基于3D化学成型技术的太赫兹器件加工

随着工作频率的提高,微波器件的尺寸逐渐减小,特别是在太赫兹频段,很多尺寸精度已经突破传统机械加工设备的极限。本文利用3D化学成型技术,加工太赫兹器件中关键零件。以定向耦合器为例,进行了设计和制造。定向耦合器在325GHz到500GHz频率范围内,直通插入损耗约3d B,耦合度为20d B。这表明3D化学成型技术在太赫兹器件加工中具有很好的应用前景。     

UV LIGA技术在毫米波太赫兹器件中的应用进展

采用紫外光刻电铸和微成型(UV LIGA)技术制造太赫兹真空器件的高频结构,频率为94~220 GHz。对于94 GHz高频结构,尺寸误差≤15 μm,采用此高频结构的脉冲行波管输出功率大于100 W;180 GHz高频结构,尺寸误差≤5 μm,采用此高频结构的太赫兹行波管二倍频器输出功率高于100 mW,带宽为11.4 GHz;220 GHz高频结构,尺寸误差≤3 μm,衰减因子为240 dB/m。UV LIGA技术在太赫兹真空器件中的成功应用,不但为毫米波太赫兹器件研制奠定了基础,同时也为UV LIGA技术在设计制造毫米波太赫兹器件领域,包括有源和无源器件,开辟了一番新天地。     

太赫兹3D打印透镜综述

太赫兹波由于其独特的电磁特性可应用于超高速率无线通信、生物化学物质检测以及高分辨率成像等领域。但由于太赫兹波的物理波长小,传统适用于低频的加工工艺难以满足其加工精度的要求;而微纳米加工工艺又具有加工复杂、成本高等缺点。3D打印技术的发展为太赫兹器件的加工提供了新的选择和更多的设计灵活度。文章介绍了香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室在3D打印太赫兹透镜方面的最新研究动态和实验研究新成果,包括基于3D打印的太赫兹高增益圆极化透镜、近场聚焦圆极化透镜、贝塞尔波束生成透镜的设计,高精度3D打印方法的探索以及太赫兹天线测试方法等。太赫兹3D打印透镜天线具有低成本、低损耗、能快速成型等特点,可应用于不同的太赫兹场景中。     

多孔耦合型太赫兹波导定向耦合器的设计

设计了一种结构紧凑、工作频带较宽、耦合平稳、高方向性的十字形多孔耦合的太赫兹波导定向耦合器。基于多孔耦合原理,利用HFSS软件对太赫兹波导定向耦合器进行了模型仿真和结构优化。仿真结果表明:在325~475 GHz带宽范围内,该多孔耦合太赫兹波导定向耦合器耦合度达到7.50.8 dB,隔离度达到30 dB,即方向性优于20 dB,各端口回波损耗小于-20 dB。通过对该波导定向耦合器进行高温高压模拟仿真,确定了使用负性光刻胶SU-8作为结构材料的可行性,提出应用MEMS工艺在硅衬底上进行加工,将牺牲层工艺应用到波导腔结构的制作中。利用光刻在直通波导和耦合波导公共宽壁上形成的十字形等间距排列耦合孔结构,可以实现较宽的带宽和良好的耦合平坦度。该方法提高了耦合孔尺寸和位置的精度,减小了反射损耗,为太赫兹波导结构的加工提供了新思路。     

太赫兹带阻滤波器工艺研究

以中心工作频率130 GHz、衰减深度为-40 dB的太赫兹带阻滤波器为制备对象,介绍了其在制备过程中蒸镀、光刻、显影及湿法刻蚀等工艺步骤中的一些技术细节。制备得到的太赫兹滤波器加工误差<±3 μm,考察了加工误差对滤波器传输性能的影响,该加工误差在可接受范围。为进一步验证工艺的可靠性,使用空间测量装置获得了滤波器样品传输性能,测试结果与设计值吻合度较好。最后,探讨了本工艺推广至更高频率器件的适用性及需要改进之处。文中介绍的硅基太赫兹器件加工工艺适用于电子器件与光子器件的融合发展。     

250GHz 太赫兹谐波混频器设计

太赫兹变频组件是实现太赫兹成像和通信应用的关键器件。本文中介绍了基于hammer-head 滤波器紧凑结构, 结合肖特结二极管的三维模型和电气模型,设计低变频损耗250GHz 太赫兹谐波混频器的方法。在高倍光学显微镜的精 准测量下,建立尺寸可以跟信号波长相比拟的二极管三维模型,准确模拟二极管的高频特性以提高电磁仿真精度。为了 进一步降低太赫兹混频器的变频损耗,文中除了采用紧凑型的hammer-head 滤波器结构外,同时通过波导探针直接实现 与二极管阻抗的匹配,简化了混频器的结构降低谐波信号传输线损,从而降低太赫兹谐波混频器的变频损耗。最终仿真 结果表明,250GHz 谐波混频器在3dBm 的本振功率驱动下,在230~270GHz 射频范围内,变频损耗(SSB)均小于6.8dB, 最低变频小于6.2dB,中频带宽大于20GHz。     

基于肖特基二极管的670 GHz四次谐波混频器设计

常温固态太赫兹谐波混频器是太赫兹系统应用中的关键器件。介绍了一款基于肖特基二极管的670 GHz四次谐波混频器的仿真与设计。在高频结构仿真软件(HFSS)中对准垂直结构肖特基势垒变阻二极管进行三维结构建模,采用基于谐波平衡算法的整体综合仿真方法对混频器进行仿真和优化。结果表明：在功率为10 mW的167 GHz本振信号驱动下,混频器单边带变频损耗在637~697 GHz射频频率范围内小于13.8 dB,3 dB变频损耗带宽为60 GHz;最优单边带变频损耗在679 GHz为10.6 dB。     

小孔耦合型双通道太赫兹波导定向耦合器设计

提出了一种小孔耦合型双通道太赫兹波导定向耦合器,采用新颖的阶梯结构,将两个单通道耦合器结合,可在双通道内实现相同的耦合输出。研究结果表明,在180~260 GHz的频率范围内,该耦合器的耦合度为10 dB,输出最大误差小于1.6 dB,回波损耗大于25 dB,隔离度大于35 dB,相对带宽达到36%。与传统的太赫兹波导定向耦合器相比,该耦合器能够实现双通道的耦合输出,在太赫兹系统中可用于双通道的功率检测、功率合成与分配。     

太赫兹−16 dB本振信号耦合器设计与实现

针对太赫兹频段边带分离接收机的应用需求,综合考虑本振信号弱耦合度、射频信号高方向性及现阶段铣削工艺精确度等要求,研制了一款400~500 GHz频段-16 dB 本振信号波导耦合器。主要包括分支型定向耦合器的耦合度特性分析、-16 dB弱耦合度波导耦合器设计、基于数控机械加工(CNC)技术的器件制备与结果讨论。2件样品实测结果均表明：该耦合器在400~500 GHz频段(相对带宽为22.5%)获得本振信号耦合度在-16~-17 dB,射频信号方向性为-1.2 dB,隔离度优于-20 dB,所有端口回波损耗优于-15 dB。上述性能均与仿真结果保持高度一致,表明当前CNC技术能够满足该高频段波导耦合器制备的高精确度需求。     

基于肖特基二极管单片集成芯片的340GHz收发链路

针对太赫兹通信及成像等系统对高集成度射频收发链路的需求,在自主研制的太赫兹肖特基二极管的基础上,建立了器件的精确模型,设计并制备出基于二极管的倍频/混频单片集成芯片,解决了传统二极管装配难度大、一致性差的难题,提高了器件的性能。成功研制出170 GHz、340 GHz倍频器和340 GHz混频器模块,并且开发出集成化的340 GHz发射与接收链路。发射端一体化模块实现了342 GHz功率为22 mW的输出,接收端一体化模块实现了330～350 GHz单边带变频损耗在10 dB上下。该模块的开发为未来太赫兹通信及成像技术的应用奠定基础。     

双注THz折叠波导行波管的设计与传输特性实验

行波管具有高增益、宽带宽、高输出功率等优点,但频率提升到THz后,输出功率急剧降低,为此采用多注与功率合成的方式提高输出功率。对D波段折叠波导行波管进行的理论与数值分析表明:单束的3 d B带宽为13 GHz(0.134 THz~0.147 THz),0.14 THz处最大增益为20.88 d B;多束合成增益为20.6 d B,3 d B带宽内合成效率不低于92%。通过微铣削的办法加工完成了2路折叠波导,并对其传输特性进行测量,对比分析了测试与设计结果。并行多注行波管能够以单束小电流、低聚焦磁场方式工作,可有效提高THz行波管的输出功率。     

太赫兹波段FSS带通滤波器的分析与设计

用HFSS仿真软件设计并分析了太赫兹频段的频率选择表面带通滤波器。其中缝隙滤波器的中心工作频率为0.346THz,透过率达到99.37%,3 dB带宽可以达到75 GHz。3层方环级联带通滤波器的通带比缝隙滤波器通带更为平坦,3 dB带宽达到了100 GHz,矩形系数也有大幅度提高。两种滤波器在不同极化波和相同极化波不同入射角度入射时都有很好的频率稳定性,并且中心工作频率在太赫兹大气窗口,可适用于太赫兹通信。     

The measurement of the dielectric and optical properties of nano thin films by THz differential time-domain spectroscopy

As feature sizes of circuits and devices approach 100 nm and chip frequencies climb into the upper GHz to THz range, it becomes increasingly important to have a convenient method of characterizing properties of thin dielectric films in the GHz to THz frequency range. THz time-domain spectroscopy provides a non-contact, non-destructive and highly sensitive optical tool to characterize the dielectric and optical properties of micron to nanometer scaled thin films at GHz and THz frequencies. The measurement of the dielectric and the optical properties of nanometer scaled dielectric films is performed using the THz differential time-domain spectroscopy. The real and imaginary parts of the complex dielectric constants and the optical constants of a variety of nano thin films are measured at GHz and THz frequencies.     

基于Schottky二极管和Hammer-Head滤波器0.67 THz二次谐波混频器

通过测量肖特基二极管的I-V和C-V曲线,建立等效电路模型.利用三维电磁场和谐波平衡仿真工具分别进行三维结构仿真和电路宽带匹配,最终实现混合集成方式的0.67THz谐波混频器设计.测试结果表明:混频器中心频率为0.685 THz,射频3 dB带宽为47 GHz,双边带变频损耗13.1~16 dB,在685 GHz双边带噪声温度最低值为11500 K.     

Exploration of Terahertz Imaging with Silicon MOSFETs

We summarize three lines of development and investigation of foundry-processed patch-antenna-coupled Si MOSFETs as detectors of THz radiation: (i) Exploiting the pinciple of plasma-waved-based mixing in the two-dimensional electron gas of the transistors’ channels, we demonstrate efficient detection at frequencies as high as 9 THz, much above the transit-time-limited cut-off frequencies of the devices (tens of GHz). Real-time imaging at 600 GHz with a 12 × 12 detector array is explored. (ii) Given the limited THz power usually available for applications, we explore imaging with enhanced sensitivity in heterodyne mode. We show that real-time operation of a 100 × 100-pixel heterodyne camera should be possible at 600 GHz with a better dynamic range (30 dB) than for direct power detection (20 dB), even if only a quarter-milliwatt of local-oscillator power, distributed radiatively over all detector pixels, is available. (iii) Finally, we present an all-electronic raster-scan imaging system for 220 GHz entirely based on CMOS devices, combining the CMOS detectors with an emitter circuit implemented in a 90-nm CMOS process and delivering radiation with a power on the 100- μW scale. Considering progress in the field, we anticipate that the emitter concept of oscillator-based power generation with on-chip frequency multiplication will carry well into the sub-millimeter-wave regime.     

Silica-based integrated optic Mach-Zehnder multi/demultiplexerfamily with channel spacing of 0.01-250 nm

A Mach-Zehnder (MZ) interferometer design is presented for application to wavelength-division multiplexed/frequency division multiplexed (WDM/FDM) systems. A variety of integrated-optic devices with low loss and low crosstalk, using silica-based waveguides, are demonstrated. MZ interferometers operate as multi/demultiplexers or frequency-selection switches. The channel spacing is determined by the waveguide arm length difference, and a spacing range of 1 GHz to 36 THz, corresponding to a wavelength spacing of 0.008-250 nm, is achieved. The devices for the WDM region have low fiber-to-fiber loss of 0.5 dB, and the devices for the FDM region have higher losses of 2-5 dB. Crosstalk of less than -15 dB was obtained for all the devices. A 5-GHz-spaced 16-channel frequency selection switch and a 10-GHz-spaced eight-channel multi/demultiplexer were also fabricated with a total loss of 5 dB and total crosstalk of -10 dB or less     

多层圆片级堆叠THz硅微波导结构的制作

基于微电子机械系统(MEMS)工艺,提出一种多层圆片堆叠的THz硅微波导结构及其制作方法。为了验证该结构在制作THz无源器件中的优势,基于6层圆片堆叠的硅微波导结构,设计了一种中心频率365 GHz、带宽80 GHz的功率分配/合成结构,并对其进行了仿真。研究了制作该结构的工艺流程,攻克了工艺过程中的关键技术,包括硅深槽刻蚀技术和多层热压键合技术,并给出了工艺结果。最终实现了多层圆片堆叠功率分配/合成结构的工艺制作和测试。测试结果表明,尽管样品的插入损耗较仿真值增加3 dB左右,考虑到加工误差和夹具损耗等情况,样品主要技术指标与设计值较为一致。     

Graphene Microstrip Patch Ultrawide Band Antennas for THz Communications

Future generation local communication systems will need to employ THz frequency bands capable of transferring sizable amounts of data. Current THz technology via electrical excitation is limited by the upper limits of device cutoff frequencies and by the lower limits of optical transitions in quantum confined structures. Current metallic THz antennas require high power to overcome scattering losses and tend to have low antenna efficiency. It is shown here via calculation and simulation that graphene can sustain electromagnetic propagation at THz frequencies via engineering the intra‐ and interband contributions to the dynamical conductivity to produce a variable surface impedance microstrip antenna with a several hundred GHz bandwidth. The optimization of a circular graphene microstrip patch antenna on silicon with an optimized return loss of ?26 dB, a ?10 dB bandwidth of 504 GHz, and an antenna efficiency of ?3.4 dB operating at a frequency of 2 THz is reported. An improved antenna efficiency of ?0.36 dB can be found at 3.5 THz but is accompanied by a lower bandwidth of about 200 GHz. Such large bandwidths and antenna efficiencies offer significant hope for graphene‐based flexible directional antennas that can be employed for future THz local device‐to‐device communications.     

太赫兹宽带分谐波混频器设计

太赫兹分谐波混频器的变频损耗、噪声系数等指标与基波混频器相近,且本振频率为射频频率的一半,大大 降低了本振源的设计难度和制作成本,是高性能太赫兹接收前端的关键部件。本文介绍了一种覆盖全波导带宽的太赫 兹宽带分谐波混频器的设计,对电路中射频波导至悬置带线过渡结构和本振中频双工器进行仿真和优化设计。并以 0.14~0.22THz 分谐波混频器为例进行设计和制作,测试结果表明0.14 ~0.22THz 分谐波混频器在全波导频段内最大变频 损耗低于15dB,中频3dB 带宽大于20GHz。     

太赫兹微加工波导滤波器

该文提出应用微加工(Micromachining)技术设计制作太赫兹6阶并联电感耦合波导带通滤波器的方法。立足于现有工艺条件,通过分析加工因素对滤波器电磁性能的影响,将工艺和设计参数相互折中达到优化设计的目的,避免因工艺原因造成的器件性能急剧恶化,最终得到插入损耗小、可靠性好、可集成的太赫兹滤波器。采用微加工深刻蚀(ICP)、溅射电镀金属、键合等工艺步骤,最终制作完成的单个微加工滤波器划片后体积为24.0 mm×5.0 mm×1.66 mm。应用可调测试夹具固定微加工滤波器,通过功率计测试其功率衰减,得到其中心频率为141.5 GHz,3dB带宽为10.6%,中心频率处功率衰减小于1 dB,验证了工艺方法的有效性。