[发明专利]一种基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片

权利要求书

1.一种基于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，其特征在于：

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；

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；GaN多管芯二极管倍频模块包括：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；

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；

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；

太赫兹行波开关组中的每个调制单元即嵌入HEMT的枝节线，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、漏极与主微带传输线相连，二者中心位置设置于栅极线，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；

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；

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；

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，低通滤波器为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。

2.如权利要求1所述基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片，其特征在于：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。

3.如权利要求1所述基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片，其特征在于：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。

4.如权利要求1所述基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片，其特征在于：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。

5.如权利要求1所述基于片上太赫兹倍频调制多功能芯片，其工作流程如下：

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；

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。