CN109239787A - 一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，包括阵列天线、传输线匹配网络和场效应晶体管，所述阵列天线经传输线匹配网络连接场效应晶体管；所述阵列天线由四个完全相同的片上矩形贴片天线和馈电网络组成，四个贴片天线以2×2阵列形式布置，四个贴片天线彼此间通过馈电网络连接；所述传输线匹配网络采用由三段传输线组成的T型阻抗匹配网络；所述场效应晶体管的源极与传输线匹配网络连接，漏极作为信号输出端，栅极分别连接偏置电压源和开路的四分之一波长传输线。本发明可以有效解决太赫兹波接收天线增益不高所导致的天线与场效应晶体管之间传输功率不高的问题，实现太赫兹探测器高响应度的效果。

Description

一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器
技术领域
本发明涉及太赫兹波探测技术领域，更具体的说，是涉及一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器。
背景技术
太赫兹技术被认为是“未来改变世界的十大技术之一”。目前，国际上对太赫兹辐射波段两侧的电磁波技术，即红外技术和微波技术的研究水平已经非常成熟。由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,并且此波段既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波电子学理论来研究，所以目前科学界对于该波段的了解一直比较有限,于是太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,以致于它被业内称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(terahertz gap)”。从二十多年前开始,随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世及快速发展,太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展,因为太赫兹辐射的量子能量很低，信噪比很高，频谱极宽，具有一系列特殊的性质，在基础研究、核技术、医疗诊断、安全检测、射电天文、物体成像、宽带移动通信和国防军事等领域显示了重大的科学价值及实用前景,与此同时,其他方面的工程应用潜力也受到关注。目前国际上已提出基于场效应晶体管的探测器结构，该结构是将片上贴片天线接收到的太赫兹波信号传输到N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(NMOSFET)的源极，并在天线处以及N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极分别接固定电势，此外，为了使天线与晶体管之间的阻抗匹配好，还在天线与晶体管之间进行了阻抗匹配网络的设计。并且为了消除偏置电压对天线与晶体管阻抗匹配的影响，还在偏置端接了一根四分之一波长的传输线。该结构的缺点是接收太赫兹信号的贴片天线的增益和效率不高，不能使得太赫兹源进入到天线的信号功率达到最大化，从而N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管不能获得最大化的太赫兹信号功率，并且阻抗匹配网络的设计在高频时不适用。
综上所述，为了克服使用矩形贴片天线耦合的太赫兹波信号功率传输到N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管内较少的问题，迫切需要提出一种矩形贴片阵列天线，解决功率传输较小的问题，实现天线与场效应晶体管之间更高的功率传输。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，可以有效解决太赫兹波接收天线增益不高所导致的天线与场效应晶体管之间传输功率不高的问题，实现太赫兹探测器高响应度的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，包括阵列天线、传输线匹配网络和场效应晶体管，所述阵列天线经传输线匹配网络连接场效应晶体管；所述阵列天线由四个完全相同的片上矩形贴片天线和馈电网络组成，四个贴片天线以2×2阵列形式布置，四个贴片天线彼此间通过馈电网络连接；所述传输线匹配网络采用由三段传输线组成的T型阻抗匹配网络；所述场效应晶体管的源极与传输线匹配网络连接，漏极作为信号输出端，栅极分别连接偏置电压源和开路的四分之一波长传输线。
所述阵列天线的其中两个贴片天线沿着一个方向水平放置，另外两个贴片天线与前两个贴片天线沿着水平对称轴镜像放置，然后用一个由传输线组成的馈电网络连接这四个贴片天线，并从馈电网络中心输出整个阵列天线的信号。
所述场效应晶体管采用N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明通过2×2的阵列天线可以增加阵列天线接收太赫兹波信号的方向性和增益，从而提高场效应晶体管接收到的太赫兹信号功率，增大探测响应度；
(2)本发明中阵列天线与N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管之间设计的传输线匹配网络可以提高太赫兹波信号的功率传输效率，也起到增大探测响应度的作用。
附图说明
图1是本发明基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器的原理图。
图2是本发明中阵列天线的示意图。
附图标记:MOS场效应晶体管，VG偏置电压源，M馈电网络。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。
本发明的基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，如图1所示，包括阵列天线、传输线匹配网络和场效应晶体管MOS，所述阵列天线经传输线匹配网络连接场效应晶体管。其中，所述场效应晶体管采用N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
如图2所示，所述阵列天线由四个完全相同的片上矩形贴片天线和馈电网络M组成。四个贴片天线以2×2阵列形式布置，四个贴片天线A彼此间通过馈电网络M连接。为了最小化阵列天线面积，其中两个贴片天线(A1、A2)沿着一个方向水平放置，另外两个贴片天线(A3、A4)与前两个贴片天线(A1、A2)沿着水平对称轴镜像放置，然后用一个由传输线组成的馈电网络M连接这四个贴片天线，并从馈电网络中心输出整个阵列天线的信号。射频信号通过馈电网络中心分给四个天线，信号在传输过程中通过中间的馈电网络M进行相位的变化，从而达到在远场某一点处电磁波的振幅达到最大，以提高阵列天线的方向性和增益。
阵列天线用来接收太赫兹波信号，阵列天线将接收到的太赫兹波信号传输到场效应晶体管MOS的源极S，为了使得从阵列天线传输到场效应晶体管MOS中的太赫兹信号功率达到最大化，在阵列天线与场效应晶体管MOS的源极S之间增加了传输线匹配网络，所述传输线匹配网络采用由三段传输线(TL1、TL2、TL3)组成的T型阻抗匹配网络。由于场效应晶体管MOS的源极S输入阻抗实部和虚部都很大，而阵列天线的馈电网络中心的输入阻抗远小于场效应晶体管MOS的源极S输入阻抗，所以在阵列天线与场效应晶体管MOS之间设置的传输线匹配网络通过三次阻抗的变换可以实现两者的阻抗匹配，从而实现阵列天线到场效应晶体管MOS之间的功率最大化传输。
所述场效应晶体管MOS的源极S与传输线匹配网络连接，漏极D作为信号输出端，栅极G分别连接偏置电压源VG和开路的四分之一波长传输线。其中，四分之一波长传输线作为四分之一波长的阻抗变换器，四分之一波长传输线一端与场效应晶体管MOS的栅极G连接，另一端开路。当阵列天线耦合的THz信号从传输线匹配网络传输到场效应晶体管MOS中后，场效应晶体管MOS沟道的非线性整流可以将THz信号整流成较微弱的直流信号读出，从而实现太赫兹信号的探测，单一的NMOSFET即可实现该功能。
设计阵列天线：单一天线的方向性有限，使用阵列天线时，传播到同一区域的电磁波，因为叠加原理会产生矢量叠加，通过调整馈电网络和四个贴片天线之间的距离d使得该叠加场在同一接收区域的同相位增加，振幅变大，从而提升阵列天线总体的方向性，增加增益。当在端口1处给定一个RF激励时，会分别在端口2和端口4之间、端口3和端口5之间产生一个180度的相位差，从而在远场某处产生的叠加场的振幅变大。
设计阻抗匹配网络：本发明通过阵列天线来接受太赫兹波信号，阵列天线将接收到的太赫兹波信号传输到场效应晶体管MOS的源极S，为了使得阵列天线接收到的太赫兹波信号功率最大化传输给场效应晶体管MOS，在阵列天线与场效应晶体管MOS的源极S之间增加一传输线匹配网络，使得阵列天线与场效应晶体管MOS的功率传输最大化。
设计探测器：选用N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管作为探测部件，通过其沟道的非线性整流从而得到探测信号。在场效应晶体管MOS的栅极G外接偏置电压源VG以使场效应晶体管MOS沟道打开，并且在此栅极G处接一开路的四分之一波长传输线，消除其对阵列天线与场效应晶体管MOS之间的阻抗匹配的影响。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，其特征在于，包括阵列天线、传输线匹配网络和场效应晶体管，所述阵列天线经传输线匹配网络连接场效应晶体管；所述阵列天线由四个完全相同的片上矩形贴片天线和馈电网络组成，四个贴片天线以2×2阵列形式布置，四个贴片天线彼此间通过馈电网络连接；所述传输线匹配网络采用由三段传输线组成的T型阻抗匹配网络；所述场效应晶体管的源极与传输线匹配网络连接，漏极作为信号输出端，栅极分别连接偏置电压源和开路的四分之一波长传输线。
2.根据权利要求1所述的基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，其特征在于，所述阵列天线的其中两个贴片天线沿着一个方向水平放置，另外两个贴片天线与前两个贴片天线沿着水平对称轴镜像放置，然后用一个由传输线组成的馈电网络连接这四个贴片天线，并从馈电网络中心输出整个阵列天线的信号。
3.根据权利要求1所述的基于阵列贴片天线的太赫兹波探测器，其特征在于，所述场效应晶体管采用N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110380187A (zh) * 2019-06-05 2019-10-25 广东工业大学 基于dra和n×m nmosfet阵列的太赫兹探测器和天线设计方法
CN112230297A (zh) * 2020-09-03 2021-01-15 广东工业大学 基于n×m多频天线阵列和sbd阵列的探测器
CN112284526A (zh) * 2020-09-03 2021-01-29 广东工业大学 一种基于多频天线结构的n×m太赫兹探测器阵列成像***
CN112284532A (zh) * 2020-09-03 2021-01-29 广东工业大学 基于n×m多频太赫兹天线阵列的sbd探测器
CN113193465A (zh) * 2020-01-14 2021-07-30 中国科学院半导体研究所 太赫兹波辐射源
CN114719967A (zh) * 2021-01-04 2022-07-08 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于场效应晶体管和双天线结构的太赫兹波探测器
CN114725675A (zh) * 2021-01-04 2022-07-08 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器
CN115694660A (zh) * 2022-09-13 2023-02-03 北京无线电测量研究所 一种t型匹配谐振增强型光电探测器接收网络

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5392152A (en) * 1993-10-13 1995-02-21 Rockwell International Corporation Quasi-optic amplifier with slot and patch antennas
US7504999B2 (en) * 2006-08-22 2009-03-17 Raytheon Company Amplified patch antenna reflect array
CN101593866A (zh) * 2009-06-30 2009-12-02 华南理工大学 带有t型匹配网络的介质谐振uhf rfid标签天线
CN102098243A (zh) * 2010-12-29 2011-06-15 中兴通讯股份有限公司 天线阻抗匹配装置及方法
CN102521639A (zh) * 2011-11-17 2012-06-27 天津大学 基于多天线的具有无源唤醒功能的有源rfid标签
CN104596641A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 中国科学院半导体研究所 太赫兹波探测器
CN105333951A (zh) * 2015-11-10 2016-02-17 中国科学院半导体研究所 基于场效应晶体管的太赫兹波探测器
CN105337033A (zh) * 2015-12-07 2016-02-17 电子科技大学 一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线
CN108180931A (zh) * 2017-12-28 2018-06-19 中国科学院半导体研究所 一种太赫兹波探测器
CN108306101A (zh) * 2018-01-29 2018-07-20 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5392152A (en) * 1993-10-13 1995-02-21 Rockwell International Corporation Quasi-optic amplifier with slot and patch antennas
US7504999B2 (en) * 2006-08-22 2009-03-17 Raytheon Company Amplified patch antenna reflect array
CN101593866A (zh) * 2009-06-30 2009-12-02 华南理工大学 带有t型匹配网络的介质谐振uhf rfid标签天线
CN102098243A (zh) * 2010-12-29 2011-06-15 中兴通讯股份有限公司 天线阻抗匹配装置及方法
CN102521639A (zh) * 2011-11-17 2012-06-27 天津大学 基于多天线的具有无源唤醒功能的有源rfid标签
CN104596641A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 中国科学院半导体研究所 太赫兹波探测器
CN105333951A (zh) * 2015-11-10 2016-02-17 中国科学院半导体研究所 基于场效应晶体管的太赫兹波探测器
CN105337033A (zh) * 2015-12-07 2016-02-17 电子科技大学 一种太赫兹波段基于人工微结构结合晶体管的反射天线
CN108180931A (zh) * 2017-12-28 2018-06-19 中国科学院半导体研究所 一种太赫兹波探测器
CN108306101A (zh) * 2018-01-29 2018-07-20 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段乙炔黑渐变分形宽缝阵列天线

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110380187A (zh) * 2019-06-05 2019-10-25 广东工业大学 基于dra和n×m nmosfet阵列的太赫兹探测器和天线设计方法
CN113193465A (zh) * 2020-01-14 2021-07-30 中国科学院半导体研究所 太赫兹波辐射源
CN113193465B (zh) * 2020-01-14 2022-11-08 中国科学院半导体研究所 太赫兹波辐射源
CN112284526B (zh) * 2020-09-03 2023-10-03 广东工业大学 一种基于多频天线结构的n×m太赫兹探测器阵列成像***
CN112230297A (zh) * 2020-09-03 2021-01-15 广东工业大学 基于n×m多频天线阵列和sbd阵列的探测器
CN112284526A (zh) * 2020-09-03 2021-01-29 广东工业大学 一种基于多频天线结构的n×m太赫兹探测器阵列成像***
CN112284532A (zh) * 2020-09-03 2021-01-29 广东工业大学 基于n×m多频太赫兹天线阵列的sbd探测器
CN112230297B (zh) * 2020-09-03 2024-04-09 广东工业大学 基于n×m多频天线阵列和sbd阵列的探测器
CN112284532B (zh) * 2020-09-03 2023-10-03 广东工业大学 基于n×m多频太赫兹天线阵列的sbd探测器
CN114725675A (zh) * 2021-01-04 2022-07-08 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于场效应晶体管和天线结构的太赫兹波探测器
CN114719967A (zh) * 2021-01-04 2022-07-08 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于场效应晶体管和双天线结构的太赫兹波探测器
CN115694660B (zh) * 2022-09-13 2023-09-22 北京无线电测量研究所 一种t型匹配谐振增强型光电探测器接收网络
CN115694660A (zh) * 2022-09-13 2023-02-03 北京无线电测量研究所 一种t型匹配谐振增强型光电探测器接收网络

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190118

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