基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用

技术领域

本发明涉特别涉及一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用，属于太赫兹相控阵表面技术领域。

背景技术

随着通信技术不断发展，目前商用通信频段已经采用毫米波段，太赫兹波将被应用于下一代通信系统。太赫兹波是指频率在0.1THz至10THz范围内的电磁波，处于微波向红外光波过渡的独特位置，使得太赫兹波兼具两者优点，如微波的高透射性、非电离性，红外光的高分辨率、高带宽特性。但是随着电磁波的频率升高，波长变短，太赫兹波在传播路径上被大气中的水分子吸收，使得路径损耗严重加剧，因此获得高指向性的太赫兹波束是关键，也是技术难题之一。

相控阵技术是获得高指向性电磁波束的核心技术之一，具有高速、高灵敏度、灵活、高带宽等优势，已在微波及毫米波段发展成熟，在军事和民用领域都有着极为广泛的应用，如空中监视雷达、机载雷达、舰船防空雷达等，在5G通信系统中被大规模应用于波束赋形，以提高通信系统的性能和容量。但是在太赫兹频段，相控阵技术的关键硬件都还存在技术难题：如太赫兹源的功率不足，导致太赫兹相控阵的输出功率十分有限，降低了系统作用距离；太赫兹波段的直接移相器目前少有报导，而该硬件是实现高精度相控的必经之路；太赫兹功放的器件模型、材料性质等均面临严峻挑战。因此，随着全球通信技术竞争加剧，太赫兹相控阵技术受到了前所未有的关注。

在下一代无线通信系统中引入相控阵表面是太赫兹相控阵技术难题的解决方案。相控阵表面由基本阵元规则排列构成，基本阵元通常为亚波长振子，每个阵元可独立工作，调控由阵元反射的太赫兹波的相位，以实现太赫兹波波前操控。基本阵元常由太赫兹谐振天线与开关元件构成，如加载液晶材料、微波射频二极管、相变材料等。氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)具有高电子迁移率、高电子饱和漂移速度、高击穿场强等优势，非常适合应用于太赫兹开关，并给相控阵表面带来了高速、高功率容量、可大规模阵列化的优势，获得了高质量和太赫兹波束赋形。目前已经报道了诸多相关发明，例如CN116259980A、CN110444889A等。

然而，传统太赫兹相控阵技术难度极高，其核心硬件太赫兹矢量调制器目前少有报道，距离商业化应用还非常遥远，并且，传统相控阵技术需要为每一个阵元配置矢量调制器，这导致系统架构复杂，无法实现大规模阵列化应用，再者，传统相控阵技术需要为每一个阵元配置太赫兹源，这导致系统的输出功率十分有限。另外，传统相控阵技术均采用高电子迁移率晶体管(HEMT)作为核心开关元件，该种阵元通过变阻模式调控太赫兹天线的谐振相位，电阻是耗能元件，会带来较高的插损；并且，其只能实现太赫兹波的1-bit离散相位调制，即形成的太赫兹相控阵表面只能进行数字波束扫描，以及，HEMT的栅电容有限，在受到大功率太赫兹波照射时相位调制精度有所降低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器及其应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例的一个方面提供了一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其包括：太赫兹偶极子天线、肖特基势垒二极管以及两条馈线，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，两条所述馈线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，当经由所述馈线对所述肖特基势垒二极管施加偏压且使所述偏压连续变化时，所述肖特基势垒二极管的电容随所述偏压的变化而变化，所述太赫兹偶极子天线的谐振相位随所述电容的变化而变化。

本发明实施例的第二个方面提供了一种移相器阵列，包括呈阵列排布的M×N个基本阵元，所述基本阵元包括所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，M和N都是2以上的整数。

本发明实施例的第三个方面提供了一种太赫兹相控阵表面，其包括所述移相器阵列。

本发明实施例的第四个方面提供了一种太赫兹波相位调制的方法，其包括：

提供所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，或者，所述移相器阵列，或者，所述太赫兹相控阵表面；

在所述肖特基势垒二极管的阳极施加负偏压或者在所述肖特基势垒二极管的阳极施加正偏压，所述负偏压或正偏压的大小为0-9V。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器的基本原理是利用SBD的变容特性调控太赫兹天线的谐振相位，而电容是储能元件，即本发明从机理上降低了基本阵元的插损。

2)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器，在降低插损的前提下实现了太赫兹波的连续相位调制，因此本发明可同时应用于太赫兹波模拟相位调控和太赫兹波数字相位调控。

3)本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器，在基本阵元的工作频率相同时，SBD的阳极电容远大于HEMT栅电容，从而进一步提高了太赫兹相控阵表面的功率容量。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中提供的一种太赫兹相控阵表面的结构示意图；

图2a是本发明一典型实施案例中提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器的等轴测视图；

图2b是本发明一典型实施案例中提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的俯视图；

图2c是本发明一典型实施案例中提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器的截面图；

图3是本发明一典型实施案例中提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器对频率为300GHz-380GHz太赫兹波的相位和幅度调制曲线；

图4a、图4b、图4c、图4d分别为本发明一典型实施案例中提供的一种太赫兹相控阵表面波束方向为0°、10°、20°、30°的波束扫描远场方向图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，其包括：太赫兹偶极子天线、肖特基势垒二极管以及两条馈线，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，两条所述馈线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，当经由所述馈线对所述肖特基势垒二极管施加偏压且使所述偏压连续变化时，所述肖特基势垒二极管的电容随所述偏压的变化而变化，所述太赫兹偶极子天线的谐振相位随所述电容的变化而变化。

进一步的，所述电容以及所述谐振相位的变化模式与所述偏压的变化模式相同。

进一步的，所述变化模式包括连续变化或离散变化。

进一步的，太赫兹空间光直接移相器对太赫兹波的连续调相依赖SBD(肖特基二极管)偏置电压的连续变化，即SBD的偏压连续变化时，肖特基电容连续变化，太赫兹偶极子天线的谐振相位连续变化，从而实现太赫兹波相位的连续调制；当然，基于SBD的优异变容性能，该阵元不仅能够实现连续的相位调制，还能实现0°和180°的1-bit离散相位调制。

进一步的，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线沿第一方向相对设置在所述肖特基势垒二极管的两侧，所述馈线沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向交叉，所述第一方向为所述太赫兹偶极子天线的谐振方向。

进一步的，所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极沿所述第一方向间隔设置，所述太赫兹偶极子天线所包含的两个天线沿所述第一方向相对设置在所述阴极、所述阳极的两侧。

进一步的，所述第一方向与所述第二方向正交。

进一步的，所述肖特基势垒二极管包括外延结构以及阴极、阳极，所述阴极、所述阳极设置在所述外延结构上，所述阴极与所述外延结构形成欧姆接触，所述阳极与所述外延结构形成肖特基接触；并且，所述太赫兹偶极子天线、所述馈线均设置在所述外延结构上。

进一步的，所述太赫兹空间光直接移相器的有效工作频段为330GHz-350GHz，调相范围大于180°，理论最大插损小于9dB。

进一步的，所述太赫兹空间光直接移相器的理论连续移相平均插损小于5dB。

本发明实施例的第二个方面提供了一种移相器阵列，包括呈阵列排布的M×N个基本阵元，所述基本阵元包括所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，M和N都是2以上的整数。

进一步的，所述移相器阵列中每一列所包含的M个基本阵元的馈线相互串联，每一列所包含的M个基本阵元接受的偏压相同。

进一步的，所述移相器阵列中的N列基本阵元具有相位梯度。

进一步的，所述移相器阵列的行方向与第一方向平行，列方向与第二方向平行，所述移相器阵列中的N列基本阵元沿所述第一方向具有相位梯度。

进一步的，M×N个基本阵元所包含的肖特基势垒二极管的外延结构是一体的。

进一步的，所述移相器阵列对太赫兹波束的扫描角度为±30°。

进一步的，所述移相器阵列的工作频段为330GHz-350GHz，插入损耗为6dB-9dB。

进一步的，所述移相器阵列的相位配置更新速率大于10MHz。

本发明实施例的第三个方面提供了一种太赫兹相控阵表面，其包括所述移相器阵列。

进一步的，所述太赫兹相控阵表面包括依次层叠设置的金属底板、衬底和移相器结构层，所述移相器结构层包括所述移相器阵列。

进一步的，所述移相器结构层还包括控制电路引脚，所述控制电路引脚与所述太赫兹空间光直接移相器的馈线电连接，并且，所述控制电路引脚还能够与外部控制电路电连接。

本发明实施例的第四个方面提供了一种太赫兹波相位调制的方法，其包括：

提供所述的基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，或者，所述移相器阵列，或者，所述太赫兹相控阵表面；

在所述肖特基势垒二极管的阳极施加负偏压或者在所述肖特基势垒二极管的阳极施加正偏压，所述负偏压或正偏压的大小为0-9V。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施所采用的半导体元器件以及半导体加工工艺等均是本领域技术人员已知的。

请参阅图1，一种太赫兹相控阵表面，由M×N个基本阵元(即基于肖特基势垒二极管的太赫兹空间光直接移相器，下同)规则排布形成，M和N都是大于2的整数，如图1所示是一个太赫兹相控阵表面实例，由12×13个基本阵元构成，即M＝12，N＝13。

具体的，请一并参阅图2a，所述太赫兹相控阵表面包括依次层叠设置的金属底板、衬底和移相器结构层，所述移相器结构层包括M×N个基本阵元。

具体的，如图2a、图2b和图2c所示，基本阵元是一种基于氮化镓肖特基势垒二极管(GaN SBD)的太赫兹空间光直接移相器(THz phase shifter)，太赫兹空间光直接移相器包括主要由两条馈线、太赫兹偶极子天线(亦可称之为金属偶极子谐振天线/偶极子谐振天线)和GaN SBD组成的复合微结构，GaN SBD为基本阵元控制的核心器件，GaN SBD沿第一方向集成在太赫兹偶极子天线的中央(即太赫兹偶极子天线的两个天线沿太赫兹偶极子天线的谐振方向对称分布在GaN SBD的两侧)，GaN SBD的阴极、阳极沿太赫兹偶极子天线的谐振方向间隔设置在太赫兹偶极子天线的两个天线之间，两条馈线、太赫兹偶极子天线所包含的两条天线分别与所述肖特基势垒二极管的阴极、阳极电连接，馈线为GaN SBD提供偏置电压，馈线方向与太赫兹偶极子天线的谐振方向正交，如此可以最大程度降低对太赫兹偶极子天线的谐振的影响。

具体的，太赫兹偶极子天线的形状、尺寸会影响太赫兹直接移相器的工作带宽、插入损耗、调相范围等工作特性，本发明中的太赫兹偶极子天线的沿第一方向的长度L2为单个基本阵元的边长L1的0.4-0.8倍，太赫兹偶极子天线的长度L2决定了基本阵元的谐振频率，若太赫兹偶极子天线的长度L2超处该范围，则会导致器件无法工作，即不再有移相功能；太赫兹偶极子天线的两个天线的形状优选为矩形或半圆形。

具体的，所述肖特基势垒二极管包括外延结构以及阴极、阳极，所述阴极、所述阳极设置在所述外延结构上，所述阴极与所述外延结构形成欧姆接触，所述阳极与所述外延结构形成肖特基接触；并且，所述太赫兹偶极子天线、所述馈线均设置在所述外延结构上，外延结构设置在衬底上。示例性的，阳极可以是在外延结构的表面沉积Au形成的，在阳极施加负偏压时能够调整GaN SBD的电容，阴极可以是在外延结构的表面分层沉积Ti/Al/Ni/Au金属并经高温快速退火制备形成的。

需要说明的是，图2a示出的单个基本阵元的结构还包括了与基本阵元对应的金属底板、衬底部分，当然，也可以将金属底板以及衬底视为基本阵元结构的一部分，请一并结合图1，M×N个基本阵元中所有肖特基势垒二极管的外延结构可以是一体设置的，当然，当将金属底板以及衬底视为基本阵元结构的一部分时，M×N个基本阵元的金属底板以及衬底也是一体设置的。示例性的，衬底可以是蓝宝石衬底、碳化硅衬底等，外延结构可以包括AlGaN/GaN异质结、GaAs异质结材料体系等。

具体的，如图2a、图2b、图2c所示，衬底的厚度为75±10微米，基本阵元的边长L1为350±50微米，即在该范围内基本阵元均可正常工作，功能接近。

具体的，本发明中的基本阵元对太赫兹波的连续调相依赖GaN SBD偏置电压的连续变化，即SBD的偏压连续变化时，肖特基电容连续变化，太赫兹偶极子天线的谐振相位连续变化，从而实现太赫兹波相位的连续调制；当然，基于GaN SBD的优异变容性能，该基本阵元不仅能够实现连续的相位调制，还能实现0°和180°的1-bit离散相位调制。更具体的，该基本阵元可使用两种控制方式，第一种方式为在GaN SBD的阳极施加负偏压，电压范围为0～-9V，第二种方式是在GaN SBD的阴极施加正偏压，电压范围0-9V，两种控制模式均使GaNSBD处于反偏状态，可实现相同的太赫兹波相位调制功能。

具体的，基于GaN SBD的优异变容性能，本发明提供的基本阵元的有效工作频段为330GHz-350GHz，调相范围大于180°，理论最大插损小于9dB，理论连续调相工作平均插损小于5dB，由于工艺材料等原因，最终得到的器件最大插损小于12dB，连续调相工作平均插损小于7dB。

具体的，本发明中的基本阵元的基本对频率为300GHz-380GHz太赫兹波的相位和幅度调制性能如图3所示，基本阵元的复合微结构使用场路联合分析方法，即太赫兹偶极子天线串联GaN SBD的集总电路模型优化得到，谐振频点即为移相器的工作中心频点，从图3中可以获悉，基本阵元的S参数、反射太赫兹波的相位随肖特基二极管的电容连续变化，且反射幅度较高，大于-5dB。

具体的，请再次参阅图1，本发明中的M×N个基本阵元的行方向与太赫兹偶极子天线的偏振方向平行，列方向与基本阵元的馈线方向平行，同一列的M个基本阵元的馈线相互串联形成线列，每一列的的M个基本阵元的电压相同，M×N个基本阵元中的N列基本阵元可以在正交于馈线的方向上(太赫兹偶极子天线的偏振方向)形成相位梯度，实现太赫兹波束的偏转；

具体的，由于本发明中的基本阵元的核心控制器件为GaN SBD，因此，基于本发明中的基本阵元获得的移相器阵列/太赫兹相控阵表面具有高速波束调控能力，可进行高速波束扫描，该太赫兹相控阵表面的相位配置更新速率大于10MHz，并且，该太赫兹相控阵表面的工作带宽、插入损耗由基本阵元决定，太赫兹相控阵表面的工作频段为330GHz-350GHz，插入损耗6-9dB。更具体的，本发明提供的太赫兹相控阵表面可实现太赫兹波束的扫描角度范围为±30°，图4a、图4b、图4c、图4d分别示出了本发明提供的太赫兹相控阵表面实例的0°、10°、20°和30°波束调控特性，在负方向的波束特性相同，因此，本发明提供的太赫兹相控阵表面可实现的波扫扫描角度范围为±30°。

具体的，请再次参阅图1，本发明提供的太赫兹相控阵表面分为两个功能部分，即控制电路引脚和移相器阵列部分，控制电路引脚用于与外部高速控制电路连接，连接方式为金线键合，移相器阵列部分是相控阵表面的功能区域，该区域行使相控阵表面的波束调控功能，控制原理即为上文所述每个线列的偏置电压不同，则太赫兹波的反射相位不同，在相控阵表面上形成所需的相位梯度，因此太赫兹波束发生偏转。当然，本发明还可根据数字编码相控阵的相位配置需求，在太赫兹相控阵表面配置1-bit数字编码相位梯度，从而实现太赫兹波的数字调控。

具体的，本发明提供的太赫兹相控阵表面可以通过如下本领域技术人员已知的工艺加工获得，在此不做具体的赘述，例如，本发明提供的太赫兹相控阵表面的制备流程包括：光刻标记沉积、氟离子注入、欧姆接触制备、天线金属蒸镀、电极加厚、晶圆减薄和背底金属蒸镀工艺等。

本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器的基本原理是利用SBD的变容特性调控太赫兹天线的谐振相位，而电容是储能元件，即本发明从机理上降低了基本阵元的插损。以及，本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器，在降低插损的前提下实现了太赫兹波的连续相位调制，因此本发明可同时应用于太赫兹波模拟相位调控和太赫兹波数字相位调控。另外，本发明实施例提供的一种基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器，在基本阵元的工作频率相同时，SBD的阳极电容远大于HEMT栅电容，从而进一步提高了太赫兹相控阵表面的功率容量。

针对传统相控阵技术的技术难度高的缺点，本发明简化了太赫兹相控阵架构，每个基本阵元只使用一个GaN SBD，通过相位调整实现波束偏转，再利用大规模阵列化实现高定向性波束赋形，弥补了无法进行幅度调制的缺陷。针对传统相控阵技术的技术难度高的缺点，本发明简化了太赫兹相控阵架构，每个阵元只使用一个GaN SBD二极管，极大得降低了工程难度。针对传统相控阵技术的技术难度高的缺点，本发明提供的太赫兹相控表面通过外部大功率太赫兹源直接照射，使得系统输出功率远高于传统太赫兹相控阵技术。

需要说明的是，本发明实施例提供的基于肖特基势垒二极管(SBD)的太赫兹空间光直接移相器，其设计的核心是SBD的高频等效电路模型，尽管HEMT也同样作为一种开关器件，HEMT是基于“变阻”方式工作，而SBD是基于“变容”方式工作，两者属于不同的工作模式，在器件设计时，SBD和HEMT的高频小信号模型完全不同，若以HEMT结构替换本发明中的肖特基势垒二极管(SBD)替换为HEMT，则会出现插损大(大于20dB)、移相范围小(小于100°)甚至无明显谐振特性(即不工作)等情况。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。