[发明专利]一种微带线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波调制器

说明书

技术领域

本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种微带线加载HEMT(高电子迁移率晶体管)嵌套结构的太赫兹波调制器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡区域，是电磁波谱中唯一尚处于开发的频段资源。它介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光区域之间，具有独特的电磁特性；太赫兹波在多个领域具有极重要的应用，是下一代信息产业的科学技术重要基础之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。由于太赫兹所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值，使得全世界各国都给予极大的关注。

如何调控太赫兹波，对太赫兹波的幅度和相位进行高速、高效的调制一直以来都是太赫兹领域的公认国际性难题，自2004年以来也一直是太赫兹领域的研究热点。太赫兹调制器对于太赫兹无线通信系统、太赫兹成像系统以及太赫兹波谱系统等具有重要应用价值的太赫兹系统的研发具有重要的价值。如何研制高速、高效的太赫兹波调制器件也成为了制约太赫兹发展的重要技术瓶颈。近年来随着半导体领域HEMT的发展和人工电磁媒质的开发，太赫兹波调制器的研制具有了新的发展途径。

人工电磁媒质是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，通过在材料的关键物理尺度上的有序结构设计来突破某些自然规律的限制，从而满足设计上的要求。

近年来随着半导体材料及技术的发展，HEMT展现出了卓越的表现，并已成功运用至多种领域，HEMT的出现为太赫兹快速响应动态器件提供了新的发展思路。HEMT是一种利用存在于调制参杂异质结中的二维电子气来进行工作的新型场效应晶体管。其中GaAs基片具有高介电常数高热导率等特点，在同样的电长度GaAs电路的物理尺寸更小，适合在太赫兹高频段电路中应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过外加电压信号实现对太赫兹波动态调控的调制器，可有效地对太赫兹波进行高效、快速幅度调制。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种微带线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波调制器，包括输入波导1、微带调制部分3、输出波导5、滤波器馈电结构6；所述微带调制部分3包括波导腔体、微带线和调制单元阵列结构；所述微带线和调制单元阵列结构位于波导腔体内部；所述微带线包括输入探针2、传输段和输出探针4；所述输入探针2设置于输入波导1中；所述输出探针4设置于输出波导5中；微带线的传输段连接所述调制单元阵列结构；所述调制单元阵列结构中每个调制单元包括人工电磁媒质与HEMT；所述人工电磁媒质包括栅极连接线8和金属开口谐振环9；所述HEMT包括栅极连接线8、源极10、漏极11和调制掺杂异质结构12；所述源极10和漏极11分别与金属开口谐振环9的开口处的金属条相连接；所述栅极连接线8置于金属开口谐振环9开口处的中心位置并与微带线的中央馈线连接；所述滤波器馈电结构6连接输入探针2；通过外接滤波器馈电结构6的调制电压控制HEMT的通断。

所述调制单元阵列结构包含六个调制单元，其中三个调制单元等距位于金属传输线7的一侧，另外三个调制单元呈镜像结构位于金属传输线7的另一侧。

所述微带传输线基板为碳化硅或砷化镓等。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用的微带线结构相较于其他传输线结构具有结构简单、便于设计、易于集成，加工方便的优点；

(2)本发明采用的微带传输线结构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；

(3)本发明所设计的谐振结构与普通的开口环谐振器不同，是在金属开口谐振环开口处嵌套HEMT晶体管的单元结构，由此可高效的对人工电磁媒质结构单元中的谐振模式进行切换，可实现器件谐振频率的动态控制和谐振强度的动态控制，从而高效的对传输的太赫兹波进行调制，可实现宽频、高调制深度的调制，这对太赫兹波段宽频带调制技术的发展具有重要价值；

(4)本发明中调制单元结构在微带传输线中可只放置少数几个甚至一个就可实现对太赫兹波的调制，结构的寄生电容极小，因此其电路时间常数极小，根据单个HEMT器件的响应速率估算该调制速率可达到10GHz以上，调制速率大幅提升；

(5)本发明中微带传输线加载人工电磁媒质单元结构与HEMT嵌套可实现偶极振荡和等效LC电路谐振模式的耦合和转换，可产生强烈的谐振效果，从而可以大幅提升该调制器件的调制效率，可实现大于99.5％的调制深度；