一种太赫兹源及相关设备的制作方法

本技术涉及太赫兹领域，尤其涉及一种太赫兹源及相关设备。

背景技术：

1、太赫兹研究主要集中在0.1-10thz频段。起初，这一频段被称为太赫兹鸿沟，原因是这一频段夹在发展相对成熟的电子学频谱和光学频谱之间。太赫兹的低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，太赫兹的高频段与光学领域的远红外频段有重叠。由于这一频率区域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展和深入，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，得益于太赫兹光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性，太赫兹的应用也逐步渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，例如生物医学、雷达成像、太赫兹波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。

2、由于太赫兹在大气中的传输损耗大，为满足实际应用需求，开发出可以输出高功率太赫兹信号的太赫兹源显得尤为重要。近年来，由于半导体加工工艺得到了迅速的提升，各种太赫兹半导体固态器件陆续被开发出来，然而在这些太赫兹半导体固态器件输出的太赫兹信号的输出功率依然较小，大约在0.1mw。

3、目前，太赫兹源的结构仍在探索中。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种太赫兹源及相关设备，能够产生输出功率较大的太赫兹信号。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种太赫兹源，可包括x个太赫兹单元、x个共面波导cpw结构、x个第一金属传输线和贴片天线；所述x个太赫兹单元中的每个太赫兹单元包括振荡电路，每个所述太赫兹单元通过所述振荡电路产生太赫兹频率，x为大于1的整数；其中，所述x个太赫兹单元中的第i个太赫兹单元的输出端与所述x个cpw结构中的第i个cpw结构的输入端连接；所述第i个太赫兹单元的输入端用于连接外置电源；所述第i个cpw结构的输出端与所述x个第一金属传输线中的第i个第一金属传输线的输入端连接；i取1、2、……、x；所述x个第一金属传输线中的每个第一金属传输线的输出端与所述贴片天线连接。

3、本技术实施例中，提供了一种太赫兹源，该太赫兹源中包括多个太赫兹单元，每个太赫兹单元产生的太赫兹信号可以分别通过对应的共面波导结构和金属传输线传输到同一个贴片天线上，进而利用贴片天线对多个太赫兹信号进行强耦合，提高太赫兹源的输出功率。具体地，在太赫兹源中，太赫兹单元、共面波导结构和金属传输线之间一一对应，太赫兹源可以利用共面波导结构对太赫兹信号进行传输以及实现阻抗匹配，可以降低每个太赫兹信号在传输过程中的损耗，并能够使得所有太赫兹信号均可以传递至贴片天线，几乎不会反射回太赫兹单元，以此为贴片天线进行强耦合提供有效保障，进而提高太赫兹源发射的太赫兹信号的输出功率。

4、在一种可能的实现方式中，所述振荡电路包括第一振荡电路和第二振荡电路；所述第一振荡电路包括第一振荡电感和第一二极管；所述第二振荡电路包括第二振荡电感和第二二极管；其中，所述第一振荡电感的第一电极与所述外置电源的第一电极连接，所述第一振荡电感的第一电极与所述第一二极管的第一电极连接，所述第一二极管的第二电极和所述第一振荡电感的第二电极分别与所述外置电源的第二电极连接；所述第二振荡电感的第一电极与所述外置电源的第一电极连接，所述第二振荡电感的第一电极与所述第二二极管的第一电极连接，所述第二二极管的第二电极和所述第二振荡电感的第二电极分别与所述外置电源的第二电极连接。

5、本技术实施例中，太赫兹源包括多个太赫兹单元，每个太赫兹单元可以包括2个振荡电路(即第一振荡电路和第二振荡电路)，每个太赫兹单元能够通过2个振荡电路与共面波导结构达到平衡，提升阻抗匹配的效果，进一步减少太赫兹信号在传输过程中的损耗以及减少反射回太赫兹单元的太赫兹信号，从而可以进一步提高贴片天线的耦合效率，提高太赫兹源的输出功率。

6、在一种可能的实现方式中，所述贴片天线的形状包括圆形、多边形或椭圆形；所述第i个金属传输线的长度为li，所述第i个金属传输线的输出端到所述贴片天线的中心的距离为di；当i取1、2、……、x不同值时，li与di的和值均相等。

7、本技术实施例中，太赫兹源包括的贴片天线可以是圆形、多边形或者椭圆形，太赫兹源中每个金属传输线的长度加上每个金属传输线输出端到贴片天线的中心的距离之和均相等。这样能够保证多个太赫兹信号从对应的太赫兹单元产生并经过共面波导结构后，可以通过相等的距离传输到贴片天线中心，使得每个太赫兹单元在贴片天线上的耦合效率一致，更易实现多个太赫兹单元之间产生单一频率的目的，进一步提高太赫兹源的输出功率。

8、在一种可能的实现方式中，所述太赫兹源还包括x个低通滤波器；其中，所述x个低通滤波器中的第i个低通滤波器的输出端与所述第i个太赫兹单元的输入端连接，所述第i个低通滤波器的输入端与外置电源连接，所述第i个太赫兹单元通过所述第i个低通滤波器与外置电源连接；i取1、2、……、x。

9、本技术实施例中，太赫兹源还包括多个低通滤波器(数量可以与太赫兹单元数量对应)，每个太赫兹单元可以通过对应的低通滤波器与外置电源进行连接，也即是说，将低通滤波器设置在太赫兹单元与外置电源之间。可理解地，在太赫兹单元通过振荡电路产生太赫兹信号后，一部分太赫兹信号会向着共面波导结构方向传输，另一部分可能会向着外置电源方向传输(出现频率泄漏)，因为太赫兹信号的频率较高，本技术实施例中在太赫兹单元和外置电源之间设置低通滤波器后，可以将向着外置电源传输的太赫兹信号反射回共面波导结构方向，随后与另一部分太赫兹信号通过共面波导结构进行阻抗匹配合路到贴片天线，能够有效防止太赫兹信号泄漏，从而进一步提高耦合效率，提高太赫兹源的输出功率。

10、在一种可能的实现方式中，所述太赫兹源还包括第二金属传输线，所述第二金属传输线的输出端与所述贴片天线连接，所述第二金属传输线的输入端用于与外部太赫兹信号源连接。

11、本技术实施例中，太赫兹源还可以另外包括其它金属传输线，用于从外部接入太赫兹信号，其输出端与贴片天线连接，输入端与外部太赫兹信号源连接，因此，太赫兹源可以通过该金属传输线从外部的太赫兹信号源中接入更为稳定的太赫兹信号，基于注入锁定技术，当改变由外部太赫兹信号源注入的太赫兹信号的频率和功率，更好的实现太赫兹源中更多支路的太赫兹单元的相干功率合成，可以更容易控制太赫兹源的发射频率和增大太赫兹源的输出功率。

12、在一种可能的实现方式中，其特征在于，所述x个cpw结构中的每个cpw结构分别包括信号线、第一地线和第二地线；所述第一地线和所述第二地线分布在所述信号线的两侧；所述第一地线与所述信号线之间的间隙为第一间隙，所述第二地线与所述信号线之间的间隙为第二间隙；所述每个cpw结构的输入端的所述信号线的宽度为第一预设值，输出端的所述信号线的宽度为第二预设值，所述每个cpw结构中信号线的宽度沿所述cpw结构的输入端到输出端的方向逐渐增大，所述第二预设值大于所述第一预设值。

13、本技术实施例中，太赫兹源中使用的共面波导结构为渐变结构，从共面波导结构的输入端到输出端，信号线的宽度逐渐增加，而信号线两侧的地线宽度可以逐渐增大、也可以不变，信号线与地线之间的间隙宽度可以逐渐增大、也可以不变，共面波导结构的渐变设计，可以提高阻抗匹配的效果，使得太赫兹单元到贴片天线的反射率低，从而达到降低太赫兹信号散射的效果，进一步提高耦合效率，增大太赫兹源的输出功率。

14、在一种可能的实现方式中，所述x个太赫兹单元、所述x个cpw结构、所述x个第一金属传输线和所述贴片天线设置在所述太赫兹源的基板正面，所述基板的背面覆盖有金属层底板，所述金属层底板的中心为镂空结构，所述镂空结构的形状包括圆形、多边形或椭圆形。

15、本技术实施例中，太赫兹源的基板正面可以设置太赫兹单元、共面波导结构、金属传输线以及贴片天线，而基板背面覆盖一层金属层底板，该金属层底板的设置有镂空结构，贴片天线在将各个太赫兹单元产生的太赫兹信号进行耦合之后，可以通过金属层底板的中心镂空结构向空气中辐射耦合后的太赫兹信号，而贴片天线向其它子方向发射的太赫兹信号将会被金属层底板的非镂空部分反射，从而降低副瓣增益。

16、在一种可能的实现方式中，所述贴片天线设置在所述太赫兹源的第一元件层上，所述x个cpw结构设置在所述太赫兹源的第二元件层上，所述第一元件层和所述第二元件层之间存在介质层，所述x个第一金属传输线通过所述介质层中的穿孔对所述贴片天线和所述x个cpw结构进行连接。

17、本技术实施例中，太赫兹源可以包括多个元件层，元件层一般可以设置在基板的正面，贴片天线与多个太赫兹单元以及多个共面波导结构可以分布在不同的元件层上。可理解地，当贴片天线和多个太赫兹单元以及多个共面波导结构设置相同的元件层时，它们将会共用该元件层的面积，那么贴片天线的面积将会受到元件层的面积、太赫兹单元以及共面波导结构占用的面积限制；若将贴片天线与太赫兹单元以及共面波导结构进行分层设置，贴片天线的口径可以做到与元件层的面积一样大，从而可以进一步提高贴片天线增益，进一步提高太赫兹源的输出功率。

18、在一种可能的实现方式中，所述x个第一金属传输线分别于所述贴片天线连接，得到x个连接点；所述x个连接点围绕所述贴片天线的中心分布。

19、本技术实施例中，太赫兹源的太赫兹单元、共面波导结构以及金属传输线可以围绕贴片天线的中心进行分布，使得贴片天线能够在对多个太赫兹信号进行耦合后，以圆极化、全向或者多波束的方式将太赫兹信号辐射到空气中。

20、第二方面，本技术实施例提供了一种太赫兹源阵列，可包括多个如第一方面中任一项所述的太赫兹源。

21、本技术实施例中，太赫兹源阵列可以包括多个太赫兹源，每个太赫兹源可以通过贴片天线对多个太赫兹单元产生的太赫兹信号进行耦合，然后分别向空间辐射耦合后的太赫兹信号，该多个太赫兹源向空间辐射的太赫兹信号可以在空间中进行二次耦合，从而得到输出功率更高的太赫兹信号。

22、第三方面，本技术实施例提供了一种太赫兹源系统，可包括如第一方面中任一项所述的太赫兹源和外置天线；或包括如第二方面所述的太赫兹源阵列和所述外置天线；所述太赫兹源或所述太赫兹源阵列设置在所述外置天线的焦点位置。

23、本技术实施例中，太赫兹源系统可以包括太赫兹源和外置天线、或包括太赫兹源阵列和外置天线，该太赫兹源或太赫兹源阵列设置在外置天线的焦点位置，太赫兹源或太赫兹源阵列可以通过贴片天线将功率合成后的太赫兹信号辐射到外置天线，随后外置天线可以将太赫兹源或太赫兹源阵列发射的太赫兹信号二次反射到大气中，从而提高天线增益。外置天线可以是反射面天线、透镜天线或喇叭天线等。

24、第四方面，本技术实施例提供了一种电子设备，该电子设备可以包括上述第一方面中任一项所述的太赫兹源、或上述第二方面中所述的太赫兹源阵列、或上述第三方面中所述的太赫兹源系统；该电子设备还包括主处理器，该主处理器与该太赫兹源、或与该太赫兹源阵列、或与该太赫兹源系统耦合，所述主处理器用于指示所述太赫兹源、所述太赫兹源阵列或所述太赫兹源系统产生和/或发射太赫兹；所述电子设备还包括存储器，所述存储器用于保存所述主处理器和所述太赫兹源、所述太赫兹源阵列或所述太赫兹源系统运行时必要的程序指令和数据；该电子设备还可以包括通信接口，用于该电子设备与其他设备或通信网络通信。

25、第五方面，本技术实施例提供了一种半导体芯片，该半导体芯片可以包括上述第一方面中任一项所述的太赫兹源、或上述第二方面所述的太赫兹源阵列、或上述第三方面中所述的太赫兹源系统。

26、第六方面，本技术提供了一种芯片系统，该芯片系统可以包括上述第一方面中任一项所述的太赫兹源、或上述第二方面所述的太赫兹源阵列、或上述第三方面中所述的太赫兹源系统。在一种可能的设计中，所述芯片系统还包括处理器和存储器，所述存储器，用于保存所述太赫兹源、或所述太赫兹源阵列、或所述太赫兹源系统，和所述处理器的必要或相关的程序指令和数据。该芯片系统，可以由芯片构成，也可以包含芯片和其它分立器件。

27、第七方面，本技术提供一种片上系统soc芯片，该soc芯片可以包括上述第一方面中任一项所述的太赫兹源、或上述第二方面所述的太赫兹源阵列、或上述第三方面中所述的太赫兹源系统、以及与所述太赫兹源、或所述太赫兹源阵列、或所述太赫兹源系统耦合的处理器、内部存储器和外部存储器，所述内部存储器和外部存储器，用于保存所述太赫兹源、或所述太赫兹源阵列、或所述太赫兹源系统，和所述处理器的必要或相关的程序指令和数据。该soc芯片，可以由芯片构成，也可以包含芯片和其他分立器件。