三维结构TE₀₁₁-λ/4-π模谐振器的制作方法

专利名称：三维结构TE₀₁₁-λ/4-π模谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹集成电路，尤其是涉及一种三维结构TE。u-A/4-兀模谐振器。
背景技术：
目前，国际上对太赫兹的研究已经达成共识，认为太赫兹是一种有很多独特优点的辐射源，太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国防安全和国民经济发展提供了新的机遇，是国际学术界、产业界和各国政府十分重视和关注的科技领域。太赫兹波的产生是太赫兹技术的一个基础和关键问题，近年来，基于现有集成电路工艺产生太赫兹振荡近年来也受到研究者们越来越多的关注。
从应用需求来看，硅基小功率太赫兹源很有应用潜力。 一方面，硅基标准集成电路工艺，可以实现规模量产，显著降低应用系统的成本；另一方面，可以使振荡源与同样基于硅技术的系统其它功能电路集成到一起成为可能。这两点突出的优势，使得硅基小功率太赫兹源在个人无线通信、小功率太赫兹雷达等方面很有应用前景。
然而，硅基太赫兹振荡源能否得到应用，提高集成输出功率是一个关键问题。在工艺进步工作频率提高的同时，线宽的不断縮小意味着所能承受的电流越来越小，从而振荡器的功率输出能力越来越小。提高振荡器输出功率可以通过提高单管振荡功率和对多个振荡器进行功率合成两方面入手。

发明内容
针对如何将多个单管太赫兹振荡在芯片级进行功率合成以提高输出功率这一问题，本发明的目的在于提供一种三维结构TEoirV4-7i模谐振器，可以将振荡器输出功率提高一至两个数量级。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案
该谐振器包括硅基片层上的两个以上有源电路，在封装层上与有源电路相应个数的X/4谐振器，金属圆柱，工作在TEon模的包括第一导电金属板、圆柱波导和第二导电金属板构成的TE(m圆柱波导谐振器和用于功率输出的矩形波导；每个有源电路的两个输出端a、 b与对应A74谐振器的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个A/4谐振器的两个短路端与圆柱波导谐振器在一导电金属板上的谐振器与圆柱波导耦合槽缝实现能量耦合，矩形波导装配在第二导电金属板之上，通过第二导电金属板上的矩形波导与圆柱波导耦合槽缝实现能量耦合将能量从矩形波导输出。本发明具有的有益的效果是
该三维结构TEou-X/4-Ti模谐振器中的X/4谐振器做成三维结构，适合于在硅基工艺的封装层面上实现；构成A74谐振器的差分传输线与基片表面垂直，与基片表面平行分布的电源线、信号线正交，相互耦合影响小，同时与传统二维差分传输线相比，三维结构差分传输线远离硅基片层，基片损耗影响降低；TE011圆柱波导谐振器的储能(或Q值)远高于V4谐振器，故该谐振器的Q值将可以较传统A74谐振器大很多；该谐振器可以有效的将多个A/4谐振器的功率进行合成，获得高于传统V4谐振器输出功率一个数量级的振荡输出。本发明适合于硅基太赫兹源在封装层面的功率合成，无源电路同有源电路分离，谐振器品质因数高，规模生产可以显著降低成本，在太赫兹个人无线通信、小功率雷达等领域具有应用价值。


图1是本发明公开的TEon-X/4-7i模谐振器纵剖视图。
图2是本发明中的硅基片上基于反相器对的有源电路实现方式。
图3是本发明中的硅基片上基于交叉耦合对的有源电路实现方式。
图4是本发明中的X/4谐振器三维结构图。
图5是图1中A-B剖切的横剖视图。
图6是图1的线C-D剖切的横剖视图。
图中1、有源电路，2、 A/4谐振器，3、金属圆柱，4、 TE(m圆柱波导谐振器，4a、第一导电金属板，4b、圆柱波导，4c、第二导电金属板，5、矩形波导，6、矩形波导与圆波导耦合槽缝，7、 X74谐振器与圆柱波导耦合槽缝。
具体实施例方式
如图l、图4、图5、图6所示，本发明的谐振器包括硅基片层E上的两个以上有源电路l，在封装层F上与有源电路1相应个数的V4谐振器2，金属圆柱3，工作在TE叫模的包括第一导电金属板4a、圆柱波导4b和第二导电金属板4c构成的TE。 圆柱波导谐振器4和用于功率输出的矩形波导5;每个有源电路1的两个输出端a、 b与对应A/4谐振器2的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个谐振器2的两个短路端与圆柱波导谐振器4在第一导电金属板4a上连接，通过第一导电金属板4a上的X/4谐振器与圆柱波导耦合槽缝7实现能量耦合，矩形波导5装配在第二导电金属板4c之上，通过第二导电金属板4c上的矩形波导与圆柱波导耦合槽缝6实现能量耦合将能量从矩形波导5输出。
如图2所示，所述的有源电路1为反相器对有源电路。如图3所示，所述的有源电路1为交叉耦合对有源电路。所述的有源电路l个数由输出功率而定，输出功率越大个数越多。整个谐振器的工作原理如下
(a) 硅基片上的有源电路1具有负阻特性，为封装层中的对应A/4谐振器2提供能量，也即为整个TE011-V4-7T模谐振器提供能量；
(b) X/4谐振器2的两个差分传输线与硅基片层上相接的一端开路，与封装层中的TE011圆柱波导谐振器4端面相接的一端通过第一导电金属板4a实现短路，短路端的磁力线方向与差分传输线短路端两端点连线垂直，即在圆柱波导谐振器端面(第一导电金属板4a所在圆形面)的半径方向；
(c) 沿该半径方向在封装层中的TE011圆柱波导谐振器4与X/4谐振器2相接的端面(第一导电金属板4a所在圆形面)的A/4谐振器与圆柱波导耦合槽缝7，通过磁力线实现多个A/4谐振器2和TE011圆柱波导谐振器4的耦合，激励出圆柱波导4b的TE011振荡模式，将所有A/4谐振器2的振荡同相锁定，并进行功率合成；
(d) 合成后的振荡信号功率通过第二导电金属板4c上的矩形波导与圆柱波导耦合缝隙6将能量耦合到矩形波导5进行输出。
下面以工作在0.5THz的TE011-V4-7！谐振器为例，其中有源电路个数为2个，具体阐述各个部分的实施方式。
硅基片上的有源电路1可以采用如图2所示的反相器对有源电路方案，该电路易于起振，并具有较高的效率，也可以采用如图3所示的交叉耦合对有源电路方案，此电路的特性是改变偏置电流即可控制其非线性特性。
在硅基片层和封装层交界面上，将提供负阻的两个反相器对电路或两个交叉耦合对电路两端a、 b与封装层上的对应个数的X/4谐振器2的两端连接，如图1所示，实现负阻电路为谐振电路提供能量的功能。
X/4谐振器为X/4差分传输线谐振器的简称，由长度为A/4 a为介质中波长)的差分传输线构成， 一端开路， 一端短路。封装层中的多个V4谐振器2的实现方法如图4 (从图1所示谐振系统底部对X74谐振器进行观察的侧视图)所示。在图4中，与A74谐振器2短路面圆柱波导4b的半径一致的方向开了两个槽缝，在每个槽缝的两侧沿圆柱波导4b圆周的周向放置差分传输线的两个A/4导体。在实际制作加工时，这两个导体可以由封装层面上的圆柱形金属过孔构成，金属过孔一端开路，另一端由第一导电金属板4a短路，如图4所示，其相应的横剖视图如图5所示。金属过孔的加工在硅半导体工艺中是容易实现的。对于0.5THz的振荡，若封装介质材料相对介电系数s产4，则对应X74为75um，即差分传输线长度为75um，而差分传输线的半径可以取10um。
差分传输线短路端的磁力线方向与差分传输线短路端两端点连线垂直，即在TEQ11圆柱波导谐振器4端面的半径方向。为了实现两个A/4谐振器2和圆柱波导4b的耦合，激励出圆柱波导4b的TE。u模，如图4所示，沿圆柱波导4b半径方向在封装层中的圆柱波导谐振器4与A74谐振器2连接的第一导电金属板4a开A74谐振器与圆柱波导耦合槽缝7。
图4中金属圆柱3的作用，是用来使每个X/4谐振器的电场、磁场分布满足很纯的A/4谐振器工作状态的。TEC11圆柱波导谐振器4上方的矩形波导5是用于将TE。u谐振器4中合成的功率进行输出，矩形波导5的一个矩形壁和第二导电板4c相交部分通过开矩形波导与圆柱波导耦合槽缝6实现两者之间的能量耦合。TEQ11圆柱波导谐振器4与矩形波导5耦合的横剖视如图6所示。
当圆柱波导工作在TEou模时，只有沿圆柱径向的磁场和沿圆柱周向的电场，因此当传输功率一定时，管壁的热损耗将单调下降，故其损耗相对其他模式来说是最低的。
TE011圆柱波导谐振器的储能(或q值)远高于X/4谐振器，故频率主要取决于TE。 圆柱波导谐振器的谐振频率。只要TEo 圆柱波导谐振器能稳定地工作，就能同步锁定两个A/4振荡器的振荡。因为圆柱波导谐振器稳定工作于TE011模，从而确保TE。h474-ti谐振器使两个X/4谐振器同步稳定地工作于振荡模式。
权利要求
1.一种三维结构TE011-λ/4-π模谐振器，其特征在于该谐振器包括硅基片层(E)上的两个以上有源电路(1)，在封装层(F)上与有源电路(1)相应个数的λ/4谐振器(2)，金属圆柱(3)，工作在TE011模的包括第一导电金属板(4a)、圆柱波导(4b)和第二导电金属板(4c)构成的TE011圆柱波导谐振器(4)和用于功率输出的矩形波导(5)；每个有源电路(1)的两个输出端a、b与对应λ/4谐振器(2)的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器(2)的两个短路端与圆柱波导谐振器(4)在第一导电金属板(4a)上连接，通过第一导电金属板(4a)上的λ/4谐振器与圆柱波导耦合槽缝(7)实现能量耦合，矩形波导(5)装配在第二导电金属板(4c)之上，通过第二导电金属板(4c)上的矩形波导与圆柱波导耦合槽缝(6)实现能量耦合将能量从矩形波导(5)输出。
2、 根据权利要求1所述的一种三维结构TEou-Ay4-7T模谐振器，其特征在于 所述的有源电路(l)为反相器对有源电路。
3、 根据权利要求1所述的一种三维结构TE。 -V4-7t模谐振器，其特征在于 所述的有源电路(l)为交叉耦合对有源电路。
4、 根据权利要求1所述的一种三维结构TE0u-A74-兀模谐振器，其特征在于 所述的有源电路(l)个数为输出功率而定，输出功率越大个数越多。
全文摘要
本发明公开了一种三维结构TE₀₁₁-λ/4-π模谐振器。每个有源电路的两个输出端与对应λ/4谐振器的两个开路端在硅基片层与封装层交界处进行连接，每个λ/4谐振器的两个短路端与TE₀₁₁圆柱波导谐振器在第一导电金属板上连接，通过第一导电金属板上的λ/4谐振器与圆柱波导耦合槽缝实现能量耦合，矩形波导装配在第二导电金属板上方，通过第二导电金属板上的矩形波导与圆柱波导耦合槽缝实现能量耦合将能量输出。本发明适合于硅基太赫兹源在封装层面的功率合成，无源电路同有源电路分离，谐振器品质因数高，规模生产可以显著降低成本，在太赫兹个人无线通信、小功率雷达等领域具有应用价值。
文档编号H03H9/00GK101656523SQ20091010229
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者史治国, 王先锋, 金梦鶥, 陈抗生, 迎 鲍 申请人:浙江大学