一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法技术

本发明专利技术公开了一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，交叉耦合电路与差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路产生的三次谐波差分信号由差分基片集成波导缝隙天线辐射，差分基片集成波导缝隙天线包括基于叉指结构构成的半开放式基片集成波导腔体。本发明专利技术将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路集成到一起，差分基片集成波导缝隙天线作为二者构成的振荡回路所需的电感、三次谐波辐射天线以及同时作为交叉耦合振荡电路的直流偏置，无需差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路之间的匹配电路，集成度高、成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法


[0001]本专利技术涉及振荡器和天线
，尤其涉及一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波段（THz）在电磁波谱中位于微波毫米波和远红外之间，频率范围通常为0.1~10THz。与微波毫米波相比，其传输频带宽、分辨率高；与光波段相比，太赫兹光子能量低、能量效率高、穿透性好。因其在电磁频谱中所处的位置，使其具有独特的性能，太赫兹波在生物医学、安全检查、高速通信、无损检测等领域具有巨大的应用潜力。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和检测方法，形成了电磁波谱中的“太赫兹鸿沟”。由于高损耗以及低载流子速率，对于电子器件来说，太赫兹波段频率太高；由于缺乏足够小的带隙材料，对于光子器件来说，太赫兹波段频率太低。
[0003]当前太赫兹系统笨重且昂贵，甚至还需要低温条件且结构脆弱，导致太赫兹系统可靠性差、寿命短。因此，硅基平台尤其是低成本CMOS和SiGe技术随着成本和特征尺寸不断降低越来越具有吸引力。太赫兹系统完全集成于硅基平台，能显著降低成本，具有更低的功耗，可实现室温工作。同时，硅基太赫兹系统也可与其他片上系统集成实现更复杂的功能。
[0004]产生太赫兹信号是实现太赫兹系统的第一步，尽管随着硅基制造工艺的不断进步，但是硅基工艺产生的太赫兹信号输出功率极其有限，主要原因有：（1）即使硅基器件的特征尺寸不断减小，晶体管的最大振荡频率f
max
仅仅接近300GHz，其设定了振荡器可产生基波振荡的理论限制，当工作频率超过晶体管的f
max
时，由于晶体管不存在增益，基波振荡将不会发生。（2）在先进工艺节点，薄栅氧层导致低击穿电压，导致振荡器的输出摆幅低，严重限制了基波和谐波功率。（3）硅基工艺的无源结构通常品质因素低，导致极大的能量损耗，且限制了振荡器的工作频率。（4）信号电磁耦合进入低阻硅介质增加了额外的损耗。除了有限的输出功率，太赫兹信号的产生仍存在其他的挑战，例如有限的能量效率和调频带宽等。
[0005]随着频率上升到太赫兹波段，传统的封装技术（如金丝键合）将太赫兹电路与片外天线互连，将增加系统的损耗与不确定性，严重恶化系统性能。片上天线可以直接与硅基前端太赫兹电路相连，能够消除金丝键合等封装技术引入的巨大损耗和不确定性，降低封装难度。片上天线作为发射机最后一级，通常设计为50欧姆阻抗与前端电路相连，当振荡器与片上天线直接相连时，振荡器的最优负载通常偏离50欧姆，需要设计额外匹配电路，导致发射机的输出功率降低且增大了芯片面积。因此，如何解决振荡器与片上天线的功率传输以及阻抗匹配问题，获得高输出功率的太赫兹振荡器，成为太赫兹技术应用的关键问题。

技术实现思路

[0006]技术目的：针对现有技术中的缺陷，本专利技术公开了一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法，差分天线同侧馈电的特性使得基片集成波导缝隙天线能够与交叉耦合电路直接相连，结构紧凑，避免引入额外电感，实现振荡频率与天线辐射频率匹配，同
时实现三次谐波最优负载，使得交叉耦合电路产生的三次谐波输出功率最大化传输到天线中。
[0007]技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0008]一种集成差分天线的太赫兹振荡器，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，其中交叉耦合电路与差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路产生的三次谐波差分信号通过差分基片集成波导缝隙天线辐射，所述差分基片集成波导缝隙天线包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构构成的半开放式基片集成波导腔体。
[0009]优选地，所述叉指结构包括顶层金属、底层金属、若干上叉指和若干下叉指，所述所有的上叉指与顶层金属相连，所有的下叉指与底层金属相连，上叉指和下叉指呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。
[0010]优选地，所述所有的上叉指与底层金属不接触，所有的下叉指与顶层金属不接触。
[0011]优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线还包括第一馈线、第二馈线和天线缝隙，所述天线缝隙为在顶层金属开设的通槽；所述第一馈线和第二馈线构成差分馈线，并位于半开放式基片集成波导腔体的同一侧，其一端连接顶层金属上，另一端延伸至半开放式基片集成波导腔体外，用于连接交叉耦合电路。
[0012]优选地，所述第一馈线和第二馈线的外周设有馈线缝隙。
[0013]优选地，所述天线缝隙只有一个，并设置在半开放式基片集成波导腔体的中心位置。
[0014]优选地，所述第一馈线和第二馈线对称分布于天线缝隙的两侧。
[0015]优选地，所述基片集成波导缝隙天线还包括虚地端，所述虚地端设置于顶层金属上，虚地端连接直流偏置VDD；底层金属接地。
[0016]优选地，所述交叉耦合电路包括第一场效应管、第二场效应管、第一电感和第二电感，所述第一场效应管和第二场效应管的源极接地，第一场效应管的漏极通过第一电感与第二场效应管的栅极连接，第二场效应管的漏极通过第二电感与第一场效应管的栅极连接，第一场效应管和第二场效应管的漏极输出三次谐波差分信号。
[0017]一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，所述方法包括：通过控制交叉耦合电路在三次谐波等效的等效信号源阻抗与差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗共轭匹配，将交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，并集成至太赫兹振荡器中，实现场路融合。
[0018]优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过半开放式基片集成波导腔体的尺寸进行调控。
[0019]优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过第一馈线和第二馈线的长度及宽度进行调控。
[0020]优选地，所述第一馈线和第二馈线的外周设有馈线缝隙，差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过馈线缝隙的大小及位置进行调控。
[0021]有益效果：1、本专利技术将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路集成到一起，差分基片集
成波导缝隙天线作为二者构成的振荡回路所需的电感、三次谐波辐射天线以及同时作为交叉耦合电路的直流偏置，无需差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路之间的匹配电路；2、差分天线辐射三次谐波突破了硅基CMOS工艺最大振荡频率对振荡器输出频率的限制，同时差分结构有利于改善振荡器的相位噪声；3、叉指结构有利于分离电路直流偏置和直流地，同时构成半开放式基片集成波导腔体，半开放式结构不改变基片集成波导模式；4、差分天线同侧馈电的特性使得差分基片集成波导缝隙天线能够与交叉耦合电路直接相连，结构紧凑，避免引入额外电感，实现振荡频率与天线辐射频率匹配，同时实现三次谐波最优负载，使得三次谐波输出功率最大化传输到差分天线中；5、本专利技术采用标准CMOS工艺实现，具有集成度高、成本低的优点。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中太本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路（Ⅰ）和差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ），其中交叉耦合电路（Ⅰ）与差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路（Ⅰ）产生的三次谐波差分信号通过差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）辐射，所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构（3）构成的半开放式基片集成波导腔体。2.根据权利要求1所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述叉指结构（3）包括顶层金属（31）、底层金属（32）、若干上叉指（33）和若干下叉指（34），所述所有的上叉指（33）与顶层金属（31）相连，所有的下叉指（34）与底层金属（32）相连，上叉指（33）和下叉指（34）呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。3.根据权利要求2所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述所有的上叉指（33）与底层金属（32）不接触，所有的下叉指（34）与顶层金属（31）不接触。4.根据权利要求2所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）还包括第一馈线（1）、第二馈线（2）和天线缝隙（4），所述天线缝隙（4）为在顶层金属（31）开设的通槽；所述第一馈线（1）和第二馈线（2）构成差分馈线，并位于半开放式基片集成波导腔体的同一侧，其一端连接顶层金属（31）上，另一端延伸至半开放式基片集成波导腔体外，用于连接交叉耦合电路（Ⅰ）。5.根据权利要求4所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述第一馈线（1）和第二馈线（2）的外周设有馈线缝隙（11）。6.根据权利要求4所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述天线缝隙（4）只有一个，并设置在半开放式基片集成波导腔体的中心位置。7.根据权利要求6所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述第一馈线（1）和第二馈线（2）对称分布于天线缝隙（4）的两侧。8.根据权利要求2所述的一种集成差分天...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡三明，杨佳伟，董国庆，沈一竹，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：