一种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，利用陡边沿数字信号产生电路将基带或仪器发出的数字信号处理为陡边沿数字信号，再将陡边沿数字信号耦合到具有微分功能的片上或片外微分器，微分器对信号进行微分处理输出极窄脉冲，从而实现太赫兹（THz）电脉冲信号。所述微分器可以是利用半导体工艺实现的微分电路，也可以是利用半导体工艺或MEMS工艺或陶瓷工艺实现的THz辐射天线从而直接将太赫兹电脉冲信号辐射到空间中。可采用功率分配及合成技术提高THz电脉冲辐射功率。本发明采用相位调整电路调整多路信号，使多路信号相位一致。
【专利说明】—种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及信息领域的太赫兹技术，特别是基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置。
[0003]
【背景技术】
[0004]目前THz辐射几大主要实现技术包括:量子级联激光器、固态光子学以及固态电子技术等。
[0005]传统的量子级联激光器技术具有体积小、能耗低等特点(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 - 146.参考文献I)，但此技术的缺点是对半导体量子阱材料生长的质量要求很高，结构复杂。
[0006]固态光子学是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体(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), 2010:1389-1392.参考文献 2)，通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹脉冲辐射，此类THz源需要昂贵精密的超短脉冲光源设备，阻碍了技术应用。
[0007]利用固态电子技术实现THz辐射，传统的方法通常是利用频率较低的微波毫米波作输入，采用倍频技术实现窄带THz福射(John Ward, Erich Schlecht, GoutamChattopadhyay, etc.“Capability of THz sources based multiplier on Schottkyd1de frequency chains”，2004 IEEE MTT-S Digest, 2004:1587-1590.参考文献 3)。这种技术的缺点是集成度低，工艺复杂，导致成本上升。
[0008]以上几种传统技术，未能有效解决太赫兹技术针对成像、医疗等中低端市场应用的低成本、小体积、闻集成度等关键问题。如何能在目如超大规1?集成电路的工艺条件和技术思想基础上，实现超高频率的信号源特别是在太赫兹频段的电脉冲信号源，成为微电子【技术领域】的一大难题。
[0009]本发明是基于固态电子技术，采用主流的硅半导体工艺或其他化合物半导体工艺实现陡边沿数字信号产生电路，将基带或仪器输入的宽边沿数字信号处理为陡边沿数字信号，再通过片上/片外传输线或波导将此信号耦合到片上/片外微分器，产生THz电脉冲。其中，微分器可以是利用半导体工艺或MEMS工艺或陶瓷工艺实现的THz辐射天线，也可以是半导体工艺实现的微分电路。
[0010]本发明与传统的通信集成系统相兼容，突破了太赫兹通信研究的瓶颈。有利于推动太赫兹集成电路的小型化和实用化。
[0011]
【发明内容】
[0012]技术问题:本发明提出一种体积小，成本低，保密性强，功耗低，并且不需要复杂集成电路工艺的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置。
技术方案:本发明的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，包括依次串联的功率分配器、陡边沿数字信号产生电路、相位调整电路、功率合成器和微分器，所述陡边沿数字信号产生电路由多级反相器级联而成，所述功率分配器的每个输出端连接一路陡边沿数字信号产生电路，每路陡边沿数字信号产生电路连接一路相位调整电路。
[0013]本发明的优选方案中，所述的功率分配器为多个，采用N级树形连接，将一路信号分为2N路信号；所述功率合成器也为多个，采用N级树形连接，将2 N路信号合成为一路信号。
[0014]本发明的优选方案中，所述功率分配器和功率合成器均采用片上威尔金森结构或片上变压器结构。
[0015]本发明的优选方案中，所述陡边沿数字信号产生电路采用多级片上反相器级联而成。
[0016]本发明的优选方案中，相位调整电路由相位可控的移相器实现。
[0017]本发明的优选方案中，微分器采用片上微分器和片外微分器。
[0018]本发明的上述优选方案中，片上微分器采用片上天线或片上微分电路，片上天线与前级的耦合分别采用片上传输线方式耦合或片上波导方式耦合，片上微分电路与前级的耦合方式采用片上传输线方式耦合。
[0019]本发明的上述优选方案中，片外微分器采用片外天线或片外微分电路，片外天线与前级的耦合方式为:先采用金丝键合将信号从芯片内部引到片外传输线，再馈电到片外天线或通过传输线-波导转接器馈电到片外天线；片外微分电路与前级的耦合方式为:采用金丝键合将信号从芯片内部引到片外传输线，再馈电到片外微分电路。
[0020]本发明装置利用陡边沿数字信号产生电路将基带或仪器发出的数字信号处理为陡边沿数字信号，再将陡边沿数字信号耦合到具有微分功能的片上或片外微分器，微分器对信号进行微分处理输出极窄脉冲，从而实现太赫兹电脉冲信号。
[0021]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
固态光子学太赫兹脉冲技术需要昂贵精密的超短脉冲光源设备，而本发明利用常规的集成电路工艺实现，体积小，成本低。
[0022]固态电子学倍频技术需要正弦波形式的毫米波信号作为输入，需要复杂集成电路工艺加工的高截止频率太赫兹器件将毫米波信号倍频到太赫兹频段，产生正弦波形式的太赫兹信号。而本发明是太赫兹电脉冲产生方法，输出的太赫兹信号是脉冲形式，保密性强，功耗低，并且不需要复杂的集成电路工艺。
[0023]
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明方法的基本原理示意图。
[0025]图2是不同边沿宽度的陡边沿数字信号通过微分器后产生的极窄脉冲(THz脉冲)波形图，其中图2a为陡边沿数字信号(4ps)与0.1THz电脉冲信号，图2b为陡边沿数字信号(0.4ps)与ITHz电脉冲信号。
[0026]图3是一种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置的具体实施例原理框图。
[0027]图4是由5反相器级联构成的陡边沿数字信号产生电路图。
[0028]图5是一个陡边沿数字信号产生电路的输入输出波形图。
[0029]图6是可变电阻与可变电容串联的无源移相器。
[0030]图7是有源移相器。
[0031]
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0033]所提出的太赫兹电脉冲信号产生实现方法示意图，如图1所示。
[0034]图2为不同边沿宽度的陡边沿数字信号耦合到微分器后产生的极窄脉冲(THz脉冲)波形图。可以看出，陡边沿数字信号的边沿宽度大约是4ps，可以得到脉冲宽度约为1ps的太赫兹脉冲，该脉冲对应了 0.1THz脉冲。当陡边沿数字信号的边沿宽度降低到0.4ps，可以得到脉冲宽度约为Ips的太赫兹脉冲，该脉冲对应了 ITHz脉冲。
[0035]较佳地，可采用功率分配及合成技术提高THz电脉冲信号功率。利用功率分配器将输入数字信号分为多路数字信号，分别通过陡边沿数字信号产生电路，输出多路陡边沿数字信号，再利用功率合成器将多路陡边沿数字信号进行合成，从而提高陡边沿数字信号幅度，较高幅度的陡边沿数字信号耦合到微分器后会得到较高功率的THz电脉冲信号。功率分配器、功率合成器的结构可以为威尔金森功率分配器或变压器。功率分配器可以片上或片外实现。功率分配器为多个，采用N级树形连接，将一路信号分为二的N次方路信号。所述功率合成器为多个，采用N级树形连接，将二的N次方路信号合成为一路信号。
[0036]较佳地，为了保证多路信号的相位一致，可在每一路陡边沿数字信号产生电路后串联一路相位调整电路。相位调整电路由相位可控的移相器实现，可采用无源电路或有源电路。其中，无源电路可以是传输线，也可以是可调电容与可调电阻串联如图6 ;有源电路可采用两个移相电路之后各自增加了一个跟随器，然后用一个电位器和一个加法器进行选择相加来实现如图7。
[0037]较佳地，微分器由具有微分特性的片上微分器或片外微分器构成，所述片上微分器由片上天线或片上微分电路构成，所述片外微分器由片外天线或片外微分电路构成。片上器件或电路可采用片上天线、片上微分电路，如利用MEMS工艺设计加工的片上螺旋天线和片上喇叭天线；片外器件或电路可采用片外天线以及片外微分电路，如利用PCB工艺加工的串联天线阵。
[0038]较佳地，对于功率合成器与微分器的耦合，针对片上微分器，如针对片上螺旋天线，采用片上传输线方式耦合，针对片上喇叭天线，采用片上波导方式耦合；针对片外微分器，如针对PCB工艺天线,通过金丝键合(bangding)将信号从芯片内部引到片外传输线，再馈电到天线，如针对立体喇叭天线，通过键合-传输线-波导转接器馈电到立体喇叭天线。
[0039]本发明基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置的一种具体实施例如图3所示。基带或仪器发出的数字信号经过功率分配器，功率分配器为多个，采用N级树形连接，将一路信号分为二的N次方路信号。然后经过多路并行的陡边沿数字信号产生电路得到多路陡边沿数字信号，多路陡边沿数字信号再分别经过相位调整电路调整至各路信号相位一致，再经过功率合成器合成为一路陡边沿数字信号，再耦合到微分器，从而实现THz电脉冲信号。
[0040]具体而言，包含以下6f(A、B、C、D、E、F)主要部分:
A、功率分配器:
用于将基带或仪器发出的数字信号分为等功率的多路数字信号。功率分配器可以为片上威尔金森结构或片上变压器结构。所述功率分配器为多个，采用N级树形连接，将一路信号分为二的N次方路信号。
[0041]B、陡边沿数字信号产生电路:
用于将输入的宽边沿数字信号处理为陡边沿数字信号。陡边沿数字信号产生电路由5级反相器级联构成，如图4，并由65nm CMOS工艺制备。图5显示了该陡边沿数字信号产生电路的输入输出波形图，输入的宽边沿数字信号边沿宽度为lOOps，输出的陡边沿数字信号边沿宽度为5.2ps。
[0042]采用更先进工艺CMOS工艺(如40nm、28nm工艺)或化合物半导体工艺(如GaAs、GaN、SiGe, InP工艺)制备的陡边沿数字信号产生电路可以获得更陡的陡边沿数字信号，以便实现更高频率的THz电脉冲信号。
[0043]C、相位调整电路
用于调整多路陡边沿数字信号的相位。相位调整电路由相位采用片上无源电路。该电路的具体连接如图6，采用可调电阻与可调电容串联。
[0044]D、功率合成器:
用于将多路陡边沿数字信号合成为一路陡边沿数字信号。功率合成器可以为片上威尔金森功率合成器或片上变压器结构。所述功率合成器为多个，采用N级树形连接，将二的N次方路信号合成为一路信号。功率合成器可以米用与功率分配器相同的结构形式，也可以采用不同的结构形式。
[0045]E、微分器
用于将陡边沿数字信号处理成极窄脉冲(THz脉冲)信号，从而实现THz电脉冲信号。片上微分器采用MEMS工艺设计加工的片上螺旋天线。
[0046]F、陡边沿数字信号与微分器之间的信号耦合:
用于将陡边沿数字信号传输到微分器。针对片上螺旋天线，采用片上传输线方式耦合。
[0047]上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，该装置包括依次串联的功率分配器、陡边沿数字信号产生电路、相位调整电路、功率合成器和微分器，所述陡边沿数字信号产生电路由多级反相器级联而成，所述功率分配器的每个输出端连接一路陡边沿数字信号产生电路，每路陡边沿数字信号产生电路连接一路相位调整电路。
2.根据权利要求1所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述的功率分配器为多个，采用~级树形连接，将一路信号分为2?各信号；所述功率合成器也为多个，采用~级树形连接，将2?各信号合成为一路信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述功率分配器和功率合成器均采用片上威尔金森结构或片上变压器结构。
4.根据权利要求1或2所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述陡边沿数字信号产生电路采用多级片上反相器级联而成。
5.根据权利要求1或2所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述相位调整电路由相位可控的移相器实现。
6.根据权利要求1或2所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述微分器采用片上微分器和片外微分器。
7.根据权利要求6所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述片上微分器采用片上天线或片上微分电路，片上天线与前级的耦合方式采用片上传输线方式耦合或片上波导方式耦合，片上微分电路与前级的耦合方式采用片上传输线方式耦合。
8.根据权利要求6所述的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，其特征在于，所述片外微分器采用片外天线或片外微分电路，片外天线与前级的耦合方式为:先采用金丝键合将信号从芯片内部引到片外传输线，再馈电到片外天线或通过传输线-波导转接器馈电到片外天线；片外微分电路与前级的耦合方式为:采用金丝键合将信号从芯片内部引到片外传输线，再馈电到片外微分电路。
【文档编号】H03K3/02GK104506167SQ201410717802
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】唐旭升, 黄风义, 姜楠, 张有明, 高孟川, 彭振宁 申请人:东南大学, 爱斯泰克（上海）高频通讯技术有限公司