阅读说明：本技术 一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计方法 (Design method of on-chip double-feed terahertz orthogonal polarization antenna ) 是由 白雪 葛星梅 徐雷钧 于 2020-07-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计方法,该天线在圆形的辐射贴片的基础上,采用曲流技术对天线进行开槽,通过改变贴片天线表面的电流路径来有效提高天线的带宽,片上贴片天线采用圆形结构连接两条相互垂直的微带线,微带线分别连接两个馈电端口,当天线从端口1和端口2同时馈电时,可以激发相位相差90°的正交信号,当天线仅从端口1馈电时,产生水平极化偏振；当天线仅从端口2馈电时,产生垂直极化偏振。所提出的天线的辐射特性显示出双极化行为和波束的切换状态。另外,将所述天线与太赫兹电路集成在同一块芯片,设计成外差混频太赫兹探测器,可以实现多频段探测并且有效提高探测器的灵敏度。(The invention discloses a design method of an on-chip dual-feed terahertz orthogonal polarization antenna, which is characterized in that on the basis of a circular radiation patch, the antenna is grooved by adopting a meander technology, the bandwidth of the antenna is effectively improved by changing a current path on the surface of the patch antenna, the on-chip patch antenna adopts a circular structure to connect two mutually perpendicular microstrip lines, the microstrip lines are respectively connected with two feed ports, when the antenna feeds power from the port 1 and the port 2 simultaneously, orthogonal signals with the phase difference of 90 degrees can be excited, and when the antenna only feeds power from the port 1, horizontal polarization is generated; when the antenna is fed only from port 2, vertical polarization is produced. The radiation characteristic of the proposed antenna shows a dual polarization behavior and a switching state of the beam. In addition, the antenna and the terahertz circuit are integrated on the same chip and designed into a heterodyne mixing terahertz detector, multi-band detection can be realized, and the sensitivity of the detector can be effectively improved.)

一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计方法

技术领域

本发明属于天线结构设计领域。特别地为一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)一般是指频率范围为0.1～10THz的电磁波，对应的波长范围为0.03～3mm，在电磁波谱中位于毫米波与红外光之间。既不能完全通过光子学理论处理，也不适合全部由电子学方法研究，因此太赫兹一度被称作“THz间隙”。电磁波谱中对比其它频率的电磁波，太赫兹波具有许多独特的响应特性，如瞬态性、无损性、高穿透性、低能量性等，使其作为探测技术的优势逐渐突显，并能实现真正意义上的无损探测。与传统光学方法形式的探测器相比，太赫兹电路与天线组合的探测器更加便捷、快速、稳定，可以实现探测器的小型化与便携化。

天线作为太赫兹探测器信号接受与发射的关键部分，其性能将直接影响信号接收与发射的质量。目前常见的太赫兹天线有喇叭天线、反射面天线、新材料天线和片上天线。但是太赫兹喇叭天线、反射面天线体积大、结构复杂、加工困难，很难与电路转接；新材料天线依赖新型材料的发展和加工工艺的创新，仍处于实验室研发阶段，也是未来太赫兹天线发展的一大潜力方向。随着CMOS技术的飞速发展，基于CMOS工艺的片上天线成为太赫兹天线设计的首选并得到广泛的应用。太赫兹天线的尺寸与频率大小成反比，当探测信号频率在太赫兹波段时，小尺寸的天线集成在CMOS芯片上，与集成电路结合在一起。片上天线可以很好的解决机械式天线转接电路困难的缺点，同时体积较小、制作简单、成本较低，易于集成化和阵列化的探测器设计。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明在此背景下，在CMOS工艺上采用0°与90°水平分量和垂直分量实现正交。圆形辐射贴片上的天线采用圆形结构连接两条相互垂直的微带线，引出的微带传输线连接NMOS管的源极，微带馈电线连接NMOS管的漏极，NMOS管的栅极连接偏置电压。通过调整NMOS管的栅极偏压，NMOS管导通，即闭合一个开关。微带线分别连接馈电端口1和馈电端口2，通过切换馈电端口来改变波束的切换状态。该天线主要应用于太赫兹探测器芯片设计中，与太赫兹电路集成在同一块芯片，设计成外差混频太赫兹探测器，在实现多频段探测的同时还有效提高探测器的灵敏度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计方法，包括以下步骤：该天线将接收到的太赫兹波分解为空间上水平与垂直极化方向上两个信号，通过双馈电切换形成太赫兹辐射源，采用0°与90°水平分量和垂直分量实现正交，在金属圆形辐射贴片内部嵌入一个八边形，采用曲流技术开一个八边形的槽，通过改变电流方向增大天线的带宽以及增益，金属圆形辐射贴片通过微带传输线连接一个NMOS管的源极，NMOS管的漏极连接微带馈电线，NMOS管的栅极连接偏置电压，通过改变NMOS管的栅极偏压实现开关的闭合和断开，从而控制金属圆形辐射贴片是否连接微带馈电线，能够得到多种不同工作频率的天线，实现多频段探测。

进一步，金属圆形辐射贴片使用CMOS工艺的金属层设计。

进一步，金属圆形辐射贴片为M10，所述的CMOS工艺至少包括十二层介质层，从上到下依次为IMD10合并层、IMD9介质层、IMD8介质层、IMD7介质层、IMD6介质层、IMD5介质层、IMD4介质层、IMD3介质层、IMD2介质层、IMD1介质层、钝化层和硅衬底层；其中，IMD10合并层位于金属圆形辐射贴片M10的上层，钝化层位于M1的下层，硅衬底层位于最底层。

进一步，IMD10合并层，厚度为5.275μm，相对介电常数为4.65；IMD9介质层，厚度为1.59μm，相对介电常数为4.48；IMD8介质层，厚度为0.74μm，相对介电常数为3.96；IMD7～IMD2介质层，厚度均为0.235μm，相对介电常数均为3.17；IMD1介质层，厚度为0.215μm，相对介电常数为3.43；钝化层，厚度为0.5225μm，相对介电常数为4.03；硅衬底层，电阻率为10Ω·cm，厚度为300μm，相对介电常数为11.9；M10金属圆形辐射贴片，金属厚度为3.5μm。

进一步，该天线由两个在空间上相互垂直的线极化天线组合构成，分别接收水平极化与垂直极化方向的电磁波，通过测量水平与垂直方向上电磁波的强度则可获得入射信号的总体极化方向。

进一步，在圆形辐射贴片的基础上，通过曲流技术开一个八边形槽，改变电流方向增大天线的带宽以及增益。

本发明具有的有益效果是：

本发明属于太赫兹频段的天线结构设计领域。特别地，在CMOS工艺上采用0°与90°水平分量和垂直分量实现正交。通过切换圆形辐射贴片上微带线与两个馈电端口的连接状态来改变波束的切换状态，从而在实现多频段探测的同时还有效提高探测器的灵敏度。

1.通过两个NMOS管作为开关控制微带传输线是否连接微带馈电线，天线可以实现多种不同的工作频率；

2.天线与电路集成在同一块芯片上设计成太赫兹探测器，实现多频段探测的功能。

3.八边形槽，使金属圆形辐射贴片表面的电流沿着所设计的开槽改变，电流路径变长，并且沿着缝隙的分布延长，天线的共振波长变大，即变相增加了天线的面积，天线的尺寸可以有效得到缩小；此外，在开槽的同时会引入容抗，可以抵消微带传输线线引入的部分感抗，能够对天线的带宽和增益带来极大的改善。两个在空间上相互垂直的线极化天线组合构成一个天线，分别接收水平极化与垂直极化方向的电磁波，通过测量水平与垂直方向上电磁波的强度则可获得入射信号的总体极化方向，可提高探测器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的工艺剖面简图；

图2为本发明的片上双馈电太赫兹正交极化天线结构图；

图3为本发明的片上双馈电太赫兹正交极化天线剖面简图。

具体实施方式

本发明为一种片上双馈电太赫兹正交极化天线设计，下面结合发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，为本发明的工艺剖面简图，从上到下一共有12层介质层，从上到下依次为IMD10合并层、IMD9介质层、IMD8介质层、IMD7介质层、IMD6介质层、IMD5介质层、IMD4介质层、IMD3介质层、IMD2介质层、IMD1介质层、钝化层和硅衬底层。作为本发明的一个具体实施例，合并层、介质层、钝化层和硅衬底层都是非金属层二氧化硅，金属层为铜。

如图2所示，为顶层辐射贴片的俯视图。将一层金属均设计成圆形贴片，在圆形辐射贴片的基础上，通过曲流技术开一个八边形槽，在圆形贴片引出两条相互垂直的微带线，微带线分别连接两个馈电端口，当天线仅从端口1馈电时，产生水平极化偏振；当天线仅从端口2馈电时，产生垂直极化偏振，当天线从端口1和端口2同时馈电时，可以激发相位相差90°的正交信号。通过切换微带线连接不同的端口，让天线的辐射特性显示出双极化行为和波束的切换状态。以此使天线可以分别接收水平极化与垂直极化方向的电磁波，通过测量水平与垂直方向上电磁波的强度则可获得入射信号的总体极化方向，来提高外差混频太赫兹探测器的灵敏度。

综上，本发明的一种片上双馈电太赫兹正交极化天线，该天线主要由一个辐射贴片和两个NMOS管Q1、Q2开关组成。在CMOS工艺上采用0°与90°水平分量和垂直分量实现正交，在圆形辐射贴片的基础上，采用曲流技术在天线上开一个八边形槽，片上贴片天线采用圆形结构连接两条相互垂直的微带线，引出的微带传输线连接NMOS管的源极，微带馈电线连接NMOS管的漏极，NMOS管的栅极连接偏置电压。通过调整NMOS管的栅极偏压Q1，NMOS管N1导通，调整NMOS管的栅极偏压Q2,NMOS管N2导通。微带线分别连接馈电端口1和馈电端口2，通过切换馈电端口来改变波束的切换状态。另外，该天线主要应用于太赫兹探测器芯片设计中，与太赫兹电路集成在同一块芯片，设计成外差混频太赫兹探测器，在实现多频段探测的同时还有效提高探测器的灵敏度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。