一種太赫茲波段基于人工微結構結合晶體管的反射天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種亞波長反射天線用單元，具體講是一種Ι-bit反射陣輻射單元及平板反射陣天線，屬于天線技術以及電磁功能器件領域。
【背景技術】
[0002]太赫茲(Terahertz, THz)波是一種亟待開發的新型電磁波譜，通常指頻率介于0.1THz?ΙΟΤΗζ范圍內的電磁波。該頻率范圍位于毫米波與紅外、光之間，具有許多獨特的電磁特性。因而使其在物理、化學、電子信息、成像、生命科學、材料科學、天文學、大氣與環境監測、國家安全與反恐、通信與雷達等領域具有極其重要的潛在利用價值。
[0003]高幀率、高分辨率三維成像雷達要求具有低成本、高增益、實時可控的可重構太赫茲天線掃描技術。目前在毫米波段普遍采用的傳統相控陣孔徑天線通過機械式掃描和多饋源波束成形實現實時可重構，其缺點是復雜的饋電系統、龐大的接收單元模塊、傳輸線饋電系統的高頻損耗等，因此難以滿足太赫茲雷達成像系統對高集成化、大帶寬、高速率、低成本的要求，也難以實現對太赫茲波頻率、極化、輻射特性實時可控的要求。
[0004]電控反射陣列天線利用離散控制器件，如PIN結開關、MEMS開關、鐵氧體器件、石墨稀、液晶等構建反射單元，不需要傳輸線饋電網絡和大量的接收單元，可以實現快速、自適應的天線可重構和波束掃描。
[0005]反射天線是利用平面單元的相移特性來補償從饋源發出的入射波至等相位面的路徑差帶來的相位差，從而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可調控的反射陣兼備了反射面天線和相控陣天線的特點。但是傳統的反射陣在高頻段尤其是太赫茲波段存在加工工藝和偏置網絡結構的限制，限制了反射陣天線的電控設計。
[0006]近年來隨著半導體材料及技術的發展，電控晶體管展現出了卓越的表現，成為了當今微電子產業的核心。微結構單元及陣列是指將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元諧振結構周期性或非周期性地排列所構成的一種人工電磁周期陣列結構，可通過人為地設計諧振單元，控制其對外加電磁場的響應特性以及電磁特性，人工微結構目前包含頻率選擇表面結構(FSS)、人工超材料(metamaterial)等。隨著近代微細加工技術的發展，人工微結構在無源功能器件的發展中起到了巨大的推動作用，在微波毫米波段、太赫茲波段以及光波段都研制出多種相關功能器件。
[0007]Hirokazu Kamoda等人利用pin結二極管加載的貼片天線實現了 60Ghz的電控掃描[1]，其結構單元，其單元層較多，結構復雜，現有工藝在太赫茲頻段很難實現，而且在pin結二極管的響應速率較慢，很難實現高速掃描。介于上述現有的缺點和難點，本設將晶體管和人工微結構結合并巧妙的結構設計，使得饋電與反射單元處于同一層，大大降低了制作難度的同時，提高了單元相位響應時間，從而提高了整個反射陣的掃描速率。
[0008]本發明通過將電控晶體管與人工微結構巧妙并有效的結合加利用，提出的一種基于人工微結構結合晶體管的單層反射陣單元及反射陣列，可以制作出對太赫茲電磁波反射調控的新型反射單元，提高了波束掃描速度并克服了現有的工藝和技術的不足。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、易加工、損耗小的反射陣列天線，主要通過將人工微結構和電控晶體管陣列相結合，通過對晶體管結構的通斷控制，實現天線波束的電控掃描。
[0010]本發明解決所述技術問題采用的設計方案為，設計出在特定頻點上對太赫茲電磁波具有頻率響應的人工微結構反射陣列，之后利用微電子加工工藝將陣列結構與晶體管相結合，并通過外加電壓控制晶體管的通斷。最終通過電控改變結構諧振模式來實現單元散射特性的改變從而實現對反射相位的控制。其相移控制的機理具體為當晶體管處于截斷狀態時，諧振單元結構電容片對入射太赫茲波電場分量呈現很強的電容效應，而晶體管導通時，電容片間形成連接，原先的電容效應消失，由于電容的改變，使得諧振改變，從而改變反射相位。
[0011]因而本發明一種太赫茲波段基于人工微結構結合晶體管的反射天線，包括:金屬地板、位于金屬地板上的介質基板、位于介質基板上的反射天線陣列，其特征在于介質基板為半導體材料；反射天線陣列的每個單元天線為金屬貼片；針對每列單元天線設置兩條陰極金屬饋線，分別位于該列單元天線的兩側，其中一條連通該列全部單元天線，另一條懸空，天線陣列中所有陰極金屬饋線連接同一外加陰電極；針對每列單元天線，其中每個金屬貼片與懸空的陰極金屬饋線之間分別相對伸出一“T”型枝節，每一相對的“T”型枝節的頂部設置于一歐姆貼片上，歐姆貼片設置于介質基板上，在各歐姆貼片上設置通過摻雜的異質材料用以連接相對的“T”型枝節頂部；針對每列單元天線設置一條陽極金屬饋線，該陽極金屬饋線穿過該列所有“T”型枝節頂部之間的摻雜異質材料，并且反射天線中所有陽極金屬饋線分別與外接的數字編碼饋電接口相連，并最終由數字編碼電路分別加載電壓；通過外加陽電極與外加陰電極之間的電壓差來控制“ τ ”型枝節頂部之間的摻雜異質材料的載流子濃度，實現通斷切換，從而調制該反射天線反射信號。
[0012]進一步的，所述基板為藍寶石、高阻娃、InP、GaAs或碳化娃。
[0013]進一步的，所述饋線及單元貼片為Au、Ag、Cu或Al。
[0014]進一步的，歐姆貼片的材料為T1、Al、Ni或Au。
[0015]進一步的，摻雜異質材料可以為AlGaN/GaN、InGaN/GaN或AlGaAs/GaAs。
[0016]所述人工微結構反射陣列為多個單元構成的M*N的陣列，其中M>2，N>20
[0017]本發明的有益效果是:(1)、晶體管具有快速調制功能，所以將其作為本發明的核心動態功能材料，可實現尚速的切換特性，最終實現天線的尚速掃描。(2)、本發明中米用一.維平面人工微結構，通過單層陣列實現對太赫茲波的相位調控，并且該結構簡單可通過微細加工手段實現，工藝成熟，易于制作。(3)、本發明通過電控來進行工作，而不需要外加光激勵、溫度激勵等其他較為復雜的激勵方式，使得該器件在小型化、實用化與產量化方面具有很大的優勢。(4)、本發明所設計的反射結構，通過改變晶體管的通斷即可實現電磁波反射相位的變化，并最終通過相位控制實現反射面天線的波束掃描。
【附圖說明】
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[0018]圖1為基于晶體管器件的太赫茲單層反射陣單元結構陣列示意圖。
[0019]圖2為基于晶體管器件的太赫茲單層反射陣單元結構正面示意圖。
[0020]圖3為單元