專利名稱：三維結(jié)構(gòu)TE₀₁₁-λ/4-π模諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲集成電路，尤其是涉及一種三維結(jié)構(gòu)TE。u-A/4-兀模諧振器。
背景技術(shù)：
目前，國際上對太赫茲的研究已經(jīng)達(dá)成共識，認(rèn)為太赫茲是一種有很多獨特優(yōu)點的輻射源，太赫茲技術(shù)是一個非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國防安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新的機(jī)遇，是國際學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和各國政府十分重視和關(guān)注的科技領(lǐng)域。太赫茲波的產(chǎn)生是太赫茲技術(shù)的一個基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題，近年來，基于現(xiàn)有集成電路工藝產(chǎn)生太赫茲振蕩近年來也受到研究者們越來越多的關(guān)注。
從應(yīng)用需求來看，硅基小功率太赫茲源很有應(yīng)用潛力。 一方面，硅基標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝，可以實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，顯著降低應(yīng)用系統(tǒng)的成本；另一方面，可以使振蕩源與同樣基于硅技術(shù)的系統(tǒng)其它功能電路集成到一起成為可能。這兩點突出的優(yōu)勢，使得硅基小功率太赫茲源在個人無線通信、小功率太赫茲雷達(dá)等方面很有應(yīng)用前景。
然而，硅基太赫茲振蕩源能否得到應(yīng)用，提高集成輸出功率是一個關(guān)鍵問題。在工藝進(jìn)步工作頻率提高的同時，線寬的不斷縮小意味著所能承受的電流越來越小，從而振蕩器的功率輸出能力越來越小。提高振蕩器輸出功率可以通過提高單管振蕩功率和對多個振蕩器進(jìn)行功率合成兩方面入手。

發(fā)明內(nèi)容
針對如何將多個單管太赫茲振蕩在芯片級進(jìn)行功率合成以提高輸出功率這一問題，本發(fā)明的目的在于提供一種三維結(jié)構(gòu)TEoirV4-7i模諧振器，可以將振蕩器輸出功率提高一至兩個數(shù)量級。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
該諧振器包括硅基片層上的兩個以上有源電路，在封裝層上與有源電路相應(yīng)個數(shù)的X/4諧振器，金屬圓柱，工作在TEon模的包括第一導(dǎo)電金屬板、圓柱波導(dǎo)和第二導(dǎo)電金屬板構(gòu)成的TE(m圓柱波導(dǎo)諧振器和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)；每個有源電路的兩個輸出端a、 b與對應(yīng)A74諧振器的兩個開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個A/4諧振器的兩個短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器在一導(dǎo)電金屬板上的諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫實現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)裝配在第二導(dǎo)電金屬板之上，通過第二導(dǎo)電金屬板上的矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫實現(xiàn)能量耦合將能量從矩形波導(dǎo)輸出。本發(fā)明具有的有益的效果是
該三維結(jié)構(gòu)TEou-X/4-Ti模諧振器中的X/4諧振器做成三維結(jié)構(gòu)，適合于在硅基工藝的封裝層面上實現(xiàn)；構(gòu)成A74諧振器的差分傳輸線與基片表面垂直，與基片表面平行分布的電源線、信號線正交，相互耦合影響小，同時與傳統(tǒng)二維差分傳輸線相比，三維結(jié)構(gòu)差分傳輸線遠(yuǎn)離硅基片層，基片損耗影響降低；TE011圓柱波導(dǎo)諧振器的儲能(或Q值)遠(yuǎn)高于V4諧振器，故該諧振器的Q值將可以較傳統(tǒng)A74諧振器大很多；該諧振器可以有效的將多個A/4諧振器的功率進(jìn)行合成，獲得高于傳統(tǒng)V4諧振器輸出功率一個數(shù)量級的振蕩輸出。本發(fā)明適合于硅基太赫茲源在封裝層面的功率合成，無源電路同有源電路分離，諧振器品質(zhì)因數(shù)高，規(guī)模生產(chǎn)可以顯著降低成本，在太赫茲個人無線通信、小功率雷達(dá)等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明公開的TEon-X/4-7i模諧振器縱剖視圖。
圖2是本發(fā)明中的硅基片上基于反相器對的有源電路實現(xiàn)方式。
圖3是本發(fā)明中的硅基片上基于交叉耦合對的有源電路實現(xiàn)方式。
圖4是本發(fā)明中的X/4諧振器三維結(jié)構(gòu)圖。
圖5是圖1中A-B剖切的橫剖視圖。
圖6是圖1的線C-D剖切的橫剖視圖。
圖中1、有源電路，2、 A/4諧振器，3、金屬圓柱，4、 TE(m圓柱波導(dǎo)諧振器，4a、第一導(dǎo)電金屬板，4b、圓柱波導(dǎo)，4c、第二導(dǎo)電金屬板，5、矩形波導(dǎo)，6、矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)耦合槽縫，7、 X74諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫。
具體實施例方式
如圖l、圖4、圖5、圖6所示，本發(fā)明的諧振器包括硅基片層E上的兩個以上有源電路l，在封裝層F上與有源電路1相應(yīng)個數(shù)的V4諧振器2，金屬圓柱3，工作在TE叫模的包括第一導(dǎo)電金屬板4a、圓柱波導(dǎo)4b和第二導(dǎo)電金屬板4c構(gòu)成的TE。 圓柱波導(dǎo)諧振器4和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)5;每個有源電路1的兩個輸出端a、 b與對應(yīng)A/4諧振器2的兩個開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個諧振器2的兩個短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器4在第一導(dǎo)電金屬板4a上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板4a上的X/4諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫7實現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)5裝配在第二導(dǎo)電金屬板4c之上，通過第二導(dǎo)電金屬板4c上的矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫6實現(xiàn)能量耦合將能量從矩形波導(dǎo)5輸出。
如圖2所示，所述的有源電路1為反相器對有源電路。如圖3所示，所述的有源電路1為交叉耦合對有源電路。所述的有源電路l個數(shù)由輸出功率而定，輸出功率越大個數(shù)越多。整個諧振器的工作原理如下
(a) 硅基片上的有源電路1具有負(fù)阻特性，為封裝層中的對應(yīng)A/4諧振器2提供能量，也即為整個TE011-V4-7T模諧振器提供能量；
(b) X/4諧振器2的兩個差分傳輸線與硅基片層上相接的一端開路，與封裝層中的TE011圓柱波導(dǎo)諧振器4端面相接的一端通過第一導(dǎo)電金屬板4a實現(xiàn)短路，短路端的磁力線方向與差分傳輸線短路端兩端點連線垂直，即在圓柱波導(dǎo)諧振器端面(第一導(dǎo)電金屬板4a所在圓形面)的半徑方向；
(c) 沿該半徑方向在封裝層中的TE011圓柱波導(dǎo)諧振器4與X/4諧振器2相接的端面(第一導(dǎo)電金屬板4a所在圓形面)的A/4諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫7，通過磁力線實現(xiàn)多個A/4諧振器2和TE011圓柱波導(dǎo)諧振器4的耦合，激勵出圓柱波導(dǎo)4b的TE011振蕩模式，將所有A/4諧振器2的振蕩同相鎖定，并進(jìn)行功率合成；
(d) 合成后的振蕩信號功率通過第二導(dǎo)電金屬板4c上的矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合縫隙6將能量耦合到矩形波導(dǎo)5進(jìn)行輸出。
下面以工作在0.5THz的TE011-V4-7！諧振器為例，其中有源電路個數(shù)為2個，具體闡述各個部分的實施方式。
硅基片上的有源電路1可以采用如圖2所示的反相器對有源電路方案，該電路易于起振，并具有較高的效率，也可以采用如圖3所示的交叉耦合對有源電路方案，此電路的特性是改變偏置電流即可控制其非線性特性。
在硅基片層和封裝層交界面上，將提供負(fù)阻的兩個反相器對電路或兩個交叉耦合對電路兩端a、 b與封裝層上的對應(yīng)個數(shù)的X/4諧振器2的兩端連接，如圖1所示，實現(xiàn)負(fù)阻電路為諧振電路提供能量的功能。
X/4諧振器為X/4差分傳輸線諧振器的簡稱，由長度為A/4 a為介質(zhì)中波長)的差分傳輸線構(gòu)成， 一端開路， 一端短路。封裝層中的多個V4諧振器2的實現(xiàn)方法如圖4 (從圖1所示諧振系統(tǒng)底部對X74諧振器進(jìn)行觀察的側(cè)視圖)所示。在圖4中，與A74諧振器2短路面圓柱波導(dǎo)4b的半徑一致的方向開了兩個槽縫，在每個槽縫的兩側(cè)沿圓柱波導(dǎo)4b圓周的周向放置差分傳輸線的兩個A/4導(dǎo)體。在實際制作加工時，這兩個導(dǎo)體可以由封裝層面上的圓柱形金屬過孔構(gòu)成，金屬過孔一端開路，另一端由第一導(dǎo)電金屬板4a短路，如圖4所示，其相應(yīng)的橫剖視圖如圖5所示。金屬過孔的加工在硅半導(dǎo)體工藝中是容易實現(xiàn)的。對于0.5THz的振蕩，若封裝介質(zhì)材料相對介電系數(shù)s產(chǎn)4，則對應(yīng)X74為75um，即差分傳輸線長度為75um，而差分傳輸線的半徑可以取10um。
差分傳輸線短路端的磁力線方向與差分傳輸線短路端兩端點連線垂直，即在TEQ11圓柱波導(dǎo)諧振器4端面的半徑方向。為了實現(xiàn)兩個A/4諧振器2和圓柱波導(dǎo)4b的耦合，激勵出圓柱波導(dǎo)4b的TE。u模，如圖4所示，沿圓柱波導(dǎo)4b半徑方向在封裝層中的圓柱波導(dǎo)諧振器4與A74諧振器2連接的第一導(dǎo)電金屬板4a開A74諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫7。
圖4中金屬圓柱3的作用，是用來使每個X/4諧振器的電場、磁場分布滿足很純的A/4諧振器工作狀態(tài)的。TEC11圓柱波導(dǎo)諧振器4上方的矩形波導(dǎo)5是用于將TE。u諧振器4中合成的功率進(jìn)行輸出，矩形波導(dǎo)5的一個矩形壁和第二導(dǎo)電板4c相交部分通過開矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫6實現(xiàn)兩者之間的能量耦合。TEQ11圓柱波導(dǎo)諧振器4與矩形波導(dǎo)5耦合的橫剖視如圖6所示。
當(dāng)圓柱波導(dǎo)工作在TEou模時，只有沿圓柱徑向的磁場和沿圓柱周向的電場，因此當(dāng)傳輸功率一定時，管壁的熱損耗將單調(diào)下降，故其損耗相對其他模式來說是最低的。
TE011圓柱波導(dǎo)諧振器的儲能(或q值)遠(yuǎn)高于X/4諧振器，故頻率主要取決于TE。 圓柱波導(dǎo)諧振器的諧振頻率。只要TEo 圓柱波導(dǎo)諧振器能穩(wěn)定地工作，就能同步鎖定兩個A/4振蕩器的振蕩。因為圓柱波導(dǎo)諧振器穩(wěn)定工作于TE011模，從而確保TE。h474-ti諧振器使兩個X/4諧振器同步穩(wěn)定地工作于振蕩模式。
權(quán)利要求
1.一種三維結(jié)構(gòu)TE011-λ/4-π模諧振器，其特征在于該諧振器包括硅基片層(E)上的兩個以上有源電路(1)，在封裝層(F)上與有源電路(1)相應(yīng)個數(shù)的λ/4諧振器(2)，金屬圓柱(3)，工作在TE011模的包括第一導(dǎo)電金屬板(4a)、圓柱波導(dǎo)(4b)和第二導(dǎo)電金屬板(4c)構(gòu)成的TE011圓柱波導(dǎo)諧振器(4)和用于功率輸出的矩形波導(dǎo)(5)；每個有源電路(1)的兩個輸出端a、b與對應(yīng)λ/4諧振器(2)的兩個開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個λ/4諧振器(2)的兩個短路端與圓柱波導(dǎo)諧振器(4)在第一導(dǎo)電金屬板(4a)上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板(4a)上的λ/4諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫(7)實現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)(5)裝配在第二導(dǎo)電金屬板(4c)之上，通過第二導(dǎo)電金屬板(4c)上的矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫(6)實現(xiàn)能量耦合將能量從矩形波導(dǎo)(5)輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維結(jié)構(gòu)TEou-Ay4-7T模諧振器，其特征在于 所述的有源電路(l)為反相器對有源電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維結(jié)構(gòu)TE。 -V4-7t模諧振器，其特征在于 所述的有源電路(l)為交叉耦合對有源電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維結(jié)構(gòu)TE0u-A74-兀模諧振器，其特征在于 所述的有源電路(l)個數(shù)為輸出功率而定，輸出功率越大個數(shù)越多。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維結(jié)構(gòu)TE₀₁₁-λ/4-π模諧振器。每個有源電路的兩個輸出端與對應(yīng)λ/4諧振器的兩個開路端在硅基片層與封裝層交界處進(jìn)行連接，每個λ/4諧振器的兩個短路端與TE₀₁₁圓柱波導(dǎo)諧振器在第一導(dǎo)電金屬板上連接，通過第一導(dǎo)電金屬板上的λ/4諧振器與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫實現(xiàn)能量耦合，矩形波導(dǎo)裝配在第二導(dǎo)電金屬板上方，通過第二導(dǎo)電金屬板上的矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)耦合槽縫實現(xiàn)能量耦合將能量輸出。本發(fā)明適合于硅基太赫茲源在封裝層面的功率合成，無源電路同有源電路分離，諧振器品質(zhì)因數(shù)高，規(guī)模生產(chǎn)可以顯著降低成本，在太赫茲個人無線通信、小功率雷達(dá)等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。
文檔編號H03H9/00GK101656523SQ20091010229
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者史治國, 王先鋒, 金夢鶥, 陳抗生, 迎 鮑 申請人:浙江大學(xué)