本发明专利技术公开一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，其特征在于，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；该功率合成天线使用标准CMOS工艺，所述地平面上开有环形的地平面开槽，地平面开槽将地平面分割成地平面A和圆形的地平面B，圆形的地平面B位于环形的地平面开槽的中心；所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A、耦合线圈B、耦合线圈C和耦合线圈D；所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A和环B；该太赫兹片上嵌入变压器的功率合成天线，可以作为太赫兹源使用，有利于缩小太赫兹设备的尺寸，降低制作成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是属于太赫兹频段的天线结构设计领域，特别地，嵌入多路耦合器实现输入信号功率合成、辐射与多路差分信号耦合输出，使天线不仅具有作为太赫兹的源的功能，而且可以作为信号耦合器使用。
技术介绍
太赫兹波频率范围0.1THz～10THz，波长为3mm～30μm，介于微波与毫米波之间，处于宏观电子学向微观光子学过度阶段。早在一百多年前，就有科学工作者涉及到该频段的电磁波，但是由于有效太赫兹源和灵敏的探测器的限制，该频段的电磁波的研究结果和数据很少，被称为“太赫兹间隙”。随着技术的发展，太赫兹技术有了很大的发展，并掀起了一股太赫兹研究热潮。在2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一；在2005年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。同年11月，我国政府专门召开了“香山科技会议”，讨论了我国的太赫兹事业发展方向，并且制定了太赫兹技术发展规划。另外，许多高校、企业和实验室都对太赫兹技术的研发进行了大量的投入。太赫兹波段的信号具有以下特点：1.太赫兹频段的电磁波频率较高，具有较高的空间、时间分辨率。2.太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。3.由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此可以用作大分子物质的检测与识别。太赫兹的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测和安全检查等领域带来了深远的影响。原有的太赫兹设备大多是造价昂贵、体积庞大、灵敏度较低而且对外部的工作环境要求较高。随着晶体管技术的发展，集成化的片上太赫兹器件研发成为主要的研究方向。片上集成化的太赫兹器件不仅大大减小了太赫兹器件的尺寸，而且降低了制作成本，有利于太赫兹器件的推广，还提高了器件的灵敏度、降低了对外部工作环境的要求。传统的信号源设备通过振荡器产生低频信号，通过非线性器件进行倍频和滤波，最终产生所需要频率的信号，但是信号本身会被电路损耗大部分，而且这种损耗在集成电路中会更加严重。本专利在此背景下，使用天线和嵌入变压器将太赫兹源集成在芯片上，可以缩小尺寸、降低成本，有利于太赫兹设备的小型化、便携式发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线。可以对奇次谐波进行滤波，将偶次谐波辐射出去。辐射出来的偶次谐波耦合进入耦合器，产生四路差分信号输出，该设计可以作为太赫兹的源和耦合器使用。本专利技术将信号的发生、滤波、辐射和耦合的功能集成在一起，可以减少电路对太赫兹信号的传输损耗，有利于提高效率和准确性，同时克服原有太赫兹设备笨重、成本高等不足之处，适用于便携式太赫兹设备，有利于太赫兹设备的推广。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；该功率合成天线使用标准CMOS工艺，该工艺包含至少四层金属；地平面使用最底层金属Metal1；耦合线圈使用第二层金属Metal2；等长交叉的双环天线的结构使用最顶层金属层Metal4，受到加工工艺的限制，连接部分需要使用到第三层金属层Metal3，并且使用过孔进行连接；所述地平面上开有环形的地平面开槽7，地平面开槽7将地平面分割成地平面A6和圆形的地平面B8，圆形的地平面B8位于环形的地平面开槽7的中心；地平面A6在环绕地平面开槽7的一周，均匀分布伸入地平面开槽7内部的凸起A33、凸起B34、凸起C35和凸起D36，上述凸起用于信号注入端接地，在天线和地平面A6之间形成回路；地平面B8用于耦合线圈接地面使用；所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于进行四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A13、耦合线圈B14、耦合线圈C15和耦合线圈D16；耦合线圈按照相差物理角度90度、和伸入地平面开槽7的凸起相差45度分布在等长交叉双环天线的一周，且位于等长交叉双环天线下方；所述耦合线圈A13的接地线通过过孔A9连接地平面B8；耦合线圈B14的接地线通过过孔B10连接地平面B8；耦合线圈C15的接地线通过过孔C11连接地平面B8；耦合线圈D16的接地线通过过孔D12连接地平面B8；所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A23和环B24；环A23和环B24的主体部分位于金属层Metal4，环A23和环B24的交叉处呈180度分布，由于受到工艺的限制，该交叉处分别设有辅助连接A17和辅助连接B18，且辅助连接A17和辅助连接B18均位于金属层Metal3，其中辅助连接B18通过过孔G21和过孔H22同环A23的主体部分相连；辅助连接A17通过过孔E19和过孔F20同环B24的主体部分相连；环A和环B的周长相等，为基波信号的波长。进一步，所述凸起A33上设有信号注入正极性端A25、信号注入负极性端A29，且信号注入正极性端A25接环A23，用于注入相位为270度的基波信号；信号注入负极性端A29接环B24，用于注入信号为90度的基波信号，信号注入正极性端A25和信号注入负极性端A29形成一对差分信号注入端口；所述凸起B34上设有信号注入正极性端B26、信号注入负极性端B30，且信号注入正极性端B26接环A23，用于注入相位为0度的基波信号；信号注入负极性端B30接环B24，用于注入信号为180度的基波信号，信号注入正极性端B26和信号注入负极性端B30形成一对差分信号注入端口；所述凸起C35上设有信号注入正极性端C27、信号注入负极性端C31，且信号注入正极性端C27接环A23，用于注入相位为90度的基波信号；信号注入负极性端C31接环B24，用于注入信号为270度的基波信号，信号注入正极性端C27和信号注入负极性端C31形成一对差分信号注入端口；所述凸起D36上设有信号注入正极性端D28、信号注入负极性端D32，且信号注入正极性端D28接环A23，用于注入相位为180度的基波信号；信号注入负极性端D32接环B24，用于注入信号为0度的基波信号，信号注入正极性端D28和信号注入负极性端D32形成一对差分信号注入端口。进一步，所述耦合线圈A13、耦合线圈B14、耦合线圈C15和耦合线圈D16的长度均为二次谐波波长的二分之一。进一步，所述过孔A9、过孔B10、过孔C11和过孔D12的高度相等，且高度由过孔连接的金属层Metal1和Metal2之间的距离决定，材料为铜；所述过孔E19、过孔F20、过孔G21和过孔H22的高度相等，且高度由过孔连接的辅助连接A17、辅助连接B18到环A23、环B24之间的距离决定，材料为铜。进一步，所述用于连接耦合线圈A13的接地线和地平面B8的过孔A9的直径为耦合线圈A13的接地线的宽度；所述用于连接耦合线圈B14的接地线和地平面B8的过孔B10的直径为耦合线圈B14的接地线的宽度；所述用于连接耦合线圈C15的接地线和地平面B8的过孔C11的直径为耦合线圈C15的接地线的宽度；所述用于连接耦合线圈D16的接地线和地平面B8的过孔D12的直径为耦合线圈D16的接地线的宽度；所述用于连接辅助连接A17和环B24的过孔E19、过孔F20的直径为环B24的宽度；所述用于连接辅助连接B18和环A23的过孔G21、过孔H22的直径为环A23的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，其特征在于，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；该功率合成天线使用标准CMOS工艺，该工艺包含至少四层金属；地平面使用最底层金属Metal1；耦合线圈使用第二层金属Metal2；等长交叉的双环天线的结构使用最顶层金属层Metal4，受到加工工艺的限制，连接部分需要使用到第三层金属层Metal3，并且使用过孔进行连接；所述地平面上开有环形的地平面开槽(7)，地平面开槽(7)将地平面分割成地平面A(6)和圆形的地平面B(8)，圆形的地平面B(8)位于环形的地平面开槽(7)的中心；地平面A(6)在环绕地平面开槽(7)的一周，均匀分布伸入地平面开槽(7)内部的凸起A(33)、凸起B(34)、凸起C(35)和凸起D(36)，上述凸起用于信号注入端接地，在天线和地平面A(6)之间形成回路；地平面B(8)用于耦合线圈接地面使用；所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于进行四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A(13)、耦合线圈B(14)、耦合线圈C(15)和耦合线圈D(16)；耦合线圈按照相差物理角度90度、和伸入地平面开槽(7)的凸起相差45度分布在等长交叉双环天线的一周，且位于等长交叉双环天线下方；所述耦合线圈A(13)的接地线通过过孔A(9)连接地平面B(8)；耦合线圈B(14)的接地线通过过孔B(10)连接地平面B(8)；耦合线圈C(15)的接地线通过过孔C(11)连接地平面B(8)；耦合线圈D(16)的接地线通过过孔D(12)连接地平面B(8)；所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A(23)和环B(24)；环A(23)和环B(24)的主体部分位于金属层Metal4，环A(23)和环B(24)的交叉处呈180度分布，由于受到工艺的限制，该交叉处分别设有辅助连接A(17)和辅助连接B(18)，且辅助连接A(17)和辅助连接B(18)均位于金属层Metal3，其中辅助连接B(18)通过过孔G(21)和过孔H(22)同环A(23)的主体部分相连；辅助连接A(17)通过过孔E(19)和过孔F(20)同环B(24)的主体部分相连；环A和环B的周长相等，为基波信号的波长。...
【技术特征摘要】
1.一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，其特征在于，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；该功率合成天线使用标准CMOS工艺，该工艺包含至少四层金属；地平面使用最底层金属Metal1；耦合线圈使用第二层金属Metal2；等长交叉的双环天线的结构使用最顶层金属层Metal4，受到加工工艺的限制，连接部分需要使用到第三层金属层Metal3，并且使用过孔进行连接；所述地平面上开有环形的地平面开槽(7)，地平面开槽(7)将地平面分割成地平面A(6)和圆形的地平面B(8)，圆形的地平面B(8)位于环形的地平面开槽(7)的中心；地平面A(6)在环绕地平面开槽(7)的一周，均匀分布伸入地平面开槽(7)内部的凸起A(33)、凸起B(34)、凸起C(35)和凸起D(36)，上述凸起用于信号注入端接地，在天线和地平面A(6)之间形成回路；地平面B(8)用于耦合线圈接地面使用；所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于进行四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A(13)、耦合线圈B(14)、耦合线圈C(15)和耦合线圈D(16)；耦合线圈按照相差物理角度90度、和伸入地平面开槽(7)的凸起相差45度分布在等长交叉双环天线的一周，且位于等长交叉双环天线下方；所述耦合线圈A(13)的接地线通过过孔A(9)连接地平面B(8)；耦合线圈B(14)的接地线通过过孔B(10)连接地平面B(8)；耦合线圈C(15)的接地线通过过孔C(11)连接地平面B(8)；耦合线圈D(16)的接地线通过过孔D(12)连接地平面B(8)；所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A(23)和环B(24)；环A(23)和环B(24)的主体部分位于金属层Metal4，环A(23)和环B(24)的交叉处呈180度分布，由于受到工艺的限制，该交叉处分别设有辅助连接A(17)和辅助连接B(18)，且辅助连接A(17)和辅助连接B(18)均位于金属层Metal3，其中辅助连接B(18)通过过孔G(21)和过孔H(22)同环A(23)的主体部分相连；辅助连接A(17)通过过孔E(19)和过孔F(20)同环B(24)的主体部分相连；环A和环B的周长相等，为基波信号的波长。2.根据权利要求1所述的太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，其特征在于，所述凸起A(33)上设有信号注入正极性端A(25)、信号注入负极性端A(29)，且信号注入正极性端A(25)接环A(23)，用于注入相位为270度的基波信号；信号注入负极性端A(29)接环B(24)，用于注入信号为90度的基波信号，信号注入正极性端A(25)和信号注入负极性端A(29)形成一对差分信号注入端口；所述凸起B(34)上设有信号注入正极性端B(26)、信号注入负极性端B(30)，且信号注入正极性端B(26)接环A(23)，用于注入相位...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐雷钧，仝福成，白雪，管佳宁，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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