太赫兹波气象探测器的制作方法

本发明总体上涉及太赫兹波，更特别地，涉及一种基于太赫兹波的气象探测器。

背景技术：

太赫兹，即太拉赫兹，一般指的是100GHz到10THz范围的频率，相应的波长为3毫米到30微米，在电磁波谱上介于毫米波与红外光之间，代表了从量子机制传输理论到经典机制传输理论的重要转变。太赫兹波的这一特殊位置决定了其丰富的科学内涵，兼具微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，使得其在许多领域都有重大的应用前景。

太赫兹波的重要特性包括穿透性、安全性、宽带性和相干性等，并且许多小分子的转动跃迁和大分子的集体振动跃迁都会在这个波段范围内产生明显的特征吸收峰。在大气层中存在大量的氧气分子、一氧化碳分子、水汽、尘埃微粒等，这些物质都具有丰富的太赫兹波段指纹信息。同时，太赫兹波还具有方向性好，穿透性强等特点，能够穿透云层，因此太赫兹波是理想的气象探测信号源。例如，中国发明专利申请201510040930.4就公开了一种用于测云的地面太赫兹雷达系统。

太赫兹波的产生方法一般可分为基于光学的太赫兹信号发生方法和基于电子学的太赫兹信号发生方法。基于光学的太赫兹信号发生方法包括使用自由电子激光器、电光晶体太赫兹脉冲源、瞬时光电导产生太赫兹电磁脉冲等。尤其是随着激光相关领域的进展，近年来已经出现了若干基于光学方法的太赫兹信号发生器件。

基于电子学的太赫兹信号发生方法目前主要是使用回波振荡器(BWO)(也称为行波管)，其能产生100GHz至1THz的辐射频率，输出功率大于10mW，调谐范围可达到中心频率的30％左右。然而，回波振荡器的操作需要高电压和高磁场，因而能耗非常大，并且回波振荡器的体积较大。因此，这些缺点限制了回波振荡器的实际使用。例如，回波振荡器的这些缺点限制 了其在卫星上探测器方面的应用，因为卫星上优选重量轻、体积小、并且能耗低的探测器。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种基于自旋电子学器件的太赫兹波气象探测器，其具有重量轻、体积小、能耗低等优点，因此尤其适合在卫星上使用。

根据本发明一示范性实施例，一种太赫兹波气象探测器可包括：太赫兹信号源，包括：自旋微波振荡器，包括自旋注入层和设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述自旋注入层在接收到非自旋极化的电流输入时产生自旋极化的电流输出，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡电信号；以及倍频链，包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡电信号进行倍频，从而输出太赫兹电信号；收发天线模块，包括：辐射天线，接收来自所述太赫兹信号源的太赫兹电信号，并且向外辐射太赫兹波；以及接收天线，接收所述太赫兹波的反射回波，并且将其转换成电信号；以及信号分析模块，用于分析所述接收天线提供的电信号，从而获得气象信息。

在一示例中，所述自旋微波振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。

在一示例中，当所述间隔层由磁性导电材料形成时，所述间隔层的厚度小于其自旋扩散长度。

在一示例中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成。所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi₂Se₃、Bi₂Te₃。所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括设置在所述自旋微波振荡器与所述倍频链之间的高通滤波器。

在一示例中，所述多个倍频器包括：连接到所述自旋微波振荡器的至少一个高次倍频器，所述高次倍频器的倍频系数大于3；以及连接到所述至少 一个高次倍频器的多个低次倍频器，所述低次倍频器的倍频系数为2或3。

在一示例中，所述多个低次倍频器的个数小于等于4。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括插入在所述倍频链的多个倍频器中的至少一个锁相环。

在一示例中，所述至少一个锁相环插入在所述至少一个高次倍频器与所述多个低次倍频器之间。

在一示例中，所述太赫兹波气象探测器还包括至少一个功率放大器，其设置在所述锁相环与所述多个低次倍频器之间。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的太赫兹波气象探测器的结构框图。

图2示出根据本发明一实施例的可用于图1的太赫兹波气象探测器的太赫兹信号源的结构框图。

图3A示出根据本发明一实施例的可用于图2的太赫兹信号源的自旋微波振荡器的结构框图。

图3B示出图3A的自旋微波振荡器的操作原理。

图4示出图3A的自旋微波振荡器的输出信号的示例。

图5示出根据本发明另一实施例的可用于图1的太赫兹波气象探测器的太赫兹信号源的结构框图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。

图1示出根据本发明一实施例的太赫兹波气象探测器100的结构框图。如图1所示，本实施例的太赫兹波气象探测器100包括太赫兹信号发生源110、收发天线模块120和太赫兹信号分析模块130。

太赫兹信号源110用于产生太赫兹信号。在本发明中，太赫兹信号源110利用电子学方法产生太赫兹频率的电信号。太赫兹信号源110的具体结构将在下面进行进一步的详细描述。太赫兹信号源110产生的太赫兹电信号可经由同轴电缆输送到太赫兹波收发天线模块120。虽然未示出，但是收发天线模块120可包括用于向外辐射太赫兹波的辐射天线和用于接收反射回波的接收天线。收发天线模块120利用发射天线向天空发射太赫兹波电磁辐射，利 用接收天线接收反射回波，并且将其转换为电信号。如前所述，反射回波可包含有大气中的各种信息，例如云层信息、水分含量等。收发天线模块120将从反射回波转换的电信号通过同轴电缆输送给信号分析模块130。信号分析模块130对该信号进行处理和分析，例如可以先对信号进行下变频处理，通过降低频率来便于后面对信号的其他处理和分析，然后通过确定吸收峰的频率和强度，来得到相应的气象信息。虽然未示出，但是太赫兹信号源110还可以将其产生的太赫兹信号或其处理版本提供到信号分析模块130以供在分析反射回波信号时作为参考。因为这些信号处理和分析是相关领域已知的技术，所以此处不再对其进行详细赘述。

图2示出根据本发明一实施例的太赫兹信号源200的结构框图，该太赫兹信号源200可用作图1所示的太赫兹波气象探测器100中的太赫兹信号源110。

如图2所示，太赫兹信号发生器200包括自旋微波振荡器210和倍频链220。应注意，本发明的自旋微波振荡器210不同于常规的晶体振荡器，其是利用自旋转移力矩(STT)效应的磁性多层膜结构，能够输出比常规的晶体振荡器频率高得多的振荡信号。自旋微波振荡器210的具体结构将在下面进一步详细描述。自旋微波振荡器210输出的振荡信号可经由倍频链220上变频到太赫兹的范围。在一些实施例中，太赫兹信号发生器200还可以包括锁相环230和可选的功率放大器等。

图3A示出根据本发明一实施例的自旋微波振荡器300的结构框图，该自旋微波振荡器300可用作图2的太赫兹信号源200中的自旋微波振荡器210。图3B示出图3A的自旋微波振荡器300中的多层膜结构310的操作原理。

如图3A所示，自旋微波振荡器300的核心部件是多层膜结构310，其可包括自旋注入层312、间隔层314和磁进动层316。

自旋注入层312由能产生自旋电流的材料产生。众所周知，电子具有自旋属性，例如可分为自旋向上的电子和自旋向下的电子。在普通电流中，自旋向上的电子和自旋向下的电子大约各占一半，因此普通电流是非极化的。当非自旋极化的电流经过自旋注入层312时，其将转变成自旋极化的电流，从而可以将自旋极化的电流注入到将在后面描述的磁进动层316中。这样的自旋注入层312可以由自旋霍尔效应(SHE)材料或反常霍尔效应(AHE) 材料形成。自旋霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y、以及它们的组合之类的非磁金属材料；诸如IrMn、PtMn和AuMn之类的反铁磁材料；以及诸如Bi₂Se₃、Bi₂Te₃之类的拓扑绝缘体材料等。反常霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Fe、Co、Ni之类的铁磁金属，诸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之类的稀土材料，以及这些铁磁金属和稀土材料的任意组合等。在一些优选实施例中，自旋注入层112可由诸如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe之类的铁磁金属或合金形成。

在自旋注入层312由磁材料形成的实施例中，优选地，自旋注入层312的磁矩被固定。在一些实施例中，自旋注入层312的磁矩可以采用自钉扎方式而被固定。例如，自旋注入层312本身可以采用具有较大矫顽力的硬磁材料形成。或者，自旋注入层312的磁矩可以采用钉扎结构而被固定。例如，可以在自旋注入层312的与间隔层314相反的一侧形成反铁磁钉扎层来固定自旋注入层312的磁矩。

间隔层314可由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。当自旋注入层312由磁性材料形成时，间隔层314是必要的，其将自旋注入层312与磁进动层316彼此磁去耦。当自旋注入层312由非磁材料形成时，间隔层314是可选的。也就是说，可以在自旋注入层312和磁进动层316之间形成间隔层314，也可以在二者之间不形成任何层，使得自旋注入层312和磁进动层316彼此直接接触。

当间隔层314由非磁导电材料形成时，自旋注入层312中的自旋极化电流可经过间隔层314到达磁进动层316。为了保持自旋极化电流的自旋极化属性，间隔层314的厚度应不超过其自旋扩散长度。可用于形成间隔层314的非磁导电材料的示例包括但不限于Cu、Ru、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等。在一些实施例中，间隔层314优选由自旋扩散长度较长的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。当间隔层314由非磁绝缘材料形成时，自旋注入层312中的自旋极化电流可隧穿经过间隔层314而到达磁进动层316。隧穿电流不会受到非弹性散射，因而可保持其自旋极化属性。可用于形成间隔层314的非磁绝缘材料的示例包括但不限于MgO、Al₂O₃、AlN、Ta₂O₅、HfO₂等等。

磁进动层316由磁性导电材料形成，其可以具有面内磁化，也可以具有垂直磁化。当来自自旋注入层312的自旋极化电流进入磁进动层316时，如 图3B所示，其将对磁进动层316的磁矩施加一个自旋转移力矩。如果这个自旋转移力矩不足以使磁进动层316的磁矩发生翻转，则在该自旋转移力矩和矫顽力的作用下，磁进动层316的磁矩将绕原磁化方向产生进动。磁进动层316的进动频率f可以由下面的公式1确定：

其中γ是回磁比，H是外磁场，H_an是磁晶各向异性场，H_d是退磁场，M_eff是有效饱和磁化强度。由于多层膜结构310的电阻大体上与磁进动层316的磁化方向角度的余弦成比例，因此，随着磁进动层316的磁矩的进动，多层膜结构310的电阻也将发生振荡变化。特别地，当磁进动层316的磁矩进动半圈，即180度时，多层膜结构310的电阻就变化一个周期。所以，多层膜结构110输出的振荡信号的频率是磁进动层316的磁矩进动频率的2倍。

继续参照图3A，如上所述，当向多层膜结构310施加一个直流电流I_dc时，其将在输出端子OUT上输出一个高频振荡信号。在输出端子OUT与多层膜结构310之间还可以连接有一个高通滤波器320，例如其可以是电容器滤波器，以滤除输出信号的直流成分，而输出交流成分。

根据上面的公式1，多层膜结构310的输出频率可因磁进动层316的材料而有所不同。一般而言，当磁进动层316由软磁材料形成时，多层膜结构310的输出频率可以容易地达到1GHz以上，甚至能达到数十GHz的水平。当磁进动层316由硬磁材料形成时，由于硬磁材料比软磁材料具有更大的磁晶各向异性场Han，因此能容易地实现10GHz以上的输出频率，甚至能输出高达大约50GHz频率的信号。也就是说，多层膜结构310可以直接产生微波频率水平的振荡信号输出，远远高于常规的晶体振荡器的输出频率。当将多层膜结构310用作太赫兹信号源时，可以避免使用复杂的频率合成技术，而以更简单的电路实现太赫兹水平的输出。

磁性多层膜结构310的另一特性在于其输出频率是可调谐的。具体而言，磁性多层膜结构310的输出频率可随其偏置电压或电流的大小而发生变化。因此，可通过改变磁性多层膜结构310的偏置电压或电流的大小来在一定范围内对磁性多层膜结构310的输出频率进行调谐。

返回参照图2，自旋微波振荡器210(其可包括例如图3A所示的自旋微波振荡器300)输出的振荡信号可被提供给倍频链220。倍频链220可包括 连接到自旋微波振荡器210的一级高次倍频器222，高次倍频器222的倍频系数可以为M，其中M大于3。虽然自旋微波振荡器210的输出频率相对于传统的晶体振荡器而言是非常高的，但是其相对于太赫兹而言尚是低的。因此，可以将自旋微波振荡器210的输出直接连接到一级高次倍频器222以实现高的倍频效率。在一些示范性实施例中，高次倍频器222的倍频系数M可以为4、5、6、7、8、9、10或更高。优选地，高次倍频器222的倍频系数M可以为6、8、10等。

当倍频器的倍频系数越高时，其倍频噪声就越大。另一方面，倍频链的级数越高时，倍频噪声也越大。这两方面所引起的倍频噪声都限制了倍频链的最终倍频倍数。在图2所示的实施例中，在倍频链220中还插入有锁相环(PLL)230。锁相环230可以将信号频率锁定到所需频率，例如信号强度最大的主频率，消除大量的谐波噪声，提高信号的稳定性。在一些实施例中，如图2所示，锁相环230可以直接跟随在倍频链220中的高次倍频器222后面，因为自旋微波振荡器210的输出本身可能含有较多噪声，而高次倍频器222又会引入较多倍频噪声。通过将锁相环230直接设置在高次倍频器222后面，可以有效地消除噪声，为后面的工作在高频率范围的倍频器提供良好的输入，从而可提高倍频链220的总级数。

在一些实施例中，还可以将高次倍频器222和锁相环230实现为一个器件，从而同时实现锁相和倍频的功能。这样的锁相倍频器在本领域是已知的，此处不再赘述。

倍频链220还可包括设置在锁相环230后面的多个低次倍频器，例如低次倍频器224、226和228。在图2所示的示例中，低次倍频器224、226和228每个的倍频系数为N，其中N可以为例如2或3。应理解，低次倍频器224、226和228的倍频系数可以彼此相同，也可以彼此不同。此外，虽然图2示出了在锁相环230后面设置有三个低次倍频器224、226和228，但是倍频链220也可以包括设置在锁相环230后面的其他数目的低次倍频器，例如1个低次倍频器、2个低次倍频器、4个低次倍频器等。优选地，设置在锁相环230后面的低次倍频器的数目不超过4个。低次倍频器224、226和228相对于高次倍频器222而言工作在更高的频率范围，例如它们可采用“太赫兹固态电子器件和电路”(《空间电子技术》，2013年第4期，第48至55页)中所描述的倍频器。由于太赫兹信号发生器200采用了自旋微波振荡器210 作为振荡信号源，其本身能产生频率高达1GHz至50GHz的高频信号，因此太赫兹信号发生器200能通过更简单的倍频电路即可实现太赫兹信号的输出。

图4示出根据本发明一实施例的多层膜结构310的输出信号的示例。在该示例中，多层膜结构310的各个层的具体材料和厚度可以如下面所示：SiO₂/Pt(8nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/MgO(1.8nm)/Co(4nm)/Ta(6nm)。在该结构中，Pt层用作缓冲层，为上面的IrMn反铁磁钉扎层提供良好的生长表面。CoFe层用作自旋注入层312，其磁矩被其下的IrMn反铁磁钉扎层固定。MgO层用作间隔层314，软磁材料Co层用于形成磁进动层316。如图4所示，该结构实现了大约3.1GHz的输出频率。

在将该信号应用到图2所示的太赫兹信号发生器200中时，可以如下设置太赫兹信号发生器200的参数。例如，一级高次倍频器222的倍频系数M可设置为6，低次倍频器224、226和228的倍频系数可以分别设置为3、2和2。从而，太赫兹信号发生器200可输出大约223.2GHz的信号。此外，还可以通过调节多层膜结构310的偏置电流或电压，使得最终输出信号可以在一定范围内调节。

图5示出根据本发明另一实施例的太赫兹信号发生器400。在图5所示的太赫兹信号发生器400中，与图2所示的太赫兹信号发生器200相同的元件用相同的附图标记表示，此处将省略对其的重复描述。

首先返回参照图2，在太赫兹信号发生器200中可能遇到的一个问题是，信号功率太低，因此不能被连续倍频。这是因为倍频器的效率可能不高，导致在倍频过程中随着信号频率增大而信号功率降低，这甚至会导致后面的倍频器级不能正常工作。为了解决该问题，在图5所示的实施例中，还在倍频链220中插入有功率放大器410。

应注意，在数百GHz频率处的功率放大是困难的。因此，优选地，功率放大器410设置在低次倍频器链224、226、228之前，例如插入在倍频链220中的高次倍频器222与低次倍频器链224、226、228之间。在图5所示的实施例中，功率放大器410插入在锁相环230和倍频器224之间。因此，功率放大器410能针对锁相环230输出的特定频率的信号进行功率放大操作，这有利于针对该特定频率来优化功率放大器410，从而提高放大效率。

与传统的基于回波振荡器的太赫兹波气象探测器(例如发明专利申请201510040930.4公开的探测器)相比，本发明的太赫兹波气象探测器可实现 更小的体积、更轻的重量和更低的功耗。这是因为本发明采用的用于产生初始振荡信号的磁性多层膜可以具有非常小的尺寸。例如，磁性多层膜的平面尺寸一般为微米的量级，典型地在1-50微米的范围，而磁性多层膜中的每个层的厚度一般在纳米的量级，进而磁性多层膜的功耗非常低。此外，本发明的探测器中使用的倍频链、锁相环、功率放大器等部件都可以以集成电路实现，因此整体上可具有非常小的体积。鉴于上述原因，本发明的太赫兹波气象探测器除了可以在地面使用外，还非常适合于在例如卫星上使用。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些特定实施例。本领域技术人员在阅读了本公开之后将会容易地意识到，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物来定义。