一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线的制作方法

本发明是属于太赫兹频段的天线结构设计领域，特别地，嵌入多路耦合器实现输入信号功率合成、辐射与多路差分信号耦合输出，使天线不仅具有作为太赫兹的源的功能，而且可以作为信号耦合器使用。

背景技术：

太赫兹波频率范围0.1THz～10THz，波长为3mm～30μm，介于微波与毫米波之间，处于宏观电子学向微观光子学过度阶段。

早在一百多年前，就有科学工作者涉及到该频段的电磁波，但是由于有效太赫兹源和灵敏的探测器的限制，该频段的电磁波的研究结果和数据很少，被称为“太赫兹间隙”。

随着技术的发展，太赫兹技术有了很大的发展，并掀起了一股太赫兹研究热潮。在2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一；在2005年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。同年11月，我国政府专门召开了“香山科技会议”，讨论了我国的太赫兹事业发展方向，并且制定了太赫兹技术发展规划。另外，许多高校、企业和实验室都对太赫兹技术的研发进行了大量的投入。

太赫兹波段的信号具有以下特点：

1.太赫兹频段的电磁波频率较高，具有较高的空间、时间分辨率。

2.太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。

3.由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此可以用作大分子物质的检测与识别。

太赫兹的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测和安全检查等领域带来了深远的影响。

原有的太赫兹设备大多是造价昂贵、体积庞大、灵敏度较低而且对外部的工作环境要求较高。随着晶体管技术的发展，集成化的片上太赫兹器件研发成为主要的研究方向。片上集成化的太赫兹器件不仅大大减小了太赫兹器件的尺寸，而且降低了制作成本，有利于太赫兹器件的推广，还提高了器件的灵敏度、降低了对外部工作环境的要求。

传统的信号源设备通过振荡器产生低频信号，通过非线性器件进行倍频和滤波，最终产生所需要频率的信号，但是信号本身会被电路损耗大部分，而且这种损耗在集成电路中会更加严重。

本专利在此背景下，使用天线和嵌入变压器将太赫兹源集成在芯片上，可以缩小尺寸、降低成本，有利于太赫兹设备的小型化、便携式发展。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线。可以对奇次谐波进行滤波，将偶次谐波辐射出去。辐射出来的偶次谐波耦合进入耦合器，产生四路差分信号输出，该设计可以作为太赫兹的源和耦合器使用。

本发明将信号的发生、滤波、辐射和耦合的功能集成在一起，可以减少电路对太赫兹信号的传输损耗，有利于提高效率和准确性，同时克服原有太赫兹设备笨重、成本高等不足之处，适用于便携式太赫兹设备，有利于太赫兹设备的推广。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；

该功率合成天线使用标准CMOS工艺，该工艺包含至少四层金属；地平面使用最底层金属Metal1；耦合线圈使用第二层金属Metal2；等长交叉的双环天线的结构使用最顶层金属层Metal4，受到加工工艺的限制，连接部分需要使用到第三层金属层Metal3，并且使用过孔进行连接；

所述地平面上开有环形的地平面开槽7，地平面开槽7将地平面分割成地平面A6和圆形的地平面B8，圆形的地平面B8位于环形的地平面开槽7的中心；地平面A6在环绕地平面开槽7的一周，均匀分布伸入地平面开槽7内部的凸起A33、凸起B34、凸起C35和凸起D36，上述凸起用于信号注入端接地，在天线和地平面A6之间形成回路；地平面B8用于耦合线圈接地面使用；

所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于进行四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A13、耦合线圈B14、耦合线圈C15和耦合线圈D16；耦合线圈按照相差物理角度90度、和伸入地平面开槽7的凸起相差45度分布在等长交叉双环天线的一周，且位于等长交叉双环天线下方；所述耦合线圈A13的接地线通过过孔A9连接地平面B8；耦合线圈B14的接地线通过过孔B10连接地平面B8；耦合线圈C15的接地线通过过孔C11连接地平面B8；耦合线圈D16的接地线通过过孔D12连接地平面B8；

所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A23和环B24；环A23和环B24的主体部分位于金属层Metal4，环A23和环B24的交叉处呈180度分布，由于受到工艺的限制，该交叉处分别设有辅助连接A17和辅助连接B18，且辅助连接A17和辅助连接B18均位于金属层Metal3，其中辅助连接B18通过过孔G21和过孔H22同环A23的主体部分相连；辅助连接A17通过过孔E19和过孔F20同环B24的主体部分相连；环A和环B的周长相等，为基波信号的波长。

进一步，所述凸起A33上设有信号注入正极性端A25、信号注入负极性端A29，且信号注入正极性端A25接环A23，用于注入相位为270度的基波信号；信号注入负极性端A29接环B24，用于注入信号为90度的基波信号，信号注入正极性端A25和信号注入负极性端A29形成一对差分信号注入端口；

所述凸起B34上设有信号注入正极性端B26、信号注入负极性端B30，且信号注入正极性端B26接环A23，用于注入相位为0度的基波信号；信号注入负极性端B30接环B24，用于注入信号为180度的基波信号，信号注入正极性端B26和信号注入负极性端B30形成一对差分信号注入端口；

所述凸起C35上设有信号注入正极性端C27、信号注入负极性端C31，且信号注入正极性端C27接环A23，用于注入相位为90度的基波信号；信号注入负极性端C31接环B24，用于注入信号为270度的基波信号，信号注入正极性端C27和信号注入负极性端C31形成一对差分信号注入端口；

所述凸起D36上设有信号注入正极性端D28、信号注入负极性端D32，且信号注入正极性端D28接环A23，用于注入相位为180度的基波信号；信号注入负极性端D32接环B24，用于注入信号为0度的基波信号，信号注入正极性端D28和信号注入负极性端D32形成一对差分信号注入端口。

进一步，所述耦合线圈A13、耦合线圈B14、耦合线圈C15和耦合线圈D16的长度均为二次谐波波长的二分之一。

进一步，所述过孔A9、过孔B10、过孔C11和过孔D12的高度相等，且高度由过孔连接的金属层Metal1和Metal2之间的距离决定，材料为铜；

所述过孔E19、过孔F20、过孔G21和过孔H22的高度相等，且高度由过孔连接的辅助连接A17、辅助连接B18到环A23、环B24之间的距离决定，材料为铜。

进一步，所述用于连接耦合线圈A13的接地线和地平面B8的过孔A9的直径为耦合线圈A13的接地线的宽度；

所述用于连接耦合线圈B14的接地线和地平面B8的过孔B10的直径为耦合线圈B14的接地线的宽度；

所述用于连接耦合线圈C15的接地线和地平面B8的过孔C11的直径为耦合线圈C15的接地线的宽度；

所述用于连接耦合线圈D16的接地线和地平面B8的过孔D12的直径为耦合线圈D16的接地线的宽度；

所述用于连接辅助连接A17和环B24的过孔E19、过孔F20的直径为环B24的宽度；

所述用于连接辅助连接B18和环A23的过孔G21、过孔H22的直径为环A23的宽度。

进一步，辅助连接A17的长度为环B24跨接距离、过孔E19的直径、过孔F20的直径三者之和；辅助连接B18的长度为环A23跨接距离、过孔G21的直径、过孔H22的直径三者之和，上述环B24跨接距离为环B24的主体部分在金属层Metal4的缺口长度；环A23跨接距离为环A23的主体部分在金属层Metal4的缺口长度。

本发明的有益效果是：

1.设计太赫兹片上嵌入变压器的功率合成天线，进行太赫兹信号输出，有利于缩小太赫兹设备的尺寸，降低制作成本。

2.将四路耦合器嵌入功率合成天线中，实现耦合器与天线的一体化设计，提高耦合效率。

3.原有的DAR(Distributed Active Radiators)为单环嵌套交叉结构，双环不等长，本专利与原有的区别在于，等长的双环结构，环之间无连接。在环的下方嵌入耦合线圈，进行差分信号的输出。

4.原有的DAR在进行基波信号注入的时候，端口信号的相位为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，基波信号的控制较为困难。本专利与原有的区别在于，基波信号注入为0°、90°、180°和270°，相位控制相对容易。

附图说明

图1为本发明所使用的标准CMOS工艺金属层示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明信号注入示意图。

图4为本发明工作示意图。

图中，6为地平面A，7为地平面开槽，8为地平面B，9为过孔A，10为过孔B，11为过孔C，12为过孔D，13为耦合线圈A，14为耦合线圈B，15为耦合线圈C，16为耦合线圈D，17为辅助连接A，18为辅助连接B，19为过孔E，20为过孔F，21为过孔G，22为过孔H，23为环A，24为环B，25为信号注入正极性端A，26为信号注入正极性端B，27为信号注入正极性端C，28为信号注入正极性端D，29为信号注入负极性端A，30为信号注入负极性端B，31为信号注入负极性端C，32为信号注入负极性端D，33为凸起A，34为凸起B，35为凸起C，36为凸起D。

具体实施方式

下面按照各个附图作详细说明。

如图1所示，为本发明所使用的标准CMOS工艺金属层示意图，该工艺中至少包含四层金属，金属层Metal1为图中1所标示、金属层Metal2为图中2所标示、金属层Metal3为图中3所标示、金属层Metal4为图中4所标示，5为多晶硅层。

如图2所示，为本发明的结构示意图。自底向上依次，地平面A6，地平面开槽7和地平面B8。在最底层金属层Metall为图1中所标示的1上，进行环状的地平面开槽7，将地平面分割为地平面A6和地平面B8，并且地平面A6设有凸起A33、凸起B34，、凸起C35和凸起D36伸入地平面开槽7，且呈90度角分布在环状地平面开槽7的一周，用于信号注入端接地。地平面B8作为耦合线圈的接地面使用。在第二层金属层Metal2为图1中所标示的2上，设有耦合线圈A13、耦合线圈B14、耦合线圈C15和耦合线圈D16，耦合线圈为带有缺口的环状结构，环的长度为二次谐波波长的二分之一，在缺口处引出两条接线连接外部工作电路。耦合线圈呈90度分布在等长交叉双环天线的一周，且与地平面A6上的凸起相差45度。缺口方向相反方向处设有接地线，耦合线圈A13的接地线通过过孔A9连接地平面B8，耦合线圈B14的接地线通过过孔B10连接地平面B8，耦合线圈C15的接地线通过过孔C11连接地平面B8，耦合线圈D16的接地线通过过孔D12连接地平面B8。过孔A9、过孔B10、过孔C11和过孔D12的直径为接地线的宽度，且高度为金属层Metal1和金属层Metal2之间介质的厚度。使用最顶层金属层Metal4为图1中所标示的4上进行等长交叉的双环天线设计，受到工艺的限制，在交叉处需要使用第三层金属层Metal3为图1中所标示的3上进行辅助连接结构设计。在顶层金属层Metal4设计环A23和环B24的主体部分，环A23和环B24的两处交叉呈180度分布，在交叉处的正下方的金属层Metal3上设有宽度和环的宽度相等的辅助连接A17和辅助连接B18两部分。辅助连接B18通过过孔G21和过孔H22连接环A23、辅助连接A17通过过孔E19和过孔F20连接环B24，环A23和环B24形成等长交叉的双环天线结构。要求环A23和环B24的长度为基波波长。信号注入正极性端A25和信号注入负极性端A29的接地端为地平面A6上的凸起A33，且信号注入正极性端A25接环A23，信号注入负极性端A29接环B24；信号注入正极性端B26和信号注入负极性端B30的接地端为地平面A6上的凸起B34，且信号注入正极性端B26接环A23，信号准入负极性端B30接环B24；信号注入正极性端C27和信号注入负极性端C31的接地端为地平面A6上的凸起C35，且信号注入正极性端C27接环A23，信号准入负极性端C31接环B24；信号注入正极性端D28和信号注入负极性端D32的接地端为地平面A6上的凸起D36，且信号注入正极性端D28接环A23，信号准入负极性端D32接环B24。

如图3所示，为本发明的信号注入方法。信号注入正极性端A25注入相位为270度的基波信号，信号注入负极性端A29注入相位为90度的基波信号，且信号注入正极性端A25和信号注入负极性端A29形成一对差分信号注入端口；信号注入正极性端B26注入相位为0度的基波信号，信号注入负极性端B30注入相位为180度的基波信号，且信号注入正极性端B26和信号注入负极性端B30形成一对差分信号注入端口；信号注入正极性端C27注入相位为90度的基波信号，信号注入负极性端C31注入相位为270度的基波信号，且信号注入正极性端C27和信号注入负极性端C31形成一对差分信号注入端口；信号注入正极性端D28注入相位为180度的基波信号，信号注入负极性端D32注入相位为0度的基波信号，且信号注入正极性端D28和信号注入负极性端D32形成一对差分信号注入端口。

如图4所示，为本发明的工作示意图。二次谐波耦合进入线圈，然后输出四路差分信号。

本发明的工作过程如下：

太赫兹片上嵌入耦合器的功率合成天线使用的是层叠的结构设计，要求所使用的标准CMOS工艺至少包含四层金属，使用最顶层金属层Metal4和其下一层金属层Metal3进行等长交叉的双环天线结构设计，环的宽度相等，两环之间的距离和环的宽度相等，双环的主体部分使用顶层金属层Metal4进行设计，Metal3进行辅助连接部分的设计。位于金属层Metal3的辅助连接部分和位于金属层Metal4的双环的主体部分通过过孔进行连接，形成等长交叉的双环，要求每个环的长度为基波信号的波长。在金属层Metal2进行带有缺口的环形线圈设计，耦合线圈的长度为二倍频信号波长的一半，且在与缺口处相反方向设有接地线进行接地。辐射信号耦合进入耦合线圈，输出四路差分信号。在最底层金属层Metall上进行地平面设计，地平面作为回路使用。天线和地平面上的槽的尺寸需要通过ANSYS HFSS进行仿真优化，从而获得最佳的太赫兹片上天线尺寸，进行太赫兹能量辐射。

综上，本发明所涉及的天线是等长交叉双环结构天线，使用最顶层金属Mrtal4进行双环主体部分设计，天线的双环结构需要进行交叉，但是没有相互连接，受到工艺设计规则的限制，交叉部分需要使用顶层金属的下一层金属Metal3进行设计，并且使用过孔将金属层Metal3上的辅助连接结构和顶层金属层Metal4的双环结构天线进行连接。天线的信号输入端有四对，以相差物理角度90°，分布在等长交叉的双环天线的一周，对天线进行基波信号输入。耦合线圈使用金属层Metal2进行设计，同样按照相差物理角度90°并且与信号注入端相差45°，分布在双环的一周。在Metal1进行地平面设计，地面作为回路，需要对地面进行挖槽设计。对天线结构输入基波信号，天线结构会对基波进行抑制，将偶次谐波辐射出来，通过耦合器，输出四路差分信号。

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。