一种太赫兹辐射源单元、芯片和波导输出的太赫兹源

本发明涉及一种太赫兹辐射源单元、芯片和波导输出的太赫兹源。

背景技术：

1、太赫兹频段处在传统电子学高频极限与光学低频极限中间，由于开发技术难度较大，是目前最少被开发利用的电磁频谱资源。太赫兹频段由于可用带宽大、波长比毫米波更短、光子能量比x光低、物质吸收谱特异性等多种特殊性质，其在高速无线通信、高分辨率雷达传感、无害人体成像、物质光谱学分析等方面有着巨大的应用潜力。阻碍太赫兹技术推广使用的最大困难之一是低成本、高效率的太赫兹源研发。目前常见的太赫兹产生方法有量子级联激光器、光学下变频和微波电子学方法。

2、基于微波电子学的芯片级太赫兹源设计中，由于大部分芯片工艺的晶体管最大可振荡频率都达不到太赫兹频段，只能利用器件的非线性产生高次谐波作为太赫兹输出产物，所以输出功率和效率都极为有限。

3、单元电路的实现又主要有两种路径：基于有源晶体管或二极管倍频器的倍频链方案和谐波振荡器方案，以输出二次谐波为例，基于倍频器的方案由于链路较长，单元电路尺寸较大而且效率较低，由于阵列式太赫兹源需要满足阵列天线单元间距接近半波长的要求，较大的尺寸不利于进行组阵，低效率也不利于节能和散热。相比之下，谐波振荡器单元成为了构造阵列式太赫兹源芯片的一种理想选择。

4、谐波振荡器电路跟普通基频振荡器相似，输出的匹配网络对目标谐波阻抗进行匹配进而将其提取出来输出到负载，基频和其他谐波则被反射回振荡环路内。传统的谐波振荡器基于t型或π型反馈网络形成振荡器，如图1~2所示，目标谐波以二次谐波为例，这两种反馈网络存在两个缺点：

5、（1）这两种反馈网络在将基频（f0）能量反馈回晶体管输入端的同时，也将部分二次谐波（2f0）能量反馈回了晶体管输入端。而由于太赫兹频段的2f0信号已经超出晶体管的最大可振荡频率（fmax），所以这部分2f0经由晶体管输入以后并不能获得功率放大效果，只会被进一步衰减，导致从输出端可提取的2f0功率降低，降低了目标谐波的输出功率和效率。

6、（2）当这两种反馈网络的参数变化时，会同时影响f0和2f0的特性，网络的f0和2f0特性均会影响2f0输出功率的大小，而该网络无法实现f0和2f0特性的独立调节，所以难以实现最大化的2f0功率输出。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太赫兹辐射源单元、芯片和波导输出的太赫兹源，太赫兹辐射源单元独立调节反馈网络的基频和二次谐波阻抗，实现了二次谐波功率的最大化输出，并且形成了阵列式太赫兹源芯片，引入了波导接口，使得设计的太赫兹源可以直接连接太赫兹波导器件，扩宽了该太赫兹源的应用范围。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种太赫兹辐射源单元，包括谐波振荡器电路和环形天线，所述谐波振荡器包括第一晶体管、第二晶体管、耦合线和五条传输线；

3、所述第一晶体管的栅极连接到耦合线的第一个端口，第二晶体管的栅极连接到耦合线的第二个端口；第一晶体管和源极和第二晶体管的源极均接地；所述第一晶体管的漏极连接到第一条传输线的第一端，第二晶体管的漏极连接到第二条传输线的第一端，第一条传输线的第二端与第二条传输线的第二端相连，且连接的公共点作为谐波振荡器电路的输出端，谐波振荡器电路的输出端与环形天线连接；

4、所述耦合线的第三个端口与第三条传输线的第一端连接，第三条传输线的第二端连接到第一晶体管的漏极；耦合线的第四个端口与第四条传输线的第一端连接，第四条传输线的第二端连接到第二晶体管的漏极；

5、所述耦合线包括平行的左传输线和右传输线，左传输线的中点连接漏极偏置电压vd,右传输线中点通过第五条传输线连接栅极偏置电压vg。

6、一种太赫兹辐射源芯片，所述太赫兹辐射源芯片为采用14个所述太赫兹辐射源单元构成的2×7的辐射源阵列；辐射源阵列的每一行中的2个太赫兹辐射源单元相互对称；

7、第一行的两个太赫兹辐射单元的上侧设置有第一段接地金属；在第七行太赫兹辐射单元的下侧设置有第二段接地金属。

8、一种具有波导输出口的太赫兹源，包括pcb板、带有波导孔的金属法兰、渐变过渡波导和所述的太赫兹辐射源芯片；

9、所述太赫兹源辐射源芯片粘接固定于金属法兰的波导孔内，所述pcb上预留由方孔，所述金属法兰粘接固定与pcb板上，并使得波导孔与方孔对其；所述pcb板为供电电源板，集成有漏极偏置电压源和栅极偏置电压源，并通过键合线为太赫兹源辐射源芯片的各个太赫兹辐射源单元提供漏极偏置电压vd和栅极偏置电压vg；所述渐变过渡波导的第一个端口通过金属法兰带有的波导孔与金属法兰连接并固定，渐变过渡波导的第二个端口用于进行信号输出。所述渐变过渡波导第一个端口的尺寸大于第二个端口尺寸。

10、本发明的有益效果是：太赫兹辐射源单元独立调节反馈网络的基频和二次谐波阻抗，实现了二次谐波功率的最大化输出，并且形成了阵列式太赫兹源芯片，能够实现扫描的波束，引入了波导接口，使得设计的太赫兹源可以直接连接太赫兹波导器件，扩宽了该太赫兹源的应用范围。

技术特征：

1.一种太赫兹辐射源单元，其特征在于：包括谐波振荡器电路和环形天线，所述谐波振荡器包括第一晶体管、第二晶体管、耦合线和五条传输线；

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹辐射源单元，其特征在于：所述第一晶体管和第二晶体管均为n沟道mos晶体管。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹辐射源单元，其特征在于：所述右传输线的上端作为耦合线的第一个端口，右传输线的下端作为耦合线的第二个端口；所述左传输线的上端作为耦合线的第三个端口，左传输线的下端作为耦合线的第四个端口。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹辐射源单元，其特征在于：所述四条传输线均为l型传输线。

5.一种太赫兹辐射源芯片，基于权利要求1~4中任意一项所述的太赫兹辐射源单元，其特征在于：

6.一种具有波导输出口的太赫兹源，采用权利要求5所述的太赫兹辐射源芯片，其特征在于：包括pcb板、带有波导孔的金属法兰、渐变过渡波导和所述的太赫兹辐射源芯片；

7.一种具有波导输出口的太赫兹源，采用权利要求5所述的太赫兹辐射源芯片，其特征在于：所述渐变过渡波导第一个端口的尺寸大于第二个端口尺寸。

技术总结本发明公开了一种太赫兹辐射源单元、芯片和波导输出的太赫兹源，所述太赫兹辐射源单元包括谐波振荡器电路和环形天线，所述谐波振荡器包括第一晶体管、第二晶体管、耦合线和五条传输线。本发明中太赫兹辐射源单元独立调节反馈网络的基频和二次谐波阻抗，实现了二次谐波功率的最大化输出，并且形成了阵列式太赫兹源芯片，能够实现扫描的波束，引入了波导接口，使得设计的太赫兹源可以直接连接太赫兹波导器件，扩宽了该太赫兹源的应用范围。技术研发人员：吴亮,杨猛受保护的技术使用者：香港中文大学（深圳）技术研发日：技术公布日：2024/7/25