技术领域
[0001] 本
发明属于太赫兹波集成多功能器件、电磁通信领域，涉及一种基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片。
背景技术
[0002] 太赫兹波(Terahertz)是指频段介于0.1～10THz，
波长介于0.03mm～3mm范围内的
电磁波，它既是
电子学向光学区域的过渡，更是宏观向微观理论的过渡，这说明电子或光学的理论方法都可以尝试运用。太赫兹特殊的频段使其拥有许多特点：如信息容量高、
分辨率高、空间和时间相干性好以及
光谱的特征吸收等。这些独特性必然使得太赫兹波具备重大的研究价值，在无线通信、天文、雷达遥感探测、安全检测和国防军务等诸多领域都拥有巨大的应用前景。
[0003] 太赫兹通信作为太赫兹领域最重要的应用方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹通信系统与
微波通信、光纤通信、光无线通信相比，可提供更大的带宽、更高的传输速度,此外，天线的尺寸将会显著减小,适合于卫星间通信；THz可提供多路数据传输，其作用范围大于视距红外传输；相对于无线光通信，无线光通信的损耗来源于
云雨、尘埃等的散射和吸收,
频率越高，散射越强，而相比于光波，THz的粒子散射要小得多,因此THz通信可用作光通信链路的备用系统，在浓烟，沙尘环境下依然保持近距离宽带通信。太赫兹无线通信技术直受到西方大国的高度重视，例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等。
[0004] 太赫兹
倍频器件是太赫兹通信技术中的重要组成部分，特别是随着
半导体工艺日益成熟，太赫兹频率转换器件更是得到迅猛发展。由于在太赫兹频段，稳定
本振源的设计和研究很困难，因此利用频率转换
电路将低频功率源应用到太赫兹频段具有很大的实际意义。
[0005] 固态半导体器件有着不可比拟的优势，例如便于集成、重量轻、成本低、寿命长、
稳定性高等，使得通过固态半导体器件制作太赫兹
信号源的方式已经成为当今前沿热
门的研究课题。而采用基于GaAs肖特基
二极管的倍频器件承受的功率容量有限，无法满足高功率太赫兹波输出。直到上世纪九十年代以后，得益于
缓冲层技术的发展和掺杂技术的突破，GaN迎来了迅猛的发展势头。GaN材料具有宽的带隙能、高的热传导率、稳定的化学性能和强的抗辐照能
力等特性，目前已在
光电子、蓝光
激光器以及高温大功率微波器件领域得到了广泛的应用。其中在高频电子领域，GaN材料已广泛应用于功放、低噪放等大功率器件的制造中，基于GaN材料制造的W波段功放输出功率已达到瓦级。也正因为这些特性和应用，GaN材料与SiC、金刚石等被誉为第三代半导体材料。
[0006] 太赫兹动态功能器件作为太赫兹通信系统中最为关键的另一核心技术，特别是太赫兹外部
调制器如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。目前国际上均采用准光的方式对太赫兹外部调制器进行研究，但这种方式插损大、单元结构多、调制速率难以提高。因此目前为止，都未能实现对在空间中传播的太赫兹波的快速调制。高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是一种利用存在于调制掺杂
异质结中的二维电子气(2-DEG)来进行工作的新型
场效应晶体管。近年来随着半导体材料及技术的发展，高电子迁移率晶体管展现出了卓越的表现，为太赫兹快速响应动态器件提供了新的发展思路。第三代
宽禁带半导体材料GaN不仅具有宽的帯隙，而且还具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及
热稳定性好等特点。微带作为微波电路中的重要传输线，广泛应用于单片微波毫米波集成电路(MMIC)，基于微带-HEMT枝节线型行波
开关用于太赫兹调制器可实现对太赫兹波的高效调制、另外该器件器件中包含单元数少，可减少太赫兹波功率损耗、有效控制电路时间常数实现高速调控太赫兹波。
[0007] 目前所研究的太赫兹电路器件多为单一器件，仅能实现倍频、混频或调制等单一功能，并在单一器件的
基础上进行级联或并联来实现太赫兹系统电路，因此在整体电路中需要多个基片和腔体，且需要连接
波导。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的内部传输损耗。
发明内容
[0008] 针对上述存在问题或不足，为解决现有太赫兹电路器件仅能实现单一功能以及后续不利于集成的问题，本发明提供了一种基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片，将倍频电路和调制电路一体化集成在片上，将大功率输出技术和高速率动态直接调制技术相结合，减少了腔体和介质板加工的复杂度以及腔体级联带来的内部传播损耗，实现了太赫兹波段的小型高效集成化多功能芯片。
[0009] 一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，包括输入基波波导、减高波导、GaN多管芯二极管倍频模
块、高次谐波微带过渡、调
制模块、微带输出过渡、输出波导、调制信号加载端和低通
滤波器。
[0010] 所述输入基波波导接收基波信号的馈入，
电场方向平行于输入基波波导的窄边，经波导-微带过渡，再由减高波导完成GaN多管芯二极管输入阻抗匹配后，直接加载到GaN多管芯二极管倍频模块上；所述减高波导作为GaN多管芯二极管倍频模块的输入匹配电路，将标准波导的高阻抗匹配到GaN多管芯二极管倍频模块中二极管对的嵌入阻抗，从而使基波信号顺利进入到管芯中；并且减高波导延伸至GaN多管芯二极管倍频模块中二极管对的另一侧，形成波导
短路面，基波信号在此短路面反射回输入通道，与输出端隔离开。
[0011] 所述GaN多管芯二极管倍频模块产生太赫兹波(即二次谐波)，经高次谐波微带过渡传输到调制模块，包括：GaN多管芯二极管、微带线短路面、弧形空气腔、介质
基板、二极管输出匹配微带枝节、波导短路面、悬置微带上腔体和悬置微带下腔体；GaN多管芯二极管为容性
肖特基二极管，各个管芯构成非平衡电路，通过前置的微带线短路面和输入基波波导提取所需频段。GaN多管芯二极管结构中的半绝缘衬底
支撑整个基板体，然后形成多层半导体块，再利用倒贴的方式实现GaN多管芯二极管与输入匹配电路和输出匹配电路连接。
[0012] 所述调制模块是基于微带线结合晶体管的太赫兹行波开关组，包括：基板上传输太赫兹波的主微带传输线、n个嵌入HEMT的枝节线、平面
覆盖的地线和基板上作为加载调制信号的栅极线，n≥1；主微带传输线接收倍频模块高次太赫兹波信号的馈入。
[0013] 嵌入HEMT的枝节线作为行波开关，为调制模块的核心，包括半导体衬底、设置于半导体衬底上的
异质结构外延层和设置于外延层上的枝节线单元结构。
[0014] 太赫兹行波开关组中的每个调制单元即行波开关，包括：连接HEMT的源极、漏极的枝节线、半导体掺杂异质结构和作为
馈线的栅极；其中HEMT源极与地线相连、漏极与主传输线相连，二者中心
位置设置于栅极
连接线，栅极线一端与地线相连构成回路，另一端横穿整个行波开关，与调制信号加载端相连；另外，栅极线设置于半导体掺杂异质结构的上方，相邻调制单元的栅极线公用，通过半导体掺杂异质结构连接源极和漏极短枝节，半导体掺杂异质结构设置于栅极线的下方。
[0015] 所述调制信号加载端加载调制信号到调制模块的栅极线上，控制HEMT二维电子气浓度，当HEMT导通的时候等效为小
电阻，整体调制模块阻抗匹配，而其断开等效为大电阻，整体呈不匹配态，从而改变太赫兹波的传输特性。
[0016] 所述微带输出过渡与调制模块之后的主微带传输线相接，使其经调制信号加载端调制后的太赫兹波信号经主微带传输线从输出波导输出。
[0017] 所述
低通滤波器与主微带传输线相接，作为GaN多管芯二极管的直流馈电端，低通滤波器优选工字型以减小基片长度，放置于基片末端以利于器件小型化。
[0018] 进一步的，所述GaN多管芯二极管倍频模块的GaN多管芯二极管放置在减高波导宽边的中心处。
[0019] 进一步的，所述减高波导的宽度W1与悬置微带上腔体的宽度一样，然后通过优化减高波导的长度L1使其与GaN多管芯二极管的基波阻抗匹配。
[0020] 进一步的，所述GaN多管芯二极管对处于馈入基波信号的反射
驻波波节处，以最大程度地回收反射面反射的基波信号。
[0021] 上述片上太赫兹倍频调制多功能芯片的工作流程如下：
[0022] 基波信号馈入到输入基波波导经波导-微带过渡，再由减高波导完成GaN多管芯二极管输入阻抗匹配后，直接加载到GaN多管芯二极管倍频模块上，通过低通滤波器给二极管直流馈电，所产生的高次谐波由微带模式传输，GaN多管芯二极管倍频模块产生的高次太赫兹波经高次谐波微带过渡微带过渡传输到枝节线嵌套HEMT的调制模块，再由调制信号加载端加载调制信号到栅极线上控制HEMT二维电子气浓度，当HEMT导通的时候等效为小电阻，整体调制模块阻抗匹配，而其断开等效为大电阻，整体呈不匹配态，从而改变太赫兹波的传输特性。
[0023] 所述基波信号进入GaN多管芯二极管对后，通过非线性效应而产生TEM模式的各阶高次谐波，其中
奇次谐波互相抵消，
偶次谐波向前输出到悬置微带上，向后反射回输入端口；利用减高波导腔体内靠近GaN多管芯二极管的悬置微带构成二极管输出阻抗匹配，用于选择输出二次谐波，二次谐波经悬置微带向后继续传输；另一部分是利用模式隔离形成的短路面，将偶次谐波反射回二极管对上。
[0024] 进一步地，本发明考虑到HEMT导通时候电阻尽可能小，优选方案HEMT源漏间距设计为1.5～3um，源漏极长度为20～30um。
[0025] 进一步地，所述波导腔体壁的金属材料为无
氧铜、
黄铜或
铝。
[0026] 进一步地，所述欧姆
接触电极材料为Ti、Al、Ni或Au。半导体衬底选择蓝
宝石、
石英、
碳化
硅等对于太赫兹波插损小的材料介质。枝节线结构采用Al、Ag、Au等高电导率金属材料。
[0027] 进一步地，所述掺杂异质结结构的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，其中斜线表示两种材料的结合。
[0028] 采用单片集成的方式，将倍频电路和调制电路集成在一个介质板上，保证二极管馈电和加载调制信号独立互不干扰，实现整个链路的小型化，减少级联等因素带来的插入损耗，太赫兹多功能芯片在未来太赫兹无线通信、太赫兹波谱技术等领域具有非常大的优势。
[0029] 本发明的优势在于：
[0030] (1)、在一个基片上设计加工倍频调制多功能集成器件，可极大降低太赫兹发射机的成本及复杂度。
[0031] (2)、相比现有单器件连接组成的电路，太赫兹多功能集成器件在电路实现上加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少。
[0032] (3)、太赫兹多功能集成器件内部不必要的传输损耗更少，可降低所需的基波信号功率，使器件更容易设计。
[0033] (4)、太赫兹多功能集成器件倍频模块采用氮化镓倍频二极管，极大地提高基波输入功率容量，即使在倍频效率有限的情况下也能输出高功率太赫兹波。
[0034] (5)、太赫兹多功能集成器件调制模块采用嵌套HEMT行波开关阵列，设计简单、可有效降低太赫兹波的损耗,实现太赫兹波在高速调制的同时插损低。
[0035] (6)、太赫兹多功能集成器件调制模块中，调制信号与主线传输的太赫兹载波相互独立，与传统的主线上加载调制信号的调制器相比，避免了调制信号与载波之间的相互干扰，有效地提高信号的传输速率。
附图说明
[0036] 图1为片上太赫兹倍频调制多功能芯片的整体设计方案示意图。
[0037] 图2为片上太赫兹倍频调制多功能芯片的倍频模块3立体示意图。
[0038] 图3为片上太赫兹倍频调制多功能芯片的GaN四管芯二极管平面示意图。
[0039] 图4为片上太赫兹倍频调制多功能芯片的调制模块5立体示意图。
[0040] 图5为倍频模块3输入匹配透射谱图。
[0041] 图6为倍频模块3输出匹配透射谱图。
[0042] 图7为倍频模块3整体电路仿真示意图。
[0043] 图8为调制模块5整体电路仿真示意图。
[0044] 图9为调制模块5外加正向
电压(导通状态)下的透射谱图。
[0045] 图10为调制模块5外加负向电压(断开状态)下的透射谱图。
[0046] 附图标记：
[0047] 1-输入基波波导，2-减高波导，3-倍频模块，4-高次谐波微带过渡，5-调制模块，6-微带输出过渡，7-输出波导，8-调制信号加载端，9-二极管直流馈电端；
[0048] 3.1-GaN四管芯二极管，3.2-微带线短路面，3.3-导电胶，3.4-弧形空气腔，3.5-介质基板，3.6-二极管输出匹配微带枝节，3.7-波导短路面，3.8-悬置微带上腔体，3.9-悬置微带下腔体；
[0049] 3.1.1-空气桥焊盘，3.1.2-SiC衬底，3.1.3-金属
阳极空气桥，3.1.4-多层半导体块，3.1.5-阳极结；
[0050] 5.1-主微带传输线，5.2-HEMT源极，5.3-HEMT漏极，5.4-半导体掺杂异质结构，5.5-枝节线，5.6-栅极线，5.7-接地线。
具体实施方式
[0051] 实施方式的示例在附图中给出，下面对示例中技术方案进行详细的描述，显然，附图描述的实施方式是示例性的，仅适用于解释本发明，而不作为对本发明的限制。
[0052] 本发明提出了基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，将太赫兹波导-微带传输系统与GaN肖特基二极管，高电子迁移率晶体管HEMT行波开关相结合而实现的，倍频调制两模块一体化集成在片上，GaN肖特基二极管能够承受瓦量级的功率输入，极大地提高功率输出，嵌套HEMT行波开关阵列设计简单、可有效降低太赫兹波的损耗,实现太赫兹波的高速调制，本发明亮点在于将大功率输出技术和高速率动态直接调制技术相结合，实现了太赫兹波段小型化、集成化多功能器件。
[0053] 本发明主要包括输入基波波导(1)、减高波导(2)、倍频模块(3)、高次谐波微带过渡(4)、调制模块(5)、微带输出过渡(6)、输出波导(7)、调制信号加载端(8)、二极管直流馈电端(9)。其中，倍频模块(3)包括GaN四管芯二极管(3.1)、微带线短路面(3.2)、导电胶(3.3)、弧形空气腔(3.4)、介质基板(3.5)、二极管输出匹配微带枝节(3.6)、波导短路面(3.7)、悬置微带上腔体(3.8)、悬置微带下腔体(3.9)；GaN四管芯二极管(3.1)包括空气桥焊盘(3.1.1)、SiC衬底(3.1.2)、金属阳极空气桥(3.1.3)、多层半导体块(3.1.4)、阳极结(3.1.5)；调制模块(5)包括主微带传输线(5.1)、HEMT源极(5.2)、HEMT漏极(5.3)、半导体掺杂异质结构(5.4)、枝节线(5.5)、栅极线(5.6)、接地线(5.7)。
[0054] 基波信号由标准波导WR-8(
频率范围90-140GHz)输入后，直接加载到多个GaN二极管管芯上，通过GaN多管芯二极管的非线性效应所产生的各次谐波由微带模式传输。输入匹配电路，该结构由常见的波导-微带探针过度改进而成。GaN多管芯二极管放置在波导宽边的中心处，因为此处的电场强度最大。GaN多管芯二极管的阳极都通过导电胶粘贴在微带线上，
阴极粘贴在腔体上留出的凹槽中。基波信号为TE10模式，电场方向平行于波导的窄边，此时，GaN多管芯二极管对呈反向
串联形式连接。通过优化减高波导2的长度L1和宽度W1，使标准波导的高阻抗匹配到二极管对的嵌入阻抗，从而使基波信号顺利进入到管芯中。
[0055] 显然，存在多种W1和L1的组合方式都能使得减高波导两端阻抗得以匹配，本
实施例出于电路简单的设计原则，该二倍频的减高波导的宽度W1与悬置微带的腔体宽度一样，然后通过优化L1使阻抗匹配。减高波导延伸至二极管对的另一侧，形成短路面，基波信号在此反射回输入通道，与输出端隔离开。通过优化其长度L2，使二极管对处于反射驻波的波节处，以最大程度地回收反射面反射的基波信号。
[0056] 输出阻抗匹配主要包括两个部分，一部分是利用腔体内靠近二极管的悬带线构成输出阻抗匹配，用于选择输出二次谐波；另一部分是利用模式隔离形成的短路面，将二次谐波反射回二极管对上。因此合理的设计匹配悬置微带的尺寸，距离二极管的距离，以提高二次谐波输出效率。
[0057] 所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，由太赫兹波导-微带传输系统与GaN肖特基二极管倍频，高电子迁移率晶体管HEMT行波开关相结合而实现的，倍频调制两模块一体化集成在片上，通过源负载阻抗牵引提取二极管的输入输出阻抗，设计合理的二极管匹配电路，获得高功率的输出的太赫兹波，再经枝节线嵌套HEMT的行波开关，改变太赫兹波的传输特性，实现对太赫兹波的幅度调制。所述的整体结构如图1所示，从左到右方向上，依次是输入基波波导1、作为二极管输入匹配电路的减高波导2、GaN四管芯二极管倍频模块3、高次谐波输出微带过渡4、枝节线嵌套HEMT的调制模块5、衔接主微带传输线与低通滤波器的输出微带过渡6、输出太赫兹波(二次谐波)的输出波导7、作为调制模块的调制信号加载端8、作为二极管馈电的工字型低通滤波器9。基波信号馈入到输入基波波导1经波导-微带过渡，再由减高波导2完成输入阻抗匹配后，直接加载到GaN四管芯二极管倍频模块3上，通过工字型低通滤波器9给二极管直流馈电，所产生的太赫兹波由微带模式传输，GaN四管芯二极管倍频模块3产生的太赫兹波经微带过渡传输到枝节线嵌套HEMT的调制模块5，再由调制信号加载端8加载调制信号到栅极线上控制HEMT二维电子气浓度，当HEMT导通的时候等效为小电阻，整体调制模块阻抗匹配，而其断开等效为大电阻，整体呈不匹配态，从而改变太赫兹波的传输特性。
[0058] 所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，GaN四管芯二极管倍频模块3具体实施方案如图2-3所示，输入阻抗匹配电路，由常见的减高波导2构成，二极管3.1放置在波导宽边的中心处，因为此处的电场强度最大。二极管的阳极都通过导电胶3.3粘贴在微带线3.5上，阴极粘贴在腔体上留出的凹槽中3.4。基波信号为TE10模式，电场方向平行于波导的窄边，此时，二极管对呈反向串联形式连接。通过优化减高波导的长度L1和宽度W1，使标准波导的高阻抗匹配到二极管对的嵌入阻抗，从而使基波信号顺利进入到管芯中。本发明优选方案二倍频的减高波导的宽度W1与悬置微带电路的腔体宽度一样，然后通过优化L1使阻抗匹配。减高波导2延伸至二极管对的另一侧，形成短路面3.7，基波信号在此反射回输入通道，与输出端隔离开。通过优化其长度L2，使二极管对处于反射驻波的波节处，可以最大程度地回收反射面反射的基波信号。基波信号进入肖特基二极管对后，通过非线性效应而产生TEM模式的各阶高次谐波，其中奇次谐波互相抵消，偶次谐波向前输出到悬置微带电路上，向后反射回输入端口。输出匹配电路利用腔体内靠近二极管的悬带线3.6构成二极管输出阻抗匹配，用于选择输出二次谐波；另一部分是利用模式隔离形成的短路面3.2，将二次谐波反射回二极管对上3.1。所述匹配悬置微带3.6的尺寸，距离二极管3.1的距离，可以尽可能提高二次谐波输出效率，太赫兹波经悬置微带(悬置微带包括上腔体3.8以及下腔体3.9)向后继续传输。
[0059] 所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，GaN四管芯二极管倍频模块3经电磁仿真
软件证明了其可行性，如图5-7所示。图5-6给出了二极管输入输出匹配的透射率谱图，结果表明在基波频段，基波能够信号顺利进入到管芯中实现输入匹配，在二次谐波频段，谐波能够有效地从输出波导馈入到二极管中，即实现输出匹配，图7给出了倍频模块3整体的ADS仿真电路。
[0060] 所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，枝节线嵌套HEMT的调制模块5具体实施方案如图4所示，太赫兹波在主线5.1上传输，所述行波开关中的每个调制单元包括：连接HEMT的源极5.2、漏极的枝节线5.3、半导体掺杂异质结构5.4和作为馈线的栅极5.6。其中HEMT源极5.2与地线5.7相连、漏极5.3与主传输线5.1相连，二者中心位置设置于栅极连接线5.6，栅极线5.6一端与地线5.7相连构成回路，另一端横穿整个行波开关，与调制信号加载端8相连。调制信号加载端8加载调制信号到栅极线上控制HEMT二维电子气浓度，当HEMT导通的时候等效为小电阻，整体调制模块阻抗匹配，而其断开等效为大电阻，整体呈不匹配态，本发明考虑到HEMT导通时候电阻尽可能小，优选方案HEMT源漏间距设计为
2um，源漏极长度尽可能长，优选为20um。所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，枝节线嵌套HEMT的调制模块5经电路仿真软件证明了其可行性，如图8-10所示。图8给出了调制模块5整体的ADS仿真电路，图9-10给出了枝节线嵌套HEMT的行波开关通断透射率谱图，结果表明HEMT导通的时候，传输系数在-4dB左右，HEMT断开的时候，20GHz带宽内传输系数小于-20dB，即调制模块5能够有效的改变太赫兹波的传输特性，实现对太赫兹波的调制。
[0061] 通过以上实施例可见，本发明所述的基于一种片上太赫兹倍频调制多功能芯片，采用单片集成的方式，将倍频电路和调制电路集成在一个介质板上，实现整个链路的小型化，并且减少级联等因素带来的插入损耗，大功率倍频技术和高速率动态直接调制技术的结合，实现了太赫兹波段小型高效的倍频调制技术效果。
