一種太赫茲波段基于人工微結(jié)構(gòu)結(jié)合晶體管的反射天線(xiàn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞波長(zhǎng)反射天線(xiàn)用單元，具體講是一種Ι-bit反射陣輻射單元及平板反射陣天線(xiàn)，屬于天線(xiàn)技術(shù)以及電磁功能器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(Terahertz, THz)波是一種亟待開(kāi)發(fā)的新型電磁波譜，通常指頻率介于0.1THz?ΙΟΤΗζ范圍內(nèi)的電磁波。該頻率范圍位于毫米波與紅外、光之間，具有許多獨(dú)特的電磁特性。因而使其在物理、化學(xué)、電子信息、成像、生命科學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)家安全與反恐、通信與雷達(dá)等領(lǐng)域具有極其重要的潛在利用價(jià)值。
[0003]高幀率、高分辨率三維成像雷達(dá)要求具有低成本、高增益、實(shí)時(shí)可控的可重構(gòu)太赫茲天線(xiàn)掃描技術(shù)。目前在毫米波段普遍采用的傳統(tǒng)相控陣孔徑天線(xiàn)通過(guò)機(jī)械式掃描和多饋源波束成形實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可重構(gòu)，其缺點(diǎn)是復(fù)雜的饋電系統(tǒng)、龐大的接收單元模塊、傳輸線(xiàn)饋電系統(tǒng)的高頻損耗等，因此難以滿(mǎn)足太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)對(duì)高集成化、大帶寬、高速率、低成本的要求，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波頻率、極化、輻射特性實(shí)時(shí)可控的要求。
[0004]電控反射陣列天線(xiàn)利用離散控制器件，如PIN結(jié)開(kāi)關(guān)、MEMS開(kāi)關(guān)、鐵氧體器件、石墨稀、液晶等構(gòu)建反射單元，不需要傳輸線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)和大量的接收單元，可以實(shí)現(xiàn)快速、自適應(yīng)的天線(xiàn)可重構(gòu)和波束掃描。
[0005]反射天線(xiàn)是利用平面單元的相移特性來(lái)補(bǔ)償從饋源發(fā)出的入射波至等相位面的路徑差帶來(lái)的相位差，從而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可調(diào)控的反射陣兼?zhèn)淞朔瓷涿嫣炀€(xiàn)和相控陣天線(xiàn)的特點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的反射陣在高頻段尤其是太赫茲波段存在加工工藝和偏置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，限制了反射陣天線(xiàn)的電控設(shè)計(jì)。
[0006]近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料及技術(shù)的發(fā)展，電控晶體管展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)，成為了當(dāng)今微電子產(chǎn)業(yè)的核心。微結(jié)構(gòu)單元及陣列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，控制其對(duì)外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性以及電磁特性，人工微結(jié)構(gòu)目前包含頻率選擇表面結(jié)構(gòu)(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。隨著近代微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，人工微結(jié)構(gòu)在無(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。
[0007]Hirokazu Kamoda等人利用pin結(jié)二極管加載的貼片天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了 60Ghz的電控掃描[1]，其結(jié)構(gòu)單元，其單元層較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有工藝在太赫茲頻段很難實(shí)現(xiàn)，而且在pin結(jié)二極管的響應(yīng)速率較慢，很難實(shí)現(xiàn)高速掃描。介于上述現(xiàn)有的缺點(diǎn)和難點(diǎn)，本設(shè)將晶體管和人工微結(jié)構(gòu)結(jié)合并巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得饋電與反射單元處于同一層，大大降低了制作難度的同時(shí)，提高了單元相位響應(yīng)時(shí)間，從而提高了整個(gè)反射陣的掃描速率。
[0008]本發(fā)明通過(guò)將電控晶體管與人工微結(jié)構(gòu)巧妙并有效的結(jié)合加利用，提出的一種基于人工微結(jié)構(gòu)結(jié)合晶體管的單層反射陣單元及反射陣列，可以制作出對(duì)太赫茲電磁波反射調(diào)控的新型反射單元，提高了波束掃描速度并克服了現(xiàn)有的工藝和技術(shù)的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、損耗小的反射陣列天線(xiàn)，主要通過(guò)將人工微結(jié)構(gòu)和電控晶體管陣列相結(jié)合，通過(guò)對(duì)晶體管結(jié)構(gòu)的通斷控制，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束的電控掃描。
[0010]本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的設(shè)計(jì)方案為，設(shè)計(jì)出在特定頻點(diǎn)上對(duì)太赫茲電磁波具有頻率響應(yīng)的人工微結(jié)構(gòu)反射陣列，之后利用微電子加工工藝將陣列結(jié)構(gòu)與晶體管相結(jié)合，并通過(guò)外加電壓控制晶體管的通斷。最終通過(guò)電控改變結(jié)構(gòu)諧振模式來(lái)實(shí)現(xiàn)單元散射特性的改變從而實(shí)現(xiàn)對(duì)反射相位的控制。其相移控制的機(jī)理具體為當(dāng)晶體管處于截?cái)酄顟B(tài)時(shí)，諧振單元結(jié)構(gòu)電容片對(duì)入射太赫茲波電場(chǎng)分量呈現(xiàn)很強(qiáng)的電容效應(yīng)，而晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容片間形成連接，原先的電容效應(yīng)消失，由于電容的改變，使得諧振改變，從而改變反射相位。
[0011]因而本發(fā)明一種太赫茲波段基于人工微結(jié)構(gòu)結(jié)合晶體管的反射天線(xiàn)，包括:金屬地板、位于金屬地板上的介質(zhì)基板、位于介質(zhì)基板上的反射天線(xiàn)陣列，其特征在于介質(zhì)基板為半導(dǎo)體材料；反射天線(xiàn)陣列的每個(gè)單元天線(xiàn)為金屬貼片；針對(duì)每列單元天線(xiàn)設(shè)置兩條陰極金屬饋線(xiàn)，分別位于該列單元天線(xiàn)的兩側(cè)，其中一條連通該列全部單元天線(xiàn)，另一條懸空，天線(xiàn)陣列中所有陰極金屬饋線(xiàn)連接同一外加陰電極；針對(duì)每列單元天線(xiàn)，其中每個(gè)金屬貼片與懸空的陰極金屬饋線(xiàn)之間分別相對(duì)伸出一“T”型枝節(jié)，每一相對(duì)的“T”型枝節(jié)的頂部設(shè)置于一歐姆貼片上，歐姆貼片設(shè)置于介質(zhì)基板上，在各歐姆貼片上設(shè)置通過(guò)摻雜的異質(zhì)材料用以連接相對(duì)的“T”型枝節(jié)頂部；針對(duì)每列單元天線(xiàn)設(shè)置一條陽(yáng)極金屬饋線(xiàn)，該陽(yáng)極金屬饋線(xiàn)穿過(guò)該列所有“T”型枝節(jié)頂部之間的摻雜異質(zhì)材料，并且反射天線(xiàn)中所有陽(yáng)極金屬饋線(xiàn)分別與外接的數(shù)字編碼饋電接口相連，并最終由數(shù)字編碼電路分別加載電壓；通過(guò)外加陽(yáng)電極與外加陰電極之間的電壓差來(lái)控制“ τ ”型枝節(jié)頂部之間的摻雜異質(zhì)材料的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)通斷切換，從而調(diào)制該反射天線(xiàn)反射信號(hào)。
[0012]進(jìn)一步的，所述基板為藍(lán)寶石、高阻娃、InP、GaAs或碳化娃。
[0013]進(jìn)一步的，所述饋線(xiàn)及單元貼片為Au、Ag、Cu或Al。
[0014]進(jìn)一步的，歐姆貼片的材料為T(mén)1、Al、Ni或Au。
[0015]進(jìn)一步的，摻雜異質(zhì)材料可以為AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。
[0016]所述人工微結(jié)構(gòu)反射陣列為多個(gè)單元構(gòu)成的M*N的陣列，其中M>2，N>20
[0017]本發(fā)明的有益效果是:(1)、晶體管具有快速調(diào)制功能，所以將其作為本發(fā)明的核心動(dòng)態(tài)功能材料，可實(shí)現(xiàn)尚速的切換特性，最終實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的尚速掃描。(2)、本發(fā)明中米用一.維平面人工微結(jié)構(gòu)，通過(guò)單層陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的相位調(diào)控，并且該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可通過(guò)微細(xì)加工手段實(shí)現(xiàn)，工藝成熟，易于制作。(3)、本發(fā)明通過(guò)電控來(lái)進(jìn)行工作，而不需要外加光激勵(lì)、溫度激勵(lì)等其他較為復(fù)雜的激勵(lì)方式，使得該器件在小型化、實(shí)用化與產(chǎn)量化方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。(4)、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的反射結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變晶體管的通斷即可實(shí)現(xiàn)電磁波反射相位的變化，并最終通過(guò)相位控制實(shí)現(xiàn)反射面天線(xiàn)的波束掃描。
【附圖說(shuō)明】
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[0018]圖1為基于晶體管器件的太赫茲單層反射陣單元結(jié)構(gòu)陣列示意圖。
[0019]圖2為基于晶體管器件的太赫茲單層反射陣單元結(jié)構(gòu)正面示意圖。
[0020]圖3為單元