太赫兹混频天线和准光混频模块

摘要

本发明提供了太赫兹混频天线和准光混频模块。太赫兹混频天线包括第一、第二肖特基二极管、平面天线、隔直电容；第一肖特基二极管阴极与第二肖特基二极管阳极通过隔直电容相连，第一肖特基二极管阳极与第二肖特基二极管阴极直接相连或通过电阻相连；肖特基二极管位于平面天线的射频馈电端口；射频信号和本振信号通过平面天线由空间耦合馈入，经过肖特基二极管混频后输出中频信号，中频信号由平面天线最外侧以导行电流形式输出。准光混频模块包括太赫兹混频天线、偏置与中频电路和平面传输线。本发明的混频天线和准光混频模块可工作于亚谐波混频模式或基波混频模式，便于与标准电路接口连接；对混频天线加载直流偏置，降低了对本振功率的需求。

说明书

技术领域

本领域涉及太赫兹波探测技术领域，特别是涉及一种太赫兹混频天线和准光 混频模块。

背景技术

太赫兹是最后一段被开发的电磁频谱。太赫兹辐射的独特性能使得太赫兹成 像技术成为当今研究热点之一。太赫兹探测器是太赫兹成像的关键部件之一，其 核心是太赫兹天线与混频器。为了实现探测器的小型化，可以将天线与混频器集 成起来，即混频天线，也称为太赫兹混频天线。

太赫兹混频天线是一种将天线耦合和频率变换结合在一起的器件，具有以下 特点：易于加工与实现，必要时可以借助加工精度很高的半导体工艺与光学工艺； 结构紧凑、体积小、质量轻；当大量生产时，成本低于波导基器件；由于在输入 射频处采用了天线与非线性器件相结合的方法，从而避免了传输线损耗；平面结 构，易于集成易于形成二维阵列，单元一致性好；相比于开放结构的混频器，稳 定性好；频带宽，波导基器件的频带主要受限于波导主模的工作频率。

正是由于具有以上优点，太赫兹混频天线广泛应用于成像、射电天文、通信 等领域。尤其是在焦平面成像领域，太赫兹混频天线是一种低成本、小体积、易 于形成阵列的方案，因此具有广泛的应用前景，是太赫兹波探测装置方面的一个 有效选择。

由于太赫兹仍是一个技术尚不成熟的领域，尤其是太赫兹源不易获取，因此， 采用亚谐波混频形式是实现太赫兹信号相干检测的有效途径。即，射频信号频率 f_RF，本振信号频率f_LO以及中频信号频率f_IF满足以下关系：

2n·f_LO±f_IF＝f_RF  n为整数

由于对二极管加载偏置可以降低对本振功率的需求。所以，通常都会对混频 芯片设置直流偏置端口。但是因为亚谐波混频天线中的二极管对是反向相连的， 因此无法对二极管进行同时馈电偏置。

采用半导体工艺实现的太赫兹混频天线可以具有更紧凑的结构，从而可以满 足多波束系统或者相控阵系统的布阵要求。为了保证天线性能，可以实现反向平 行二极管对的偏置，合理的芯片结构显得尤为重要。

如果直接对太赫兹混频天线，尤其是亚谐波混频天线加载直流偏置并且引出 直流信号，会导致中频信号或者某个二极管的短路，也或者会导致直流偏置电流 的短路，从而使混频天线失效。对于太赫兹混频天线来说，亚谐波混频采用反向 平行二极管对，而基波混频采用单个二极管；传统的亚谐波混频天线无法实现基 波混频，因为奇次谐波分量被抑制在二极管对中。目前还没有既可以工作于亚谐 波混频模式，又可以工作在基波混频模式的混频天线的相关报道。这极大地约束 了亚谐波混频天线的应用范围。

由于太赫兹混频天线的射频信号和本振信号通过天线耦合，因此，需要一种 天线，既能够耦合射频频段信号，又能够耦合本振频段信号。对于基波混频来说， 由于射频信号与本振信号频率接近，因此，天线很容易设计实现；但是，对于亚 谐波混频来说，由于本振信号是射频信号的一半或者更低，因此，天线一般采用 宽频带天线。由于宽频带天线能够辐射射频频段、本振频段，以及两者间频段的 信号，因此，所产生的谐波分量若落于射频频段附近、本振频段附近或者两者之 间，则会发生二次辐射，从而导致了一部分射频能量的损失。

发明内容

本发明是鉴于上述问题所提出的，其目的是提出一种太赫兹混频天线，既可 以实现亚谐波混频，又可以实现基波混频；可以使其中的一对反向肖特基二极管 的两个肖特基二极管同时偏置，从而降低对本振功率的需求。

本发明的另一个目的是提出一种混频天线芯片结构，结构简单，且能够实现 一对反向平行肖特基二极管的偏置，又不影响平面天线的性能。

本发明的另一个目的是提出一种平面天线(即片上天线)结构，可以实现射 频信号和本振信号的空间耦合，同时使各次谐波继续参与混频，提高混频效率。

本发明的另一个目的是提出一种中频与偏置电路，可以实现对太赫兹混频天 线的偏置以及混频芯片的中频平衡式信号的提取，将平衡式信号变换成不平衡信 号，并进行放大，方便了与后续电路的连接；另外，控制太赫兹混频天线的工作 模式，可以在亚谐波混频模式和基波混频模式进行切换。

根据本发明的第一方面，提供了一种太赫兹混频天线，包括平面天线、一对 肖特基二极管)、第一隔直电容；所述一对肖特基二极管包括第一肖特基二极管 和第二肖特基二极管，第一肖特基二极管和第二肖特基二极管是两个独立的、性 能相同的二极管，第一肖特基二极管的阴极与第二肖特基二极管的阳极通过第一 隔直电容相连，第一肖特基二极管的阳极与第二肖特基二极管的阴极直接相连或 通过电阻相连；所述一对肖特基二极管位于平面天线的射频馈电端口；射频信号 与本振信号为空间信号，射频信号通过平面天线由空间耦合馈入，本振信号通过 平面天线由空间耦合馈入，由平面天线所耦合馈入的射频信号和本振信号经过一 对肖特基二极管混频后，输出中频信号，中频信号由平面天线最外侧以导行电流 形式输出。

当给第一肖特基二极管和第二肖特基二极管同时施加直流偏置时，所述混频 天线工作于亚谐波混频模式，射频信号频率是本振信号频率的偶数倍，并且所述 混频天线仅能输出偶数次谐波分量；当给第一肖特基二极管和第二肖特基二极管 之一施加直流偏置时所述混频天线工作于基波混频模式，射频信号频率与本振信 号频率基本一致。

所述平面天线至少工作在两个频段，并且这两个频段具有倍频程关系；或者 这两个频段具有宽带特性，带宽可以覆盖几个倍频程。平面天线采用宽带天线， 宽带天线为蝶形天线、对数周期天线或者螺旋天线。所述混频天线输出的信号频 谱分量为：|mf_RF±nf_LO|，其中m±n为奇数，f_RF、f_LO和f_IF满足2n·f_LO±f_IF＝f_RF， n为整数，f_IF是中频信号频率，f_LO是本振信号频率，f_RF是射频信号频率。

所述混频天线采用半导体工艺制作，所述混频天线的芯片是以半绝缘GaAs 层为衬底，在半绝缘GaAs层上形成重掺杂n+型砷化镓层，在重掺杂n+型砷化 镓层上形成轻掺杂n-型砷化镓层；二氧化硅层形成在轻掺杂n-型砷化镓层上， 重掺杂n+GaAs层42的浓度为10¹⁸cm^-3量级，轻掺杂n-GaAs层的浓度为10¹⁶-10¹⁷cm^-3量级；所掺杂质为硅；所述一对肖特基二极管是空间上平行且反向的 一对肖特基二极管，第一肖特基二极管的上平面和第二肖特基二极管的上平面在 同一平面，第一肖特基二极管的下平面和第二肖特基二极管的下平面在同一平 面。

第一肖特基二极管包括第一肖特基接触阳极、第一欧姆接触阴极、第一电镀 引线、第一肖特基阳极延伸压点，在二氧化硅层开有小孔，第一肖特基接触阳极 位于小孔中，第一肖特基接触阳极与轻掺杂n-型砷化镓层接触形成肖特基结；第 一欧姆接触阴极形成在重掺杂n+型砷化镓层上；第一电镀引线形成在二氧化硅层 和第一肖特基接触阳极上；第一肖特基阳极延伸压点形成在二氧化硅层上；第一 肖特基接触阳极延伸压点通过第一电镀引线与第一肖特基接触阳极相连。

第二肖特基二极管包括第二肖特基接触阳极、第二欧姆接触阴极、第二电镀 引线、第二肖特基阳极延伸压点，在二氧化硅层开有小孔，第二肖特基接触阳极 位于小孔中，第二肖特基接触阳极与轻掺杂n-型砷化镓层接触形成肖特基结；第 二欧姆接触阴极形成在重掺杂n+型砷化镓层上；第二电镀引线形成在二氧化硅层 和第二肖特基接触阳极上；第二肖特基阳极延伸压点形成在二氧化硅层和金属 上；第二肖特基接触阳极延伸压点通过第二电镀引线与第二肖特基接触阳极相 连。

第一肖特基二极管的阳极延伸压点作为第一隔直电容的上电极，第二肖特基 二极管的欧姆接触阴极作为第一隔直电容的下电极，位于第一肖特基二极管的阳 极延伸压点和第二欧姆接触阴极之间的二氧化硅层作为第一隔直电容的电介质， 从而实现第一肖特基二极管的第一肖特基接触阳极与第二肖特基二极管的第二 欧姆接触阴极之间的第一隔直电容连接。

第二肖特基二极管的第二肖特基阳极延伸压点通过金属与第一肖特基二极 管的第一欧姆接触阴极相连，从而实现第一肖特基二极管的第一欧姆接触阴极与 第二肖特基二极管的第二肖特基接触阳极。

平面天线的图形由高电导率的金属形成，平面天线包括两极图形，平面天线 的一极的第一天线金属和平面天线的另一极的第二天线金属均位于半绝缘GaAs 层上，第一天线金属与第二肖特基二极管的第二欧姆接触阴极直接相连；第二天 线金属与第一肖特基二极管的第一欧姆接触阴极直接相连。

在两个肖特基接触阳极之间存在腐蚀沟道，实现两个肖特基结电流隔离；所 述沟道的深度不小于n+型砷化镓、n-型砷化镓以及二氧化硅的厚度之和。

沟道形状为反锥形，沟道的下表面与半绝缘GaAs层接触，沟道的上表面与 所述电镀引线接触，沟道的侧面从沟道的下表面相对于半绝缘GaAs层成预定的 角度延伸到上表面，沟道的上表面大于沟道的下表面，沟道在二氧化硅层的部分 位于所述肖特基接触阳极延伸压点与所述肖特基接触阳极之间并且不与所述肖 特基接触阳极延伸压点和所述肖特基接触阳极接触。

第一隔直电容的上电极为直流偏置馈点；第一隔直电容的下电极为中频信号 馈出点。

平面天线具有平衡式结构，平面天线的两极图形以中心为镜像对称；平面天 线从中心向外分为三个部分，依次为：射频有效辐射区、本振有效辐射区、中频 引出区；射频有效辐射区的极化形式可以是圆极化或者线极化；本振有效辐射区 的极化形式为线极化，中频引出区的长度远小于中频信号的波长；中频引出区还 包括压焊点。

平面天线的图形由高电导率的金属形成，通过半导体工艺制作在半绝缘砷化 镓衬底上，形成平面天线图形的金属的厚度不小于本振信号频率的趋肤深度。

可选择地，所述混频天线的射频有效辐射区为螺旋天线或者蝶形天线，中频 引出区仅由压焊点组成，压焊点的尺寸为200um×200um的方形。

可选择地，所述混频天线为220GHz的亚谐波混频天线；射频有效辐射区采 用线极化的对数周期天线形式，工作频段为200-240GHz，线极化的对数周期天 线的尺寸参数为：外径＝130um，齿数＝3，内外径比＝1.8；本振有效辐射区采用 偶极子天线形式，工作频率为109GHz，偶极子天线的尺寸参数为：径长＝260um， 张角＝90°；中频引出区仅由压焊点组成，压焊点的尺寸为200um×200um的方 形。

根据本发明的第二方面，提供了一种准光混频率模块，包括偏置与中频电路、 平面传输线和前面所述混频天线；偏置与中频电路包括第一扼流电感、第二扼流 电感、第二隔直电容、第三隔直电容、巴伦和低噪声放大器；第一扼流电感为所 述混频天线提供直流偏置，第一扼流电感的一端与直流电压Vcc连接，第一扼流 电感的另一端与所述混频天线的第二肖特基二极管阳极相连；第二扼流电感的 一端接地，另一端通过平面传输线与所述混频天线的第一肖特基二极管的阴极相 连，为所述混频天线的直流偏置提供直流回路，第一扼流电感和第二扼流电感对 直流信号导通以及扼制中频信号以及比中频信号的频率高的信号；所述混频天线 输出的中频差分信号分别经由第二隔直电容和第三隔直电容到巴伦的平衡端，经 过巴伦的平衡-不平衡的变换后，再由低噪声放大器放大后输出；所述混频天线 工作于亚谐波混频模式。

所述准光混频率模块还可以包括第三扼流电感和单刀单掷开关；第三扼流电 感的一端接地，另一端与单刀单掷开关的一端相连，单刀单掷开关通过平面传输 线与所述混频天线的第一肖特基二极管的阳极相连，所述第三扼流电感对直流信 号导通以及扼制中频信号以及比中频信号的频率高的信号；当单刀单掷开关闭合 时，直流偏置电流将经过第一扼流电感、第二肖特基二极管、单刀单掷开关、第 二扼流电感，第二肖特基二极管工作，而第一肖特基二极管的两端均是直流接地， 从而第一肖特基二极管不工作，所述混频天线工作于基波混频模式；当单刀单掷 开关断开时，给第一肖特基二极管和第二肖特基二极管同时施加直流偏置，所述 混频天线工作于亚谐波混频模式。

此外，所述混频天线输出端到巴伦平衡端的两段电路是相对于所述混频天线 轴对称的，保证平衡信号的平衡度。

本发明具有以下技术优点和有益效果：在不影响太赫兹混频天线的辐射性能 的前提下，可以对亚谐波混频芯片加载直流偏置，降低了对本振功率的需求，并 且结构简单易于实现；利用偏置与中频网络有效地提取出混频芯片的中频平衡式 信号，并将混频芯片上的信号变换成不平衡式信号，方便了与标准电路接口的连 接，并且可以控制亚谐波混频天线工作在基波混频模式或者亚谐波混频模式。

附图说明

应说明的是，下面描述中的附图仅示意地示出了一些实施例，并没有包括所 有可能的实施例。

附图1是本发明所提出的太赫兹混频天线结构示意与工作原理图；

附图2a是亚谐波工作模式下，变频损耗随本振功率的变化图；

附图2b是亚谐波工作模式下，变频损耗随偏置电压的变化图；

附图3a是太赫兹混频天线芯片结构的局部示意图；

附图3b是太赫兹混频天线芯片结构的局部示意图；

附图4是本发明所提出的准光混频率模块的结构示意图；

附图5是本发明所提出的平面天线结构示意图。

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，下面结合附图描述本发明的 示例性实施例的技术方案。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的 限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

尽管本申请中使用了词语第一、第二等来描述多个元件或构成部分，这些元 件或构成部分不应受这些词语的限制。这些词语仅用于区分一个元件或构成部分 和另一元件或构成部分，而不包含“顺序”。因此，将下面讨论的第一元件或构 成部分称为第二元件或构成部分也没有超出本发明的构思和范围。

图1给出了本发明太赫兹混频天线实施例的结构示意图。如图1所示，太赫 兹混频天线包括平面天线104、一对肖特基二极管105、隔直电容108以及低电 阻109。所述一对肖特基二极管105是空间上平行且反向的一对肖特基二极管 105。射频信号101与本振信号102为空间信号，可以通过平面天线104耦合， 从空间自由辐射形式变换成平面导行电流形式。所耦合下来的射频信号与本振信 号经过一对反向平行肖特基二极管105混频后，输出中频信号1031、1032。一对 反向平行肖特基二极管105由第一肖特基二极管106和第二肖特基二极管107组 成。第一肖特基二极管106和第二肖特基二极管107具有相同的电性能；且第一 肖特基二极管106的阴极与第二肖特基二极管107的阳极通过一个隔直电容108 相连，第一肖特基二极管106的阳极与肖特基二极管107的阴极直接相连或通过 一个电阻109相连。隔直电容108相对于射频信号频率f_RF、本振信号频率f_LO以 及中频信号频率f_IF呈现低阻抗特性，几乎可以无损耗地通过射频信号频率f_RF、 本振信号频率f_LO以及中频信号频率f_IF；但是，隔直电容108对于直流信号具有 隔离作用。电阻109具有极低的电阻值，量级在10^-3Ω以下，几乎对射频信号、 本振信号、中频信号以及直流信号没有损耗。所述混频天线输出的信号频谱分 量为：|mf_RF±nf_LO|，其中m±n为奇数。f_RF、f_LO和f_IF满足2n·f_LO±f_IF＝f_RF(n 为整数)。

附图2a是亚谐波工作模式下，变频损耗随本振功率的变化图，附图2b是亚 谐波工作模式下，变频损耗随偏置电压的变化图。f_RF＝220GHz，f_LO＝109GHz， f_IF＝2GHz。肖特基二极管106和肖特基二极管107的性能均为：级联电阻Rs＝4 Ohm，理想因子n＝1.2，结电容Cj0为5.8fF，反向击穿电压为5V。图2(a)为变 频损耗随本振功率的变化图；当本振功率为11.5dBm时，可以得到最优变频损 耗9.54dB，如图2(a)中m1所示。若本振功率小于11.5dBm，尤其是小于7dBm， 变频损耗将会恶化。

在一些情况下，由于本振功率空间损耗，或者应用条件无法提供足够的本振 功率，因此，太赫兹混频天线的变频损耗会变差。在太赫兹接收机中，由于可用 的太赫兹低噪声放大器还不是十分成熟，因此，通常混频器件直接作为接收机的 第一级。根据级联系统噪声公式：

$F_{\mathrm{casc}}=F_1+\frac{F_2-1}{G_1}+\frac{F_3-1}{G_1{G}_2}+···+\frac{F_n-1}{\underset{N=1}{\overset{n-1}{\Pi }}{G}_N}$

系统噪声取决于第一级的噪声以及增益。因此作为第一级，太赫兹混频天线的噪 声和变频损耗(变频增益的倒数)就显得十分重要。由图2(a)可以看出，本振功 率为0dBm时，变频损耗会恶化至72dB左右，恶化程度在10⁶量级。为了降低 变频损耗，可以对二极管加载直流偏置。图2(b)给出了反向平行二极管对加载正 向偏置时，变频损耗随着各二极管偏置电压的变化图。可以看出，当偏置电压为 1.3V时，即每个二极管的偏置为0.65V时，可以获得最小的变频损耗，为13.8 dBm，如图2(b)中m2所示，相对于最优变频损耗9.54dBm，仅恶化了4.26dB。 因此，只要后级使用低噪声器件(这在中频频段很容易实现)，就不会对系统噪 声产生太大影响。

图3a是太赫兹混频天线芯片结构的局部示意图，给出了第一肖特基二极管 106的结构以及第一肖特基二极管106与第二肖特基二极管107的电极和平面天 线金属连接的结构示意图。

图3b是太赫兹混频天线芯片的结构的局部示意图，图3b给出了第二肖特基 二极管107的结构以及第二肖特基二极管107与第一肖特基二极管106的电极和 平面天线金属连接的结构示意图。

太赫兹混频天线芯片1是以半绝缘GaAs材料为衬底的。在半绝缘GaAs材 料上自下而上依次为：重掺杂n+GaAs层42，轻掺杂n-GaAs层43。n+GaAs层 42的浓度为10¹⁸cm^-3量级，n-GaAs层43的浓度为10¹⁶-10¹⁷cm^-3量级，所 掺杂质例如为硅。

肖特基二极管106与肖特基二极管107的连接方式是通过半导体外延材料的 腐蚀、金属化、氧化物淀积等方法实现的。

如图3a所示，第一肖特基二极管106包括第一肖特基接触阳极51、第一欧 姆接触阴极52、第一电镀引线53、第一肖特基阳极延伸压点54，在二氧化硅层 44开有小孔，第一肖特基接触阳极51位于小孔中，第一肖特基接触阳极51与轻 掺杂n-型砷化镓层43接触形成肖特基结；第一欧姆接触阴极52形成在重掺杂n+ 型砷化镓层42上；第一电镀引线53形成在二氧化硅层44和第一肖特基接触阳 极51上；第一肖特基阳极延伸压点54形成在二氧化硅层44上；第一肖特基接 触阳极延伸压点54通过第一电镀引线53与第一肖特基接触阳极51相连。

如图3b所示，第二肖特基二极管107包括第二肖特基接触阳极61、第二欧 姆接触阴极62、第二电镀引线63、第二肖特基阳极延伸压点64，在二氧化硅层 44开有小孔，第二肖特基接触阳极61位于小孔中，第二肖特基接触阳极61与轻 掺杂n-型砷化镓层43接触形成肖特基结；第二欧姆接触阴极62形成在重掺杂n+ 型砷化镓层42上；第二电镀引线63形成在二氧化硅层44和第二肖特基接触阳 极61上；第二肖特基阳极延伸压点64形成在二氧化硅层44和金属73上；第二 肖特基接触阳极延伸压点64通过第二电镀引线63与第二肖特基接触阳极61相 连。

如图3a和3b所示，第一肖特基二极管106的第一肖特基接触阳极金属51 和第二肖特基二极管107的第二肖特基接触阳极61分别位于n-GaAs层43上； 第一肖特基二极管106的第一欧姆接触阴极52和第二肖特基二极管12的第二欧 姆接触阴极62分别位于n+GaAs层42上。第一肖特基接触阳极金属51和第二肖 特基接触阳极61分别有二氧化硅44保护起来，并且二氧化硅44也作为第一隔 直电容(片上电容)14的电介质。所述一对肖特基二极管106、107是空间上平 行且反向的一对肖特基二极管106、107，第一肖特基二极管106的上平面和第二 肖特基二极管107的上平面在同一平面，第一肖特基二极管106的下平面和第二 肖特基二极管107的下平面在同一平面。

第一肖特基二极管的阳极延伸压点54作为第一隔直电容14、108(即片上电 容)的上电极，第二肖特基二极管的欧姆接触阴极62作为第一隔直电容14、108 的下电极，位于第一肖特基二极管的阳极延伸压点54和第二欧姆接触阴极62之 间的二氧化硅层44作为第一隔直电容14，108的电介质，从而实现第一肖特基 二极管的第一肖特基接触阳极51与第二肖特基二极管的第二欧姆接触阴极62之 间的第一隔直电容14、108连接。

第二肖特基二极管的第二肖特基阳极延伸压点(64)通过金属(73)与第一 肖特基二极管的第一欧姆接触阴极(52)相连，从而实现第一肖特基二极管的第 一欧姆接触阴极(52)与第二肖特基二极管的第二肖特基接触阳极(61)；

平面天线的图形由高电导率的金属形成，平面天线104、13)的一极的第一 天线金属71和平面天线104的另一极的第二天线金属72均位于半绝缘GaAs层 41上，第二天线金属72与第一肖特基二极管的第一欧姆接触阴极52直接相连， 第一天线金属71与第二肖特基二极管的第二欧姆接触阴极62直接相连；第一天 线金属71和第二肖特基二极管的欧姆接触阴极62作为第一隔直电容14的下电 极，第一隔直电容14的上电极为直流偏置馈点；第一隔直电容14的下电极为中 频信号馈出点。

第一隔直电容14为金属-绝缘-金属的垂直结构；不影响天线的辐射性能和阻 抗性能，能够实现一对两个肖特基二极管之间的一端直流隔离。

为了保证第一肖特基二极管106和第二肖特基二极管107不会同向短路，使 用腐蚀沟道74实现第一肖特基二极管106和第二肖特基二极管107的同向隔离。 腐蚀沟道74的深度不小于n+GaAs层42、n-GaAs层43以及二氧化硅层的厚度 之和。沟道74形状为反锥形，沟道74的下表面与半绝缘GaAs层(41)接触， 沟道(74)的上表面与所述电镀引线(53、63)接触，沟道(74)的侧面从沟道 (74)的下表面相对于半绝缘GaAs层(41))成预定的角度延伸到上表面，沟道 (74)的上表面大于沟道(74)的下表面，沟道(74)在二氧化硅层(44)的部 分位于所述肖特基接触阳极延伸压点(54，64)与所述肖特基接触阳极(51，61) 之间并且不与所述肖特基接触阳极延伸压点(54，64)和所述肖特基接触阳极(51， 61)接触。

图4为本发明所提出的太赫兹混频天线以及中频与偏置电路结构示意图。一 个完整的准光混频率模块包括了亚谐波混频天线芯片1、偏置与中频电路2以及 平面传输线3。亚谐波混频天线芯片1包括了反向平行肖特基二极管对，平面天 线13，第一隔直电容(即片上隔直电容)14。其中反向平行肖特基二极管对由在 空间上平行、在电性能上反向导通的肖特基二极管11和肖特基二极管12构成。 肖特基二极管11的阳极与肖特基二极管12的阴极是直接相连的；肖特基二极管 11的阴极与肖特基二极管12的阳极是通过片上隔直电容14相连的。肖特基二极 管11与肖特基二极管12具有相同的电性能，片上隔直电容14的容值为1.22pF， 可以有效地对220GHz的信号形成通路，并实现隔离直流的作用。平面天线13 具有至少两个频段，这两个频段至少相差一个倍频程，两个频段的带宽甚至横跨 几个倍频程。

图4中所示的偏置与中频电路2包括扼流电感21、隔直电容22、扼流电感 23、隔直电容24、扼流电感25、_巴伦26和低噪声放大器27。扼流电感21用于 为太赫兹混频天线芯片1提供直流偏置；扼流电感23为混频天线1的直流偏置 提供直流回路，同时，为混频分量中的直流分量提供直流接地。扼流电感21和 扼流电感23能够扼制住中频信号甚至更高频率的信号，典型值为47nH。隔直 电容22和隔直电容24用于隔离直流偏置的直流电流以及混频分量中的直流分 量，能够通过中频信号，典型值为10pF。巴伦26用于将所述混频天线芯片1输 出的中频信号，从平衡模式转变成不平衡模式，工作频率与中频一致。平衡端的 两个端子分别与隔直电容22和隔直电容24相连，不平衡端的端子与低噪声放大 器27相连。最终，中频信号通过低噪声放大器27放大后输出。

当开关28断开时，直流偏置电流将依次经过肖特基二极管12、肖特基二极 管11、扼流电感23到地，因此肖特基二极管12和肖特基二极管11均处于偏置 状态；并且，由于肖特基二极管12和肖特基二极管11具有相同的电性能，因此 两者的偏置状态相同，混频天线1工作于亚谐波混频模式，射频信号频率是本振 信号频率的偶数倍，并且混频天线1仅能输出偶数次谐波分量。

若希望亚谐波混频器工作于基波混频模式，则将开关28闭合。当开关28闭 合时，直流偏置电流将一次经过肖特基二极管12、开关28、电感25；而肖特基 二极管11两端由于均是直流接地，因此被短路，仅有肖特基二极管12工作。在 基波混频模式，射频信号频率与本振信号频率基本一致。开关28例如为单刀单 掷开关。

图5为本发明所提出的平面天线(即片上天线)结构示意图。其结构为平衡 式结构，即平面天线的两极图形以中心为镜像对称的。整个结构从中心向外分为 三个部分，依次为：射频有效辐射区201、本振有效辐射区202、中频引出区203。 其中中频引出区203还包括压焊点204。该天线至少具有两个工作频段，且两个 工作频段之间为倍频程关系。通过半导体工艺，片上天线与肖特基二极管一起， 制作在砷化镓外延材料上。天线金属制作在半绝缘砷化镓层上。为了降低传输损 耗，其天线图形的金属厚度不小于本振信号频率的趋肤深度其射频 有效辐射区201的极化形式可以是圆极化(如螺旋天线，但不限于该形式)或者 线极化(如蝶形天线、对数周期天线，但不限于该形式)；其本振有效辐射区202 的极化形式为线极化。

以220GHz的亚谐波混频应用为例，射频有效辐射区201采用线极化的对数 周期天线形式，工作频段为200-240GHz，对数周期天线的尺寸参数为：外径＝130 um，齿数＝3，内外径比＝1.8；本振有效辐射区202采用典型的偶极子天线形式， 工作频率(即中心频率)为109GHz，偶极子天线的尺寸参数为：径长＝260um， 张角＝90°。为了不影响本振有效区202的中心频率，中频引出区203仅由压焊 点204组成。压焊点的尺寸为200um×200um的方形，不影响天线的频率和辐 射特性；另外，这样的中频引出区203便于与中频电路采用金丝压焊或者倒装焊 的形式。

以上对本发明的实施例的描述仅用于说明本发明的技术方案，而不是对本发 明范围的限制，本发明并不限于所公开的这些实施例，本领域的技术人员可以对 前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换，而这些修改或替换都应落入本发明的保护范围。