倒装焊结构对太赫兹对数周期天线的影响（英文）

设计了一种倒装焊结构,用于340 GHz的肖特基二极管探测器.探测单元是基于砷化镓(GaA s)工艺设计的.薄膜陶瓷支撑层旨在为太赫兹检测单元提供封装.通常,导电胶用作天线和输出电路之间的附接.分别对倒装焊结构和无倒装焊结构(类引线键合结构)模型对太赫兹接收天线性能的影响进行研究.为了比较的目的,使用相同的测试系统表征FC结构模型和无FC结构模型(引线键合结构).通过引线键合与倒装焊测试增益的结果比较,表明倒装焊结构可以作为大规模太赫兹检测阵列封装的低成本解决方案.     

宽带太赫兹偶极子光电导接收天线研究

太赫兹光电导天线广泛应用于宽带脉冲太赫兹波的检测,是太赫兹光谱和成像系统中的重要器件。偶极子光电导天线由于其结构简单、制作容易成为使用最广泛的一类太赫兹光电导接收天线。衡量太赫兹光电导探测天线的一个重要指标是其响应带宽。针对偶极子天线的探测带宽,分别对天线臂长为10、50、150 m的偶极子天线及一种作为对比的178 m的蝶形天线（Bowtie antenna）进行了实验及理论研究。结果显示其探测带宽随天线臂长增加而减小,与微波天线理论一致。进一步的,采用商用电磁场数值仿真软件进行建模仿真,仿真结果与理论及实验结果具有很好的一致性,证实数值仿真已在很大程度上模拟出实际天线的特性,从而为优化结构参数制作大宽带和高灵敏度的太赫兹天线提供支持。同时,对超半球硅衬底透镜对天线接收频谱的影响也进行了探讨。     

基于波导缝隙阵列的新型太赫兹频率扫描天线

为缩短太赫兹系统成像时间,该文提出将频率扫描天线应用于太赫兹成像系统中,并设计了一种基于波导缝隙阵列的太赫兹频率扫描天线。该文采用泰勒综合法降低副瓣电平,通过软件仿真结合功率传输法设计最优的缝隙分布。太赫兹波导缝隙阵列天线具有加工简单、成本低的优势,通过太赫兹准光测试系统对天线性能进行测试,实测天线扫描角度可达40°,增益约为15 dB,副瓣电平抑制优于–20 dB。测试结果表明太赫兹波导缝隙天线具有扫描角度大和副瓣低的优良特性,在太赫兹成像和目标探测等领域有巨大的应用价值。      

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求，设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管，探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号，该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术，并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

太赫兹功率测试研究与实现

为了给太赫兹源、太赫兹探测器等太赫兹仪器的研制和生产提供测试保障,研制了一种基于锁相放大原理的太赫兹功率测试仪器。目前,许多商用锁相放大器价格高、体积大且结构和功能比较复杂,不适合一些便携式检测系统。该仪器主要采用基于AD630的锁相放大方案来实现对微弱信号的检测。这种锁相放大器成本低、设计结构简单、灵活性强且集成度高。当标准太赫兹功率计测试到的太赫兹功率为96.8 mW和2.98 μW时,采用本文方案研制的太赫兹功率测试仪器测试到的功率分别为97.9 mW和3 μW,误差范围在±5% 以内。基于CD552-R3弱信号锁相放大方案只能提取到毫伏级信号,而本文方案则可提取到微伏级信号。因此,采用本文方案探测太赫兹功率时,量程更宽且稳定性更高。     

太赫兹高增益天线研究

针对太赫兹通信系统对高增益天线的需求,在分析太赫兹天线的各种实现形式的基础上提出采用反射面天线实现太赫兹高增益通信天线。讨论了高精度反射面的加工方案,采用超精密切削和超精密磨削2种加工方式制造高精度反射面;研究了太赫兹天线高精度组装及组装精度评估方法,设计制造了结构系统均方根误差(r.m.s)优于5μm的太赫兹高增益天线。测试结果表明,天线性能符合预期,所提出的高精度反射面加工方法和结构精度评估方法合理可行。     

InP基共振隧穿二极管太赫兹振荡器的设计与实现

利用InP基共振隧穿二极管（RTD）和加载硅透镜的片上天线设计实现了超过1 THz的振荡器。采用Silvaco软件对RTD模型进行仿真研究,分析了不同发射区掺杂浓度、势垒层厚度、隔离层厚度以及势阱层厚度等对器件直流特性的影响规律。对研制的RTD器件直流特性测试显示：峰值电流密度Jp为359.2 kA/cm²,谷值电流密度Jv为135.8 kA/cm²,峰谷电流比PVCR为2.64,理论计算得到的器件最大射频输出功率和振荡频率（fmax）分别为1.71 mW和1.49 THz。利用透镜封装的形式对采用Bow-tie片上天线和RTD设计的太赫兹振荡器进行封装,测试得到振荡频率超过1 THz,输出功率为2.57μW,直流功耗为8.33 mW,是国内首次报道超过1 THz的振荡器。     

可产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源

基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压，对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上，通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度；经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成，可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。     

基于光子晶体的太赫兹微带贴片天线的设计

本文设计了一个以二维光子晶体为基底用于太赫兹无线通信的微带贴片天线（0.4-0.6Thz）。太赫兹波介于微 波和光频之间,占有很大的带宽,随着人们对通信质量的要求越来越高,太赫兹通信将成为必然趋势。用二维光子晶 体做基底,有抑制表面波,提高天线的方向性,增益和效率等特性。文章中设计的天线的带宽,增益和方向性分别达 到了31.7%,6.7DB 和8.5DBi,为未来短距离无线通信和太赫兹空间通信提供了参考。本文选用了CST 仿真软件。     

偏振可调的太赫兹光电导天线设计北大核心

提出了一种偏振可调的太赫兹光电导天线,其结构由四个弧形金属电极、低温砷化镓衬底和氮化硅抗反射涂层构成。通过对光电导天线的工作原理分析,可以发现弧形金属电极结构决定天线的辐射偏振,且衬底的载流子迁移率、载流子寿命和衬底材料对激光的吸收直接影响天线的辐射特性。利用COMSOL软件对该光电导天线进行建模仿真,其结果表明该光电导天线可以在45°方向倍增地辐射线偏振太赫兹波,且辐射强度相较于常规光电导天线提高了30%,辐射带宽高达10 THz。所设计太赫兹光电导天线具有偏振可调、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹光谱检测领域具有广阔的应用前景。     

用于空间领域的太赫兹技术研究概况

作为电磁波中从红外光到微波的过渡区,太赫兹波所具有的独特性能已得到了人们的广泛认识。随着太赫兹辐射源、太赫兹探测器等单元技术研究的不断成熟,美国、欧洲和日本已率先将其应用于空间天文观测、深空探测和对地气象环境监测等领域。重点总结了这些应用中的技术发展情况,并简要分析了太赫兹雷达与通信技术的研究状况和应用前景。     

基于光子晶体多层膜的对称薄膜波导特性研究

研究了一种“光子晶体多层膜+波导层+光子晶体多层膜”对称薄膜波导特性,光子晶体多层膜的第一禁带频率范围为73 THz～99 THz。采用多层介质平板波导理论研究了频率在73 THz～99 THz间的电磁波在波导中的传输特性。结果表明波导传输的是TE0和TM0基模,对于高次模式,不能在波导中传输,另外,频率在73 THz～99 THz间的电磁波在波导层（中心层）的功率约束因子（Γ）在0.99～1之间,即此时电磁波几乎完全局限在波导层内传输,为了比较,处在光子带隙外的频率分别为40 THz和50 THz的电磁波在波导层内的功率约束因子（Γ）分别为0.84和0.86,因此,利用光子带隙特征,由光子晶体多层膜构造的对称薄膜波导具有超低损耗特性。     

基于65 nm标准CMOS工艺的3.0 THz 探测器

基于Dyakonov和Shur等离子体波振荡原理设计并流片制备了一种采用65 nm标准CMOS工艺的3.0THz探测器,探测器包括贴片天线、NMOS场效应晶体管、匹配网络及陷波滤波器。探测器在室温条件下可达到526 V/W的响应率(Rv)和73 pW/Hz1/2的噪声等效功率(NEP)。采用该探测器和步进电机搭建了太赫兹扫描成像系统,获得了太赫兹源出射光斑的远场形状,光斑的半高宽(FWHM)为240μm;并对聚甲醛牙签和树叶进行了扫描成像实验,结果表明CMOS太赫兹探测器在成像领域有潜在的应用前景。     

p-GaAs同质结太赫兹探测器的优化与性能

从提高p-GaAs同质结太赫兹探测器量子效率出发,在考虑温度和偏压等参数的影响后,优化了谐振腔增强的p-GaAs同质结太赫兹探测器的材料及结构参数,使探测器的量子效率提高到了17%.并计算了探测器的响应率、探测率和偏压、温度、光谱频率的关系,得到了最佳工作偏压(10~40 m V)、最佳工作温度(8 K)和最大探测率(4.1×1010cm Hz1/2/W).而通过施加一对匹配的反射镜来构造谐振腔的设计,所能获得的极限量子效率为26%,极限探测率和响应率分别为5.7×1010cm Hz1/2/W、25.9 A/W.     

HEMT太赫兹探测器的二维电子气特性分析

采用分子束外延技术(MBE)对GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气(2DEG)样品进行了制备,样品制备过程中,通过改变Al的组分含量、隔离层厚度、对比体掺杂与δ掺杂两种方式,在300 K条件下对制备的样品进行了霍尔测试,获得了室温迁移率7.205E3cm~2/Vs,载流子浓度为1.787E12/cm~3的GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气沟道结构,并采用Mathematica软件分别计算了不同沟道宽度时300 K、77 K温度下GaAs基HEMT结构的太赫兹探测响应率,为HEMT场效应管太赫兹探测器的研究和制备提供了参考依据.     

Novel detectors for traceable THz power measurements

Several novel types of detectors for the measurement of electromagnetic radiation in the THz spectral range are described. Firstly, detectors based on pyroelectric foil coated with different absorbers have been developed focusing on the following features: high accuracy due to well-characterized absorption, high sensitivity, large area absorbers and frequency and polarization independence. A three-dimensional design with five absorptions gave an overall absorption of more than 98 %. Secondly, detectors based on pyroelectric foils with thin metal layers were realized. An absorption of 50 % can be obtained if the thickness of the layers is carefully adjusted. According to electromagnetic theory this degree of absorption is independent of the polarization and frequency of the radiation in a wide range from at least 20 GHz to 5 THz. The third type of detector is based on a new type of volume absorber with a polished front surface and a gold-coated back side. It is the absorber of choice of the standard power detector for disseminating the spectral power responsivity scale. This standard detector allows the application of a physical model to calculate its spectral responsivity in the range from 1 THz to 5 THz if the detector has been calibrated at one single frequency. Finally, a THz detector calibration facility was set up and is now in operation at PTB to calibrate detectors from customers with an uncertainty as low as 1.7 %.     

基于场效应晶体管的太赫兹探测器中天线设计的一种有效方法

在场效应晶体管太赫兹探测器中,合理的天线设计可以增强晶体管和太赫兹波之间的耦合效率,从而提高太赫兹探测器的响应度.提出一种基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真来设计平面天线的方法.这种方法尤其适用于太赫兹波段晶体管输入阻抗不容易得到的情况.通过流片完成的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器的响应度测试证实了这种方法的有效性.集成碟形天线和双偶极子天线的太赫兹探测器最大响应度分别在170.7 GHz(1568.4 V/W)和124.3 GHz(1047.2 V/W)频点处测得,这个测试结果接近基于晶体管栅极边缘沟道电场的仿真结果.     

Terahertz Imaging System for Medical Applications and Related High Efficiency Terahertz Devices

A terahertz (THz) imaging system and high efficient terahertz sources and detectors for medical applications were developed. A fiber laser based compact time domain terahertz tomography system was developed with a high depth resolution of less than 20 μm. Three-dimensional images of porcine skin were obtained including some physical properties such as applied skin creams. The discrimination between healthy human tissue and tumor tissue has been achieved using reflection spectra. To improve the THz imaging system, a ridge waveguide LiNbO₃ based nonlinear terahertz generator was studied to achieve high output power. A ridge waveguide with 5-7 μm width was designed for high efficiency emission from the LiNbO₃ crystal by the electro-optic Cherenkov effect. Terahertz electronic sources and detectors were also realized for future imaging systems. As electronic source devices, resonant tunneling diode (RTD) oscillators with a patch antenna were fabricated using an InGaAs/InAlAs/AlAs triple barrier structure. On the other side, Schottky barrier diode (SBD) detectors with a log-periodic antenna were fabricated by thin-film technology on a Si substrate. Both devices operate above 1 THz at room temperature. This electronic THz device set could provide a future high performance imaging system.     

337μm连续太赫兹激光透射成像

针对太赫兹面阵探测器件发展不成熟的现状,利用二维移动平台,对合作目标进行了连续太赫兹波的扫描成像实验.太赫兹波的扫描成像结果可以显示遮蔽物内的物件,这是可见光和红外所不能完成的.通过减小激光光斑、提高成像分辨率,可更清晰地表现隐藏物件的轮廓,有助于辨别该物件.实验还测量了337μm太赫兹激光对典型物质的穿透特性,其中包括对近红外和中红外具有很好屏蔽作用的伪装网材料.测量结果显示:337μm太赫兹激光对包装泡沫穿透能力很强,适合包装物的无损检查;对干枯树叶和新鲜树叶透射差别较大,对野外探测具有启示意义;对某些伪装网具有一定的穿透能力,为某些军事应用提供了可能.     

便携式太赫兹波谱仪的概念设计

为了获得材料在太赫兹波段的信息,设计了一种频率在1 THz～15 THz范围的便携式波谱仪。该仪器以可调谐的THz量子级联激光器为光源,实现1 THz～15 THz的连续＂白光＂发射,以高灵敏度的超晶格结构半导体为探测器,利用电子学系统、计算机控制和数据处理得出材料在该波段的光谱信息,进而得出材料的结构信息。由于太赫兹量子级联激光器具有发热少,衰减弱,信噪比高,范围宽等优点,以此为光源的波谱仪小巧紧凑,便于移动和携带,具有传统波谱仪无法实现的优点。