[发明专利]一种基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置

说明书

技术领域

本发明涉及信息领域的太赫兹技术，特别是基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置。

背景技术

目前THz辐射几大主要实现技术包括：量子级联激光器、固态光子学以及固态电子技术等。

传统的量子级联激光器技术具有体积小、能耗低等特点（D. J. Paul, et al, “In search of a Si/SiGe THz quantum cascade laser”, Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, 2004. Digest of Papers. 2004 Topical Meeting on. IEEE, 2004:143 - 146. 参考文献1），但此技术的缺点是对半导体量子阱材料生长的质量要求很高，结构复杂。

固态光子学是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体（S. Li, H. Y. Sin, et al, “Thermal image and analysis of a 28.3 THz  0.18μm  CMOS detector ”, Microwave Conference (EuMC), 2010:1389-1392. 参考文献2），通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹脉冲辐射，此类THz源需要昂贵精密的超短脉冲光源设备，阻碍了技术应用。

利用固态电子技术实现THz辐射，传统的方法通常是利用频率较低的微波毫米波作输入，采用倍频技术实现窄带THz辐射（John Ward, Erich Schlecht, Goutam Chattopadhyay, etc. “Capability of THz sources based multiplier on Schottky diode frequency chains”,2004 IEEE MTT-S Digest,2004:1587-1590.参考文献3）。这种技术的缺点是集成度低，工艺复杂，导致成本上升。

以上几种传统技术，未能有效解决太赫兹技术针对成像、医疗等中低端市场应用的低成本、小体积、高集成度等关键问题。如何能在目前超大规模集成电路的工艺条件和技术思想基础上，实现超高频率的信号源特别是在太赫兹频段的电脉冲信号源，成为微电子技术领域的一大难题。

本发明是基于固态电子技术，采用主流的硅半导体工艺或其他化合物半导体工艺实现陡边沿数字信号产生电路，将基带或仪器输入的宽边沿数字信号处理为陡边沿数字信号，再通过片上/片外传输线或波导将此信号耦合到片上/片外微分器，产生THz电脉冲。其中，微分器可以是利用半导体工艺或MEMS工艺或陶瓷工艺实现的THz辐射天线，也可以是半导体工艺实现的微分电路。

本发明与传统的通信集成系统相兼容，突破了太赫兹通信研究的瓶颈。有利于推动太赫兹集成电路的小型化和实用化。

发明内容

技术问题：本发明提出一种体积小，成本低，保密性强，功耗低，并且不需要复杂集成电路工艺的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置。

技术方案：本发明的基于固态电子的太赫兹电脉冲产生装置，包括依次串联的功率分配器、陡边沿数字信号产生电路、相位调整电路、功率合成器和微分器，所述陡边沿数字信号产生电路由多级反相器级联而成，所述功率分配器的每个输出端连接一路陡边沿数字信号产生电路，每路陡边沿数字信号产生电路连接一路相位调整电路。

本发明的优选方案中，所述的功率分配器为多个，采用N级树形连接，将一路信号分为2^N路信号；所述功率合成器也为多个，采用N级树形连接，将2^N路信号合成为一路信号。

本发明的优选方案中，所述功率分配器和功率合成器均采用片上威尔金森结构或片上变压器结构。

本发明的优选方案中，所述陡边沿数字信号产生电路采用多级片上反相器级联而成。

本发明的优选方案中，相位调整电路由相位可控的移相器实现。

本发明的优选方案中，微分器采用片上微分器和片外微分器。

本发明的上述优选方案中，片上微分器采用片上天线或片上微分电路，片上天线与前级的耦合分别采用片上传输线方式耦合或片上波导方式耦合，片上微分电路与前级的耦合方式采用片上传输线方式耦合。