一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管(FET)太赫茲探測器天線，屬于天線領(lǐng)域。本發(fā)明包括T型開槽的半圓形微帶貼片(Patch)天線；Si基FET，低噪聲放大器；其中半圓形微帶貼片天線用于接收THz波，同時(shí)把接收到的THz波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)給FET，F(xiàn)ET把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)給低噪聲放大器，信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器后最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)THz信號(hào)的探測。本發(fā)明在安保掃描、射電天文、生物遙感、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
【專利說明】—種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線技術(shù)和太赫茲技術(shù),特別涉及微帶貼片天線技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是指頻率在0.1THz到IOTHz范圍的電磁波，波長在0.03mm到3mm范圍內(nèi)，介于毫米波與紅外之間，即通常所認(rèn)為的電子學(xué)與光學(xué)的交界區(qū)域。但是由于THz波在空氣中較高的損耗，需要高增益的發(fā)射源和足夠靈敏的探測天線，使其無法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，制約了技術(shù)的發(fā)展，因此這一頻段是有待開發(fā)的空白頻段，也被稱為THz間隙。
[0003]由于太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、高時(shí)間和空間相干性、低能性以及獨(dú)特的傳輸特性等特點(diǎn)，使其在安全監(jiān)測、波譜分析、成像與通信、化學(xué)、生物、材料科學(xué)和藥學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。而要實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)，就必須提供高功率的太赫茲波源或太赫茲發(fā)生器，同時(shí)配備經(jīng)濟(jì)而高質(zhì)量的太赫茲探測器和成像設(shè)備(包括THz照相機(jī))。
[0004]發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)和不足:
[0005]由于太赫茲波處于遠(yuǎn)紅外波段，其熱效應(yīng)很強(qiáng)，其探測器基本上可以分為兩類:一類是利用其熱效應(yīng)制成的探測器，如熱功率計(jì)、熱電探測器等；另一類是利用其光波性質(zhì)的探測器，如光電導(dǎo)探測器和肖特基二極管等。這些探測器當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展為成像設(shè)備時(shí)往往存在著以下的問題:一是需要添加額外的工藝和設(shè)備，如小型機(jī)械等；二是熱效應(yīng)探測器其熱弛豫時(shí)間常數(shù)限制了成像過程中的視頻速率。而基于Si基場效應(yīng)晶體管(FET)反型層等離子體的太赫茲波探測器可以克服以上缺點(diǎn)，并從單個(gè)CMOS場效應(yīng)晶體管通過焦平面陣列(FPA)實(shí)現(xiàn)THz成像，具有更大的優(yōu)勢，而目前國內(nèi)對(duì)于此方面的研究還處于起步階段。對(duì)于此類THz探測器，天線是除FET外最重要的部件，這不僅因?yàn)樘炀€是接收THz輻射的最先前的一個(gè)部件，而且還具有對(duì)其它不同頻段的信號(hào)起到隔離和防干擾作用，一個(gè)好的天線可以至少使探測器的靈敏度提高I?2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此設(shè)計(jì)出高增益和高輻射效率的太赫茲探測器天線具有至關(guān)重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了實(shí)現(xiàn)以天線作為THz波接收器件，以Si基FET作為THz探測器件，并與低噪聲放大器相結(jié)合共同構(gòu)成的太赫茲探測器，本發(fā)明實(shí)施提供了一種T型開槽的半圓形貼片天線，所述技術(shù)方案如下:
[0007]集成天線的太赫茲探測器，包括:T型開槽的半圓形貼片天線，Si基FET，低噪聲放大器。
[0008]整個(gè)天線的設(shè)計(jì)基于0.1SumCMOS制造工藝，天線設(shè)計(jì)在頂層金屬上，F(xiàn)ET和低噪聲放大器設(shè)計(jì)在底層Si基上。該半圓形貼片天線上T型開槽，同時(shí)引出端口 I和端口 2 ；端口 I和端口 2分別與對(duì)應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連，同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2,以提高探測器的靈敏度；半圓形貼片天線外加偏壓VI，以激活FET工作的閾值電壓；太赫茲(THz)信號(hào)通過天線接收后，通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器；FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連，這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配；低噪聲放大器將信號(hào)放大，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)THz信號(hào)的探測；半圓形貼片天線與FET結(jié)合后可以制成焦平面陣列，實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像系統(tǒng)。
[0009]所述天線為半圓形貼片天線，其特征是在貼片表面T型開槽，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，同時(shí)通過改變T型槽的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)端口 I與端口 2的輸出阻抗為50歐，作為FET的射頻輸入端口，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
[0010]所述該半圓形貼片天線可以通過改變半圓形貼片的半徑，T型槽的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)在其它頻段工作以及相應(yīng)頻段的阻抗匹配。
[0011]所述半圓形貼片天線開槽的類型為T型槽，其可以換成L型槽和H型槽等。
[0012]所述半圓形貼片天線與FET結(jié)合后還可以制成焦平面陣列，從而實(shí)現(xiàn)分辨率更高的THz成像系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0013]為了更清楚地說明發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)附圖獲得其他的附圖。
[0014]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的半圓形貼片天線設(shè)計(jì)實(shí)例。
【具體實(shí)施方式】:
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)以天線作為THz波接收器件，以Si基FET作為THz探測器件，并與低噪聲放大器相結(jié)合共同構(gòu)成的太赫茲探測器，本發(fā)明實(shí)施提供了一種半圓形貼片天線，詳見下文描述:
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電路結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1，該半圓形貼片天線上T型開槽，同時(shí)引出端口 I和端口 2;端口 I和端口 2分別與對(duì)應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連，同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2，以提高探測器的靈敏度；太赫茲(THz)信號(hào)通過天線接收后，通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器；FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連，這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配；低噪聲放大器經(jīng)過信號(hào)放大，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)THz信號(hào)的探測。
[0019]圖2是本發(fā)明的半圓形貼片天線設(shè)計(jì)實(shí)例。參照?qǐng)D2，其包括:半圓形貼片天線，T型槽。半圓形貼片天線的幾何尺寸為:r = 66um, al = 5um, a2 = 3um, bl = 70um, b2 =3um，b3 = 64.5um，整個(gè)天線的諧振頻率為650GHz，工作帶寬50GHz，增益為4dBi，端口 I和端口 2之間的阻抗為50歐，這樣易于FET管子進(jìn)行阻抗匹配。
[0020]進(jìn)一步地，可以通過改變半圓形貼片的半徑，T型槽的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)在其它頻段工作以及相應(yīng)頻段的阻抗匹配，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不作限制。[0021]進(jìn)一步地，為了適應(yīng)工程設(shè)計(jì)要求，所述半圓形貼片天線開槽的類型為T型槽，其可以換成L型槽和H型槽等，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不作限制。
[0022]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管太赫茲探測器天線。該發(fā)明在安保掃描、射電天文、生物遙感、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
[0023]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)先實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
[0024]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CMOS制造工藝的Si基場效應(yīng)晶體管(FET)太赫茲探測器天線，該天線為開槽的半圓形貼片天線，其特征是: 該半圓形貼片天線上T型開槽，同時(shí)引出端口 I和端口 2 ;端口 I和端口 2分別與對(duì)應(yīng)的兩個(gè)FET的柵極相連，同時(shí)在兩個(gè)FET的共源極上加上偏壓V2，以提高探測器的靈敏度；半圓形貼片天線外加偏壓VI，以激活FET工作的閾值電壓；太赫茲(THz)信號(hào)通過天線接收后，通過FET將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)給低噪聲放大器；FET通過50歐姆的微帶傳輸線(TLl和TL2)與低噪聲放大器相連，這樣易于實(shí)現(xiàn)輸入輸出端口的阻抗匹配；低噪聲放大器將信號(hào)放大，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)THz信號(hào)的探測；半圓形貼片天線與FET結(jié)合后制成焦平面陣列，可以實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利I要求，所述天線為半圓形貼片天線，其特征是在貼片表面T型開槽，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，同時(shí)通過改變T型槽的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)端口 I與端口 2的輸出阻抗為50歐，作為FET的射頻輸入端口，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
3.根據(jù)權(quán)利2要求，該半圓形貼片天線可以通過改變半圓形貼片的半徑，T型槽的幾何尺寸，可以實(shí)現(xiàn)其它類型的阻抗匹配。
4.根據(jù)權(quán)利2的要求，所述半圓形貼片天線開槽的類型為T型槽，其可以換成L型槽和H型槽等。
5.根據(jù)權(quán)利I的要求，半圓形貼片天線與FET結(jié)合后制成焦平面陣列，可以實(shí)現(xiàn)靈敏度和分辨率更高的THz成像系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H01Q13/10GK103872461SQ201410105036
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】李建雄, 李運(yùn)祥, 蔣昊林, 陳曉宇, 劉崇, 袁文東 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)