬條相連接；所述柵極連接線10置于金屬開(kāi)口諧振環(huán)9開(kāi)口處的中心位置并與所述絕緣鰭8相連接；所述金屬開(kāi)口諧振環(huán)9通過(guò)短金屬條與接地鰭7相連接；所述外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6連接所述絕緣鰭7；通過(guò)控制外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6的調(diào)制電壓控制hemt的通斷；

所述調(diào)制單元陣列包括n個(gè)調(diào)制單元，n≥2；

鰭線基板可為石英，也可為碳化硅、藍(lán)寶石或砷化鎵等材料。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明中鰭線結(jié)合人工電磁媒質(zhì)嵌套hemt的復(fù)合陣列可有效降低太赫茲波的傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)太赫茲波在高速調(diào)制的同時(shí)插損低；

(2)本發(fā)明中鰭線傳輸線易于與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡，便于與相關(guān)器件的連接以及太赫茲系統(tǒng)的構(gòu)建；

(3)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的諧振結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的的開(kāi)口環(huán)諧振調(diào)制器不同，是在金屬開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口處進(jìn)行hemt晶體管的嵌套，并將嵌套的諧振結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)加載至鰭線結(jié)構(gòu)之上，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)鰭線上傳輸?shù)奶掌澆ㄟM(jìn)行調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)高調(diào)制深度的調(diào)制，這對(duì)太赫茲波段調(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)在鰭線傳輸線上可只放置少數(shù)幾個(gè)甚至是2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)(rc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40ghz以上，可大幅提高對(duì)太赫茲波的調(diào)制速率；

(5)本發(fā)明器件中人工電磁媒質(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，能增強(qiáng)太赫茲波電磁諧振強(qiáng)度，從而可以大幅提升該調(diào)制器件的調(diào)制效率，采用兩個(gè)調(diào)制單元結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大于95％的調(diào)制深度；

(6)本發(fā)明中利用的是一種二維平面結(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，解決了太赫茲波段的功能器件立體結(jié)構(gòu)普通機(jī)械加工手段難以加工實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題；

(7)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。這對(duì)于該器件小型化、實(shí)用化與產(chǎn)量化具有很大的優(yōu)勢(shì)；

(8)本發(fā)明通過(guò)改變?nèi)斯る姶琶劫|(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(長(zhǎng)、寬、開(kāi)口位置等)，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；

(9)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、集成。

附圖說(shuō)明

圖1為調(diào)制器整體結(jié)構(gòu)三維示意圖；

圖2為調(diào)制器的整體結(jié)構(gòu)俯瞰平面示意圖；

圖3為調(diào)制器諧振單元結(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)行進(jìn)一步的說(shuō)明。

本具體實(shí)施方式提供一種鰭線加載hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波快速調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示，包括輸入波導(dǎo)1、波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡部分2、鰭線調(diào)制部分3、鰭線-波導(dǎo)過(guò)渡部分4、輸出波導(dǎo)5和外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6；

所述輸入波導(dǎo)1由標(biāo)準(zhǔn)直波導(dǎo)構(gòu)成，用于饋入太赫茲電磁波；

所述波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡部分2由一部分單節(jié)印刷階梯變換器組成，用于實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到鰭線的轉(zhuǎn)換，將輸入波導(dǎo)1內(nèi)的太赫茲電磁波耦合到鰭線；

所述鰭線調(diào)制部分3包括鰭線中間傳輸區(qū)和調(diào)制單元陣列；所述鰭線中間傳輸區(qū)包括接地鰭7和絕緣鰭8；所述調(diào)制單元陣列中的每個(gè)調(diào)制單元包括人工電磁媒質(zhì)與hemt，調(diào)制單元的結(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10和金屬開(kāi)口諧振環(huán)9；所述hemt包括柵極連接線10、源極11、漏極12和調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)13，hemt的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示；所述源極11和漏極12分別與金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處金屬條相連接；所述柵極連接線10置于金屬開(kāi)口諧振環(huán)9開(kāi)口處的中心位置并與所述絕緣鰭8相連接；所述金屬開(kāi)口諧振環(huán)9通過(guò)短金屬條與接地鰭7相連接；所述外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6連接所述絕緣鰭7；

所述鰭線-波導(dǎo)過(guò)渡部分4與波導(dǎo)-鰭線過(guò)渡部分2保持對(duì)稱(chēng)，同樣采用一部分單節(jié)印刷階梯變換器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)鰭線到波導(dǎo)的過(guò)渡轉(zhuǎn)換，將鰭線上的電磁波傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口；

所述輸出波導(dǎo)5由標(biāo)準(zhǔn)直波導(dǎo)構(gòu)成，用于輸出被調(diào)制后的電磁波；

所述外部濾波饋電結(jié)構(gòu)6，在器件外壁做開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，絕緣鰭7與低通濾波器相接后與sma接頭連接，器件與器件外壁相連共同接地，絕緣鰭7采用絕緣膜與波導(dǎo)腔體壁隔開(kāi)。

所述調(diào)制單元陣列包括n個(gè)調(diào)制單元，n≥2，本實(shí)施例取n＝2；

鰭線的基板材料選用石英；

該調(diào)制器是通過(guò)電控hemt的通斷對(duì)太赫茲波實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)幅度調(diào)制。從圖5可以看到，當(dāng)外加控制電壓使得hemt連通時(shí)，金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處處于連接狀態(tài)，在此情況下可以看到金屬開(kāi)口諧振環(huán)9由于開(kāi)口處的導(dǎo)通無(wú)法在特定工作頻率進(jìn)行諧振，整體來(lái)看，輸入太赫茲波由于在兩個(gè)調(diào)制單元處發(fā)生反射，但是在兩個(gè)調(diào)制單元處的反射發(fā)生抵消，因此太赫茲波可以順利的從傳輸端口傳輸?shù)捷敵龆丝?。如圖6所示，當(dāng)外加電壓控制hemt斷開(kāi)，金屬開(kāi)口諧振環(huán)9的開(kāi)口處斷開(kāi)，調(diào)制單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成lc振蕩。這時(shí)鰭線中傳輸?shù)碾姶挪芰恐饕性诮饘匍_(kāi)口諧振環(huán)9處，無(wú)法繼續(xù)沿著傳輸線繼續(xù)傳播。因此通過(guò)外加控制電壓控制hemt的通斷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制單元的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波進(jìn)行快速地調(diào)制。如圖7所示，在外加電壓控制hemt通斷狀態(tài)下的傳播系數(shù)，有超過(guò)25db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。

在人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)中采用金屬開(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。

結(jié)果表明，外加電壓控制hemt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，由此導(dǎo)致太赫茲波的通過(guò)率改變，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的幅度進(jìn)行調(diào)制。因此本發(fā)明提供的鰭線加載人工電磁媒質(zhì)hemt嵌套結(jié)構(gòu)的太赫茲波快速調(diào)制器是一種電控高效，高速器件，這將為將來(lái)太赫茲功能器件的設(shè)計(jì)以及與源器件的集成提供了很好的思路與方向。