一種基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，利用陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路將基帶或儀器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)處理為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，再將陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)耦合到具有微分功能的片上或片外微分器，微分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分處理輸出極窄脈沖，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲（THz）電脈沖信號(hào)。所述微分器可以是利用半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)的微分電路，也可以是利用半導(dǎo)體工藝或MEMS工藝或陶瓷工藝實(shí)現(xiàn)的THz輻射天線從而直接將太赫茲電脈沖信號(hào)輻射到空間中。可采用功率分配及合成技術(shù)提高THz電脈沖輻射功率。本發(fā)明采用相位調(diào)整電路調(diào)整多路信號(hào)，使多路信號(hào)相位一致。
【專利說明】—種基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及信息領(lǐng)域的太赫茲技術(shù)，特別是基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004]目前THz輻射幾大主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括:量子級(jí)聯(lián)激光器、固態(tài)光子學(xué)以及固態(tài)電子技術(shù)等。
[0005]傳統(tǒng)的量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)具有體積小、能耗低等特點(diǎn)(D.J.Paul, et al, “Insearch of a Si/SiGe THz quantum cascade laser，，， Silicon Monolithic IntegratedCircuits in RF Systems, 2004.Digest of Papers.2004 Topical Meeting on.1EEE,2004:143 - 146.參考文獻(xiàn)I)，但此技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)半導(dǎo)體量子阱材料生長的質(zhì)量要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0006]固態(tài)光子學(xué)是利用飛秒激光脈沖觸發(fā)直流偏置下的光電導(dǎo)體(S.Li, H.Y.Sin,et al, “Thermal image and analysis of a 28.3 THz 0.18 μ m CMOS detector ”，Microwave Conference (EuMC), 2010:1389-1392.參考文獻(xiàn) 2)，通過相干電流驅(qū)動(dòng)偶極天線產(chǎn)生太赫茲脈沖輻射，此類THz源需要昂貴精密的超短脈沖光源設(shè)備，阻礙了技術(shù)應(yīng)用。
[0007]利用固態(tài)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)THz輻射，傳統(tǒng)的方法通常是利用頻率較低的微波毫米波作輸入，采用倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄帶THz福射(John Ward, Erich Schlecht, GoutamChattopadhyay, etc.“Capability of THz sources based multiplier on Schottkyd1de frequency chains”，2004 IEEE MTT-S Digest, 2004:1587-1590.參考文獻(xiàn) 3)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是集成度低，工藝復(fù)雜，導(dǎo)致成本上升。
[0008]以上幾種傳統(tǒng)技術(shù)，未能有效解決太赫茲技術(shù)針對(duì)成像、醫(yī)療等中低端市場(chǎng)應(yīng)用的低成本、小體積、聞集成度等關(guān)鍵問題。如何能在目如超大規(guī)1?集成電路的工藝條件和技術(shù)思想基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)超高頻率的信號(hào)源特別是在太赫茲頻段的電脈沖信號(hào)源，成為微電子【技術(shù)領(lǐng)域】的一大難題。
[0009]本發(fā)明是基于固態(tài)電子技術(shù)，采用主流的硅半導(dǎo)體工藝或其他化合物半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路，將基帶或儀器輸入的寬邊沿?cái)?shù)字信號(hào)處理為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，再通過片上/片外傳輸線或波導(dǎo)將此信號(hào)耦合到片上/片外微分器，產(chǎn)生THz電脈沖。其中，微分器可以是利用半導(dǎo)體工藝或MEMS工藝或陶瓷工藝實(shí)現(xiàn)的THz輻射天線，也可以是半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)的微分電路。
[0010]本發(fā)明與傳統(tǒng)的通信集成系統(tǒng)相兼容，突破了太赫茲通信研究的瓶頸。有利于推動(dòng)太赫茲集成電路的小型化和實(shí)用化。

[0011]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]技術(shù)問題:本發(fā)明提出一種體積小，成本低，保密性強(qiáng)，功耗低，并且不需要復(fù)雜集成電路工藝的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置。
技術(shù)方案:本發(fā)明的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，包括依次串聯(lián)的功率分配器、陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路、相位調(diào)整電路、功率合成器和微分器，所述陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路由多級(jí)反相器級(jí)聯(lián)而成，所述功率分配器的每個(gè)輸出端連接一路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路，每路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路連接一路相位調(diào)整電路。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述的功率分配器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將一路信號(hào)分為2N路信號(hào)；所述功率合成器也為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將2 N路信號(hào)合成為一路信號(hào)。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述功率分配器和功率合成器均采用片上威爾金森結(jié)構(gòu)或片上變壓器結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路采用多級(jí)片上反相器級(jí)聯(lián)而成。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，相位調(diào)整電路由相位可控的移相器實(shí)現(xiàn)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選方案中，微分器采用片上微分器和片外微分器。
[0018]本發(fā)明的上述優(yōu)選方案中，片上微分器采用片上天線或片上微分電路，片上天線與前級(jí)的耦合分別采用片上傳輸線方式耦合或片上波導(dǎo)方式耦合，片上微分電路與前級(jí)的耦合方式采用片上傳輸線方式耦合。
[0019]本發(fā)明的上述優(yōu)選方案中，片外微分器采用片外天線或片外微分電路，片外天線與前級(jí)的耦合方式為:先采用金絲鍵合將信號(hào)從芯片內(nèi)部引到片外傳輸線，再饋電到片外天線或通過傳輸線-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器饋電到片外天線；片外微分電路與前級(jí)的耦合方式為:采用金絲鍵合將信號(hào)從芯片內(nèi)部引到片外傳輸線，再饋電到片外微分電路。
[0020]本發(fā)明裝置利用陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路將基帶或儀器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)處理為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，再將陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)耦合到具有微分功能的片上或片外微分器，微分器對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分處理輸出極窄脈沖，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲電脈沖信號(hào)。
[0021]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
固態(tài)光子學(xué)太赫茲脈沖技術(shù)需要昂貴精密的超短脈沖光源設(shè)備，而本發(fā)明利用常規(guī)的集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，體積小，成本低。
[0022]固態(tài)電子學(xué)倍頻技術(shù)需要正弦波形式的毫米波信號(hào)作為輸入，需要復(fù)雜集成電路工藝加工的高截止頻率太赫茲器件將毫米波信號(hào)倍頻到太赫茲頻段，產(chǎn)生正弦波形式的太赫茲信號(hào)。而本發(fā)明是太赫茲電脈沖產(chǎn)生方法，輸出的太赫茲信號(hào)是脈沖形式，保密性強(qiáng)，功耗低，并且不需要復(fù)雜的集成電路工藝。
[0023]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明方法的基本原理示意圖。
[0025]圖2是不同邊沿寬度的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)通過微分器后產(chǎn)生的極窄脈沖(THz脈沖)波形圖，其中圖2a為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)(4ps)與0.1THz電脈沖信號(hào)，圖2b為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)(0.4ps)與ITHz電脈沖信號(hào)。
[0026]圖3是一種基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置的具體實(shí)施例原理框圖。
[0027]圖4是由5反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路圖。
[0028]圖5是一個(gè)陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路的輸入輸出波形圖。
[0029]圖6是可變電阻與可變電容串聯(lián)的無源移相器。
[0030]圖7是有源移相器。
[0031]

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0033]所提出的太赫茲電脈沖信號(hào)產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)方法示意圖，如圖1所示。
[0034]圖2為不同邊沿寬度的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)耦合到微分器后產(chǎn)生的極窄脈沖(THz脈沖)波形圖?？梢钥闯觯高呇?cái)?shù)字信號(hào)的邊沿寬度大約是4ps，可以得到脈沖寬度約為1ps的太赫茲脈沖，該脈沖對(duì)應(yīng)了 0.1THz脈沖。當(dāng)陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)的邊沿寬度降低到0.4ps，可以得到脈沖寬度約為Ips的太赫茲脈沖，該脈沖對(duì)應(yīng)了 ITHz脈沖。
[0035]較佳地，可采用功率分配及合成技術(shù)提高THz電脈沖信號(hào)功率。利用功率分配器將輸入數(shù)字信號(hào)分為多路數(shù)字信號(hào)，分別通過陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路，輸出多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，再利用功率合成器將多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)進(jìn)行合成，從而提高陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)幅度，較高幅度的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)耦合到微分器后會(huì)得到較高功率的THz電脈沖信號(hào)。功率分配器、功率合成器的結(jié)構(gòu)可以為威爾金森功率分配器或變壓器。功率分配器可以片上或片外實(shí)現(xiàn)。功率分配器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將一路信號(hào)分為二的N次方路信號(hào)。所述功率合成器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將二的N次方路信號(hào)合成為一路信號(hào)。
[0036]較佳地，為了保證多路信號(hào)的相位一致，可在每一路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路后串聯(lián)一路相位調(diào)整電路。相位調(diào)整電路由相位可控的移相器實(shí)現(xiàn)，可采用無源電路或有源電路。其中，無源電路可以是傳輸線，也可以是可調(diào)電容與可調(diào)電阻串聯(lián)如圖6 ;有源電路可采用兩個(gè)移相電路之后各自增加了一個(gè)跟隨器，然后用一個(gè)電位器和一個(gè)加法器進(jìn)行選擇相加來實(shí)現(xiàn)如圖7。
[0037]較佳地，微分器由具有微分特性的片上微分器或片外微分器構(gòu)成，所述片上微分器由片上天線或片上微分電路構(gòu)成，所述片外微分器由片外天線或片外微分電路構(gòu)成。片上器件或電路可采用片上天線、片上微分電路，如利用MEMS工藝設(shè)計(jì)加工的片上螺旋天線和片上喇叭天線；片外器件或電路可采用片外天線以及片外微分電路，如利用PCB工藝加工的串聯(lián)天線陣。
[0038]較佳地，對(duì)于功率合成器與微分器的耦合，針對(duì)片上微分器，如針對(duì)片上螺旋天線，采用片上傳輸線方式耦合，針對(duì)片上喇叭天線，采用片上波導(dǎo)方式耦合；針對(duì)片外微分器，如針對(duì)PCB工藝天線,通過金絲鍵合(bangding)將信號(hào)從芯片內(nèi)部引到片外傳輸線，再饋電到天線，如針對(duì)立體喇叭天線，通過鍵合-傳輸線-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器饋電到立體喇叭天線。
[0039]本發(fā)明基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置的一種具體實(shí)施例如圖3所示?；鶐Щ騼x器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過功率分配器，功率分配器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將一路信號(hào)分為二的N次方路信號(hào)。然后經(jīng)過多路并行的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路得到多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)再分別經(jīng)過相位調(diào)整電路調(diào)整至各路信號(hào)相位一致，再經(jīng)過功率合成器合成為一路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，再耦合到微分器，從而實(shí)現(xiàn)THz電脈沖信號(hào)。
[0040]具體而言，包含以下6f(A、B、C、D、E、F)主要部分:
A、功率分配器:
用于將基帶或儀器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)分為等功率的多路數(shù)字信號(hào)。功率分配器可以為片上威爾金森結(jié)構(gòu)或片上變壓器結(jié)構(gòu)。所述功率分配器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將一路信號(hào)分為二的N次方路信號(hào)。
[0041]B、陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路:
用于將輸入的寬邊沿?cái)?shù)字信號(hào)處理為陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)。陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路由5級(jí)反相器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，如圖4，并由65nm CMOS工藝制備。圖5顯示了該陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路的輸入輸出波形圖，輸入的寬邊沿?cái)?shù)字信號(hào)邊沿寬度為lOOps，輸出的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)邊沿寬度為5.2ps。
[0042]采用更先進(jìn)工藝CMOS工藝(如40nm、28nm工藝)或化合物半導(dǎo)體工藝(如GaAs、GaN、SiGe, InP工藝)制備的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路可以獲得更陡的陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)更高頻率的THz電脈沖信號(hào)。
[0043]C、相位調(diào)整電路
用于調(diào)整多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)的相位。相位調(diào)整電路由相位采用片上無源電路。該電路的具體連接如圖6，采用可調(diào)電阻與可調(diào)電容串聯(lián)。
[0044]D、功率合成器:
用于將多路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)合成為一路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)。功率合成器可以為片上威爾金森功率合成器或片上變壓器結(jié)構(gòu)。所述功率合成器為多個(gè)，采用N級(jí)樹形連接，將二的N次方路信號(hào)合成為一路信號(hào)。功率合成器可以米用與功率分配器相同的結(jié)構(gòu)形式，也可以采用不同的結(jié)構(gòu)形式。
[0045]E、微分器
用于將陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)處理成極窄脈沖(THz脈沖)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)THz電脈沖信號(hào)。片上微分器采用MEMS工藝設(shè)計(jì)加工的片上螺旋天線。
[0046]F、陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)與微分器之間的信號(hào)耦合:
用于將陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)傳輸?shù)轿⒎制鳌ａ槍?duì)片上螺旋天線，采用片上傳輸線方式耦合。
[0047]上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括依次串聯(lián)的功率分配器、陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路、相位調(diào)整電路、功率合成器和微分器，所述陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路由多級(jí)反相器級(jí)聯(lián)而成，所述功率分配器的每個(gè)輸出端連接一路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路，每路陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路連接一路相位調(diào)整電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述的功率分配器為多個(gè)，采用~級(jí)樹形連接，將一路信號(hào)分為2?各信號(hào)；所述功率合成器也為多個(gè)，采用~級(jí)樹形連接，將2?各信號(hào)合成為一路信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述功率分配器和功率合成器均采用片上威爾金森結(jié)構(gòu)或片上變壓器結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述陡邊沿?cái)?shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路采用多級(jí)片上反相器級(jí)聯(lián)而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述相位調(diào)整電路由相位可控的移相器實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述微分器采用片上微分器和片外微分器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述片上微分器采用片上天線或片上微分電路，片上天線與前級(jí)的耦合方式采用片上傳輸線方式耦合或片上波導(dǎo)方式耦合，片上微分電路與前級(jí)的耦合方式采用片上傳輸線方式耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于固態(tài)電子的太赫茲電脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述片外微分器采用片外天線或片外微分電路，片外天線與前級(jí)的耦合方式為:先采用金絲鍵合將信號(hào)從芯片內(nèi)部引到片外傳輸線，再饋電到片外天線或通過傳輸線-波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器饋電到片外天線；片外微分電路與前級(jí)的耦合方式為:采用金絲鍵合將信號(hào)從芯片內(nèi)部引到片外傳輸線，再饋電到片外微分電路。
【文檔編號(hào)】H03K3/02GK104506167SQ201410717802
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】唐旭升, 黃風(fēng)義, 姜楠, 張有明, 高孟川, 彭振寧 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 愛斯泰克（上海）高頻通訊技術(shù)有限公司