基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器和方法技术

本发明专利技术公开基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器，N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列与匹配网络相连，匹配网络与NMOSFET的源极相连，NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，第一偏置电阻与栅极之间相连有第三传输线，NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，第一隔直电容与低噪声前置放大器之间还相连有第二偏置电阻以及第二偏置电压，低噪声前置放大器还设有电压反馈回路，本发明专利技术还公开了关于N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列的设计方法。相对现有技术，本发明专利技术技术方案有效降低片上太赫兹天线损耗以及提高片上太赫兹天线增益和辐射效率。

THz Detector and Method Based on N*M Dielectric Resonant Antenna Array

The invention discloses a terahertz detector based on a N*M dielectric resonant antenna array. The dielectric resonant terahertz antenna array on a N*M chip is connected with the matching network, the matching network is connected with the source of the NMOSFET, the gate of the NMOSFET is connected with the first bias resistance and the first bias voltage in turn, the first bias resistance and the gate are connected with a third transmission line, and the drain of the NMOSFET is connected with the first isolated direct current. The other end of the first isolation capacitor is connected with the low noise preamplifier. The second bias resistance and the second bias voltage are also connected between the first isolation capacitor and the low noise preamplifier. The low noise preamplifier also has a voltage feedback loop. The design method of the dielectric resonant terahertz antenna array on N*M chip is also disclosed. Compared with the prior art, the technical scheme of the invention can effectively reduce the loss of the on-chip terahertz antenna and improve the gain and radiation efficiency of the on-chip terahertz antenna.

【技术实现步骤摘要】
基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器和方法
本专利技术涉及太赫兹
，特别涉及基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器和方法。
技术介绍
THz辐射(T射线)通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在30μm～3mm)范围内的电磁波，其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合，短波段方向与红外线相重合，因此属于远红外波段。由于THz波处于特殊电磁波谱的位置，其具有很多优越的特性且具有重大科学意义。主要表现为以下几个方面：第一，量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时不易发生电离，因而可用于安全无损检测。第二，许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。例如许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性，这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强的THz波能以很小衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。因此可用于探测多种低浓度极化气体，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。第三，太赫兹技术在环境监测、保护方面、国家安全和反恐等方面的应用优势能够弥补红外技术和微波技术存在的不足。另外太赫兹波处于微波毫米波与红外波段之间且在电子学与光子学之间的空白区域，也是目前人类科技的空白区域，具有非常广阔的发展空间。因此，积极开展THz科学技术的研究工作具有重要战略意义，而作为太赫兹应用基础的太赫兹探测器是太赫兹安防、检测的关键部件。目前，基于NMOSFET进行太赫兹探测已经被证明是非常切实可行，但由于CMOS工艺限制，太赫兹探测器中传统的片上偶极子和patch等太赫兹天线的损耗较大，导致传统的片上偶极子和patch等太赫兹天线的阻抗匹配带宽窄，大大影响太赫兹探测器的探测灵敏度。然而目前太赫兹探测器的发展趋势是高灵敏度，因此发展基于CMOS兼容工艺的低损耗、阻抗匹配带宽宽的片上太赫兹天线以实现高灵敏度的太赫兹探测是当前研究热点。本专利技术创新地将N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列引入到基于NMOSFET的太赫兹探测器中，相比于传统基于片上偶极子和patch等太赫兹天线或单个片上介质谐振太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，实现更高的片上太赫兹天线增益以及更宽的片上太赫兹天线阻抗匹配带宽。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提出一种基于N×M介质谐振天线阵列的NMOSFET太赫兹探测器和方法，旨在降低片上太赫兹天线损耗以及提高片上太赫兹天线增益和辐射效率，提高NMOSFET太赫兹探测器的探测灵敏度。为实现上述目的，本专利技术提出的基于N×M介质谐振天线阵列的NMOSFET太赫兹探测器，包括N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列，所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列与匹配网络相连，所述匹配网络与NMOSFET的源极相连，所述NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述第一偏置电阻与所述栅极之间相连有第三传输线，所述NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，所述第一隔直电容与所述低噪声前置放大器之间还相连有第二偏置电阻以及第二偏置电压，所述低噪声前置放大器还设有电压反馈回路。优选地，所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列为N×M个片上H形缝隙结构组成的阵列结构，每个所述片上H形缝隙结构表面通过绝缘胶层相连有矩形介质谐振块，每个所述片上H形缝隙结构向外延伸的连接缝隙依次与相邻的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙相连并形成不重叠的功分网络环，功分网络环设有两段相互平行的天线与外部相连。优选地，N和M为正整数。优选地，所述M为偶数时，最上部的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙的连接端和最下部的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙的连接端存在180°相位之差。优选地，所述片上H形缝隙结构形成于集成工艺顶层金属表面且位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔内。优选地，，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行设置的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和所述右垂直缝隙相对的一侧分别与呈倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙相连，所述左侧缝隙的水平部分连接在所述左垂直缝隙中部，所述右侧缝隙的水平部分连接在所述右垂直缝隙中部，所述左侧缝隙和所述右侧缝隙中的竖直部分相互平行并构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。优选地，所述匹配网络包括两端分别与所述片上介质谐振太赫兹天线以及所述源极相连的第一传输线，所述第一传输线的中部与第二传输线一端相连，所述第二传输线的另一端接地。优选地，所述电压反馈回路包括与所述低噪声前置放大器两端相连的第一电阻，所述第一电阻与所述低噪声前置放大器负极相连的左端部还依次相连第二电阻、第二隔直电容以及接地，所述第一电阻右端还依次相连第三隔直电容以及接地。本专利技术还提出一种关于所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列的设计方法，包括以下步骤：S1：谐振模式为在TEm,δ,n模式下，通过求解超越方程以计算所述矩形介质谐振块的三维尺寸，所述超越方程为：式中的c为光速，fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率；S2：片上激励结构设计过程中选用顶层金属Metal6设计该缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属底板，将中间金属层及金属过孔堆叠形成金属屏蔽腔围于所述H形缝隙结构周围；S3：选用合适的所述绝缘胶层将矩形介质谐振块和所述片上H形缝隙结构结合；S4：采用顶层金属Metal6和底层金属Metal1构成的GCPW传输线结构设计功分网络，再借助HFSS软件优化参数以满足GCPW功分网络的阻抗匹配及端口相位要求；S5：将GCPW功分网络与N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列进行联合仿真优化。优选地，所述S1中矩形介质谐振块谐振模式选用高阶谐振模式TE1,δ,3模，通过数学软件Matlab编程求解所述超越方程，得到300GHz频率处矩形介质谐振块的三维尺寸分别为WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm；所述S2中，所述H形缝隙结构各尺寸为l1＝70μm,l2＝220μm,ws＝9.5μm,w1＝15μm,w2＝10μm,w3＝10μm；所述步骤S3的所述绝缘胶层选用相对介电常数为2.4且厚度为10μm的热稳定性绝缘胶。本专利技术技术方案相对现有技术具有以下优点：本专利技术技术方案通过将具有低损耗特性的高阶模式TE1,δ,3模的矩形介质谐振块与片上缝隙馈电结构相结合，设计形成N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列，并通过GCPW功分网络对阻抗匹配的优化和振源天线在空间电磁场的叠加，可有效克服片上太赫兹天线设计时存在的片上太赫兹天线增益低和片上太赫兹天线阻抗匹配带宽窄的技术问题，相比于传统基于片上偶极子和patch等太赫兹天线或单个片上介质谐振太赫兹天线的NMOSFET太赫兹探测器，实现了更高的片上太赫兹天线增益和更宽的片上太赫兹天线阻抗匹配带宽，提高了NMOSFET太赫兹探测器的探测灵敏度。本专利技术技术方案的NMOSFET太赫兹探测器的输出电压信号为直流电压信号，该直流电压信号的大小与太赫兹信号的辐射强度成正比，根据太赫兹探测器输出电压信号的大小可以得到入射太赫兹信号的强度信息，从而实现太赫兹探测，有效解决现有太赫兹探测器中存在的片上太赫兹天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器，其特征在于，包括N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列，所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列与匹配网络相连，所述匹配网络与NMOSFET的源极相连，所述NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述第一偏置电阻与所述栅极之间相连有第三传输线，所述NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，所述第一隔直电容与所述低噪声前置放大器之间还相连有第二偏置电阻以及第二偏置电压，所述低噪声前置放大器还设有电压反馈回路。

【技术特征摘要】
1.基于N×M介质谐振天线阵列的太赫兹探测器，其特征在于，包括N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列，所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列与匹配网络相连，所述匹配网络与NMOSFET的源极相连，所述NMOSFET的栅极依次与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述第一偏置电阻与所述栅极之间相连有第三传输线，所述NMOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容的另一端与低噪声前置放大器相连，所述第一隔直电容与所述低噪声前置放大器之间还相连有第二偏置电阻以及第二偏置电压，所述低噪声前置放大器还设有电压反馈回路。2.如权利要求1所述的太赫兹探测器，其特征在于，所述N×M片上介质谐振太赫兹天线阵列为N×M个片上H形缝隙结构组成的阵列结构，每个所述片上H形缝隙结构表面通过绝缘胶层相连有矩形介质谐振块，每个所述片上H形缝隙结构向外延伸的连接缝隙依次与相邻的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙相连并形成不重叠的功分网络环，功分网络环设有两段相互平行的天线与外部相连。3.如权利要求2所述的太赫兹探测器，其特征在于，N和M为正整数。4.如权利要求3所述的太赫兹探测器，其特征在于，所述N和所述M同为偶数时，最上部的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙的连接端和最下部的所述片上H形缝隙结构的连接缝隙的连接端存在180°相位之差。5.如权利要求4所述的太赫兹探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构形成于集成工艺顶层金属表面且位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔内。6.如权利要求5所述的太赫兹探测器，其特征在于，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行设置的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和所述右垂直缝隙相对的一侧分别与呈倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙相连，所述左侧缝隙的水平部分连接在所述左垂直缝隙中部，所述右侧缝隙的水平部分连接在所述右垂直缝隙中部，所述左侧缝隙和所述右侧缝隙中的竖直部分相互平行并构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：马建国，周绍华，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44