一种基于C型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关的制作方法

一种基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关
技术领域
1.本发明涉及使用于太赫兹波段的电控动态开关器件，具体涉及一种基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关，属于电磁功能器件技术领域。


背景技术：

2.太赫兹波以其频率高、带宽大的特性在下一代通信、雷达以及成像系统中具有巨大潜力与重要应用。日益增长的应用需求促使如倍\混频器、调制器、移相器等太赫兹功能器件飞速发展。太赫兹开关是以上系统中实现信号隔离的关键器件之一，也成为相关的研究热点。
3.目前太赫兹开关的实现方式主要有两大类。其一为基于集中参数模型与等效电路理论的开关芯片，其利用如inp、gaas等高性能有源材料，结合1/4波长匹配等技术，实现太赫兹片上开关设计。例如有文献报道利用四级并联的50nm栅线gaas基高电子迁移率晶体管实现了工作于122到330ghz的单刀双掷开关，利用六级并联的inp dhbt在220到325ghz频段实现单刀双掷开关。其二为基于人工超材料的新型准光开关，其关键点在于通过有源材料控制人工超材料的电磁特性以实现信号通断。例如有文献报道通过基于谐振耦合阵列的磁性超表面实现电磁波传播开关与方向控制；利用复合液晶超表面中太赫兹的极化转换实现谐振开关；利用电磁诱导透明现象实现可开关超表面。
4.总体来说，受益于晶体管等有源材料、人工超材料的迅猛发展，太赫兹开关得到了长足进步。但是，迅速增长的应用需求向太赫兹功能器件提出了更为严苛的指标要求，如对太赫兹开关而言需要更低的插入损耗、更高的开关比。这使得以上提及的两类开关都面临巨大的挑战。对基于等效电路理论的开关设计而言，受限于晶体管本身的加工工艺等影响，需要在电路中增加更多的晶体管数量以提高开关性能。而由于太赫兹波频率高、波长短，亚波长尺度下的工作状态为传统开关芯片引入了更强的电磁耦合、更大的寄生参数，这反而使得开关性能急剧下降。而对于基于超材料的太赫兹开关，由于其开关特性往往源自于材料内部周期单元的谐振耦合。但周期结构天然的鲁棒性导致需要更多的有源材料嵌入以实现超材料电磁特性的改变，这对加工一致性、附属馈电电路设计等都提出了更高的要求。此外，鉴于超材料与电磁波的相互作用方式，基于此的太赫兹开关往往工作于准光模式，难以实现芯片级系统集成。
5.本发明提出结合以上两类开关的特点，联合基于“路”的等效电路模型与基于“场”的电磁耦合进行分析优化设计，提高单个晶体管等材料的利用效率，以同时实现更低的插入损耗、更高开关比。要实现所述“路”与“场”相结合，实现片上开关设计，需要突破以下难点。首先，由于微带线中传播场为准tem模式，其电场主要存在于介质基底中，难以与人工微结构发生有效相互作用；其次，由于人工微结构中场多体现为谐振模式，需要建立谐振模式与微带中传播模式的联系；再次，需要根据谐振与传播两种模式的联系，寻找通过耦合实现芯片开关的最优条件；最后，需要设计满足条件的人工微结构，并使之与有源材料实现有效相互作用，通过转变耦合模式实现开关调控。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关，该太赫兹动态开关利用高电子迁移率晶体管(hemt)控制c型环引入的电磁耦合以改变电路阻抗属性，可在保持低插损无劣化的同时较无c型环耦合的普通开关提高开关比。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
8.一种基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关，包括输入地-信号线-地匹配结构、主传输微带线、附属匹配枝节线、超构枝节、馈电控制电路和输出地-信号线-地匹配结构，所述输入地-信号线-地匹配结构和输出地-信号线-地匹配结构通过线宽渐变连接金属线与主传输微带线连接，所述附属匹配枝节线与主传输微带线连接并接地，所述超构枝节包括第一段金属微带枝节线、第二段金属微带枝节线、高电子迁移率晶体管(hemt)、金属c型环与通孔接地六边形金属片，hemt的源极与第一段金属微带枝节线连接后以并联拓扑方式连接主传输微带线，hemt的漏极与第二段金属微带枝节线连接后通过通孔接地六边形金属片接地，金属c型环位于hemt一侧，金属c型环开口正对hemt，两者通过电磁耦合连接，所述馈电控制电路与hemt连接。
9.进一步地，所述馈电控制电路包括依次串联连接的馈电金属线、大电阻和hemt，馈电金属线与hemt栅极连接。
10.进一步地，所述超构枝节中的金属微带枝节线的长度可调，以实现工作频率处hemt阻抗特性转换，金属c型环的线宽、尺寸、开口长度以及位置可调，以实现不同的工作频率。
11.进一步地，所述超构枝节中的金属c型环的形状不限于长方形，也可使用圆形、椭圆形或其他具有相同拓扑特征的结构。
12.进一步地，所述超构枝节可为多个，以实现更优性能。
13.进一步地。基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关的基底材料采用磷化铟、砷化镓、氮化镓、蓝宝石、二氧化硅或高阻硅。
14.本发明的工作机理是：太赫兹波通过输入地-信号线-地结构输入后在主传输微带线上传播，当对hemt施加电压时，二维电子气耗尽，超构枝节中金属c型环、金属微带枝节线与hemt间的电磁耦合为强耦合，改变超构枝节端口阻抗；当对hemt撤去电压时，二维电子气恢复，超构枝节中产生弱电磁耦合，对超构枝节端口阻抗产生微扰；hemt控制信号通过馈电金属片输入，实现超构枝节中电磁耦合控制，进一步改变超构枝节端口阻抗特性，实现太赫兹波信号通断控制，太赫兹波通过输出地-信号线-地结构输出。
15.本发明通过对金属c-型环按需设计，调控超构枝节中电磁耦合模式，优化超构枝节端口阻抗特性，实现在强耦合、大寄生参数情况下，提高hemt利用效率，在保证开关芯片低插入损耗的同时提高其开关比等性能指标。本发明加工工艺成熟(可用激光刻蚀、细微加工手段实现)，且制作、使用方便，可工作于常温常压的环境下，具有很好的应用潜力与前景。
附图说明
16.图1为本发明所述太赫兹片上超构开关芯片的结构示意图。
17.图2为本发明所述超构枝节的结构示意图。
18.图3为本发明所述太赫兹片上超构开关芯片实施例仿真结果。
19.图4为本发明所述太赫兹片上超构开关芯片实施例芯片样片的显微照片。
20.图5为本发明所述太赫兹片上超构开关芯片实施例测试结果。
21.图中标记：1、输入地-信号线-地结构；2、主传输微带线；3、附属匹配枝节线；4、超构枝节；41、第一段金属微带枝节线；42、第二段金属微带枝节线；43、inp-hemt；44、金属c型环；45、通孔接地六边形金属片；5、馈电控制电路；6、输出地-信号线-地结构。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
23.如图1、图2所示，本实施例提供的基于c型环耦合的并联拓扑片上超构太赫兹开关包括输入地-信号线-地结构1、主传输微带线2、附属匹配枝节线3、超构枝节4、馈电控制电路5和输出地-信号线-地结构6，所述输入地-信号线-地结构1和输出地-信号线-地结构6包括两片通孔接地方形金属片、信号线和线宽渐变连接金属线，通孔接地方形金属片位于信号线两侧，信号线通过线宽渐变连接金属线与所述主传输微带线2连接，通过调整通孔接地方形金属片大小可实现与标准探针台阻抗匹配。所述超构枝节4包括第一段金属微带枝节线41、第二段金属微带枝节线42、inp-hemt43、金属c型环44和通孔接地六边形金属片45，inp-hemt 43的源极与第一段金属微带枝节线41连接后以并联拓扑方式连接所述主传输微带线2，inp-hemt 43的漏极与第二段金属微带枝节线42连接后通过通孔接地六边形金属片45接地，金属c型环44位于inp-hemt 43一侧，金属c型环44开口正对inp-hemt 43，两者通过电磁耦合连接。通过调整第一段金属微带枝节线41、第二段金属微带枝节线42的长度，以及调整金属c型环44的尺寸并使其开口位置正对inp-hemt 43，可以实现超构枝节4中的电磁耦合连接。所述馈电控制电路5包括馈电金属线、大电阻与馈电金属片，馈电金属线与inp-hemt 43栅极连接后串联连接大电阻，然后与馈电金属片连接而实现馈电。所述附属匹配枝节线3包括微带匹配枝节线与通孔接地六边形金属片，微带匹配枝节线与所述主传输微带线2连接后通过通孔接地六边形金属片接地，通过调整附属匹配枝节线3的长度可进一步实现阻抗匹配。
24.工作时，太赫兹波通过输入地-信号线-地结构1输入后在主传输微带线2上传播，当馈电控制电路5对inp-hemt 43施加电压时，二维电子气耗尽，超构枝节4中金属c型环44、第一段金属微带枝节线41、第二段金属微带枝节线42和inp-hemt 43间的电磁耦合为弱耦合，对超构枝节4端口阻抗产生微扰；当对inp-hemt8撤去电压时，二维电子气恢复，超构枝节4中产生强电磁耦合，改变超构枝节4端口阻抗特性；inp-hemt 43的控制信号通过馈电控制电路5中的馈电金属片输入而实现超构枝节4中的电磁耦合控制，进一步改变超构枝节4端口的阻抗特性，实现太赫兹波信号通断控制，太赫兹波最后通过输出地-信号线-地结构6输出。
25.本实施例所使用的基底材料为inp，金属结构使用的材料为au。
26.本实施例所采用输入地-信号线-地结构1和输出地-信号线-地结构6中的通孔接地方形金属片与信号线中心间隔50um；主传输微带线2线宽48um；超构枝节4中inp-hemt 43采用90nm栅长工艺，金属c型环9线宽为4um，开口20um，尺寸20um
×
100um，金属c型环9与
inp-hemt8间隔2um；馈电控制电路5中大电阻为5000ω。
27.对本实施例基于c型环耦合的并联拓扑片上超构开关进行仿真后发现其具有良好的效果，可行性极高。如图3所示，本实施例采用inp-hemt8的大信号模型结合电磁仿真，得出210到260ghz频段内不同电压加载时的s参数。结果表明，在保持插入损耗不变的情况下，所述基于c型环耦合的并联拓扑片上超构开关的开关比较无金属c型环44加载的电路提高了20％。结合本实例仿真模型，对其进行了加工测试，开关样片如图4所示，测试结果如图5所示。所述基于c型环耦合的并联拓扑片上超构开关插损低至1db以下，开关比10db。由此说明本发明基于c型环耦合的并联拓扑片上超构开关具有保证低插损同时提高开关比的特性。
28.以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。