J. C. Chiao - Quasi Optics - 1997 Opto News & Letters

Quasi Optics

Published in the Opto News and Letters No. 64 and No. 65.

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類光學系統 (Quasi-Optics)

喬榮治

J. C. Chiao

貝爾通信研究室研究員

Bell Communications Research

加州理工學院博士

California Institute of Technology

類光學系統 (Quasi-Optical Systems) 的結構雖然和光學類似，但與光學通信和光纖通信並無直接關係，類光學系統的應用主要在無線電通信 (Wireless)上。類光學系統可解決目前微波、毫米波和次毫米波系統應用所面臨的問題，包括損耗過高與輸出功率不足的難題。類光學系統在自由空間，以大量高速固態積體電路元件結合能量 (Power Combining) ，使輸出功率或飽和能量大幅增加。類光學系統已在學術界引起廣泛的重視，雖然目前技術尚未完全發展成熟，但無線通信，輕小型雷達，商業性與學術上應用之需求和使用此技術的優點，使未來類光學系統的發展潛力不容忽視。

類光學之應用 �

微波 (3 -3 0GHz) 、毫米波(30-3 00GHz) 和次毫米波(300 GHz-3THz) 系統的應用已在學術界和工業界引起愈來愈多的重視。雖然高頻微波，毫米波和次毫米波的技術目前尚未發展成熟，使用此一頻率帶的優點和當前對更大頻寬的迫切需求，使未來微波，毫米波和次毫米波系統的發展潛力和市場不容忽視。微波和毫米波的實際應用，包括個人通訊工具﹕ 如行動電話、全球定位系統、衛星通信系統和衛星電視等日常無線通訊器材；以及可攜帶式雷達﹕ 如汽車防撞 (Automobile Crash-Avoidance) 雷達、飛行器導引雷達，雲霧透視雷達等。微波、毫米波和次毫米波在學術方面的應用，包括遙測 (Remote Sensing)﹕ 如地表遙測、海平面遙測、大氣層遙測及目前休關全球人類健康的臭氧層遙測等；和天文探測 � ﹕ 如遠行星輻射頻譜研究及深太空 (Deep space)通信等。微波、毫米波和次毫米波系統 � 使用的波長愈短，元件的尺寸和重量就可相對減少，這對於發展小型精密積體系統，特別是用於航空或太空方面的應用特別具吸引力。同時短波長也提供雷達與影像 (Imaging)系統較大的頻寬和較高的解析度，對於及時預警與導引應用具有其它無線電系統所無法提供的優點。再者，毫米波在大氣中的衰退遠小於紅外線與可見光，因此，毫米波束可穿透雲層、大霧、煙與粉塵，這個特性對於遙測、飛彈追蹤、機場飛行器導引、航機起降雷達及汽車防撞雷達不可或缺。

傳統微波，毫米波和次毫米波組件以金屬共振腔 (Metal Cavity) ，波導管 (Waveguide ) 和角型天線 (Horn Antenna)為基礎。主動元件和波源以真空管及氣體雷射為主。雖然這些組件已足夠提供大部份地面應用之需，但它們通常太重，體積太大，需人工製造，無法融入目前積體電路製造的流程，因此無法大量製造，以降低成本。再者，毫米波和次毫米波在波導管中的能量損耗過大，波源必須使用高能真空管或氣體雷射，這些波源使用高電壓電源，並需大型冷卻系統，使得它們不適合應用於航空器，衛星或太空船上。

近年來，高速固態積體元件技術的發展，促進了微波、毫米波和次毫米波積體組件發展的可能。固態積體元件具有重量輕，可靠性高及低壓電力供應等優點。目前高速電晶體已推進到 300GHz 的操作頻率，而二極體的最高操作頻率已達 1.1THz。這些高速固態積體元件，不僅是實驗室製品，同時它們的製造流程也與工業界積體電路製造技術吻合，因此可大量重複製造。圖 1 列舉一些常見的真空管波源及高速固態積體元件的比較。這些高速固態元件的尺寸因操作波長的變短而變小，但也因此而限制了輸出功率 (Output Power) 與飽和 (Saturation) 能量。為了增加總輸出能量，許多能量結合 (Power Combining) 的技術被應用於元件陣列上，結合許多單一元件的輸出能量以增加總輸出能量。大部份的高頻率波能量結合技術，都是將傳統的低頻微波能量結合方法，依波長的減小而縮小規格用於高頻電路。然而傳統的低頻微波能量結合技術使用 Microstrip Lines，共振腔和波導管等組件。這些結合能量的技術雖然在低頻微波可達到高結合效率，在高頻率卻有許多缺點與限制。例如在高頻率操作下， Microstrip Lines 的輻射損耗和傳導損耗過高，無法供高敏感度接收系統使用。在高頻率下，單模(Single Mode) 共振腔和單模波導管則因波長變小而變得太小，不僅不易製造也造價昂貴；同時單模波導管導致狹頻寬並限制了所能整合元件的數量，因此並不實用。

1986年， Mink [1] 提出了使用類光學的技巧來結合固態元件的輸出能量。一個由許多平面固態元件 (Planar Solid-State Device ) 所組成的格陣列 (Grid Array) ，在自由空間 (Free Space) 中以類似光學的方式耦合，結合與傳輸能量，而不是在單模波導管中或積體電路平面波導 (Planar Waveguide) 的介電物質中進行，不僅因不使用單模波導管，而無操作頻率的限制同時因類似光學的架構而使元件整合的數目大為增加。這個方法對高頻電路，尤其是毫米波和次毫米波組件輸出能量的結合，頗為合適。 Rutledge 和 Schwarz [2] 則首先以實驗示範了類光學的技巧，他們將固態元件整合於 � 一個周期性格陣列(Periodic Grid)上，而成為一個多模偵波器 (Detector) 。其後許多類光學組件包括移相器 (Phase Shifter)，頻率倍增器 (Frequency Multiplier)，振盪器 (Oscillator)，放大器 (Amplifier)，混波器 (Mixer)，波束控制器 (Beam Controller)，開關器 (Switch)，電壓控制振盪器 (Voltage Controlled Oscillator)，耦合器 (Coupler) 和功率振盪器 (Power Oscillator) 逐一被成功發展出來。這些組件示範了類光學能量結合的特點 ﹕ 高功率，較高的操作頻率，較少損耗，簡單的阻抗匹配方法，簡單的分析方法，單一積體的製造方法，及對元件失敗的容忍度較大的優點。

類光學組件原理

圖2 展示一個完整的類光學發送器 (Transmitter) 。類光學系統看起來與光學系統極為類似，類光學組件樹立於自由空間中，各組件之間的距離可任意調整，電磁波束則在自由空間內傳導，當組件上元件相位同步時，電磁波束的波前因此同步而使能量結合。類光學的物理原理與雷射光學相似。但雷射使用光，以氣體為媒介放大信號或產生振盪。類光學則使用微波，毫米波和次毫米波，以固態電晶體放大信號或產生振盪能量。類光學組件可分為無元件組件和元件格矩陣 (Device Grid ) 組件。無元件組件包括鏡子 (Mirror) ，濾波器 (Filter)，阻抗匹配器 (Impedance Tuner) 和濾極器 (Polarizer) 。濾波器和濾極器基本上是表面上鍍有金屬條紋的介電物質板，如 PC 板，矽 (Si) 晶片或砷化鎵 (GaAs) 晶片。垂直金屬條紋濾極器容許水平極性波通過，但反射垂直極性波；水平金屬條紋濾極器容許垂直極性波通過，但反射水平極性波。金屬條紋的寬度和周期決定濾波的頻寬與中心頻率。阻抗匹配器基本上是兩片介電物質板，每片的厚度是中心頻率在此介電物質中波長的四分之一，而兩片介電物質板之間的距離是可調整的，阻抗匹配器與兩側組件之間的距離決定 Reactances，兩片介電物質板之間的距離決定阻抗，因此選擇需要的介電常數，並調整阻抗匹配器在系統中的位置及之間的距離，阻抗匹配器的阻抗可涵蓋整個 Smith Chart。鏡子的功能在等效電路中相當與一個短路，鏡子的位置決定短路之前自由空間傳導線的相位移。

元件格矩陣 (Grid ) 組件的結構較為複雜，等效電路與所使用的元件和介電物質表面的金屬圖案與周期有關。基本的原理如圖 3，假設格矩陣是一個無限大的陣列，我們可以把整個陣列分割成無限個相同的單元(Unit Cell) 。圖 3 例是一個混波器格矩陣，整個結構是由菱形的金屬圖案與二極體所組成。金屬圖案與平面二極體以單一積體電路 (Monolithic) 方式製成於介電物質上，如假設二極體格矩陣是一個無限大的陣列，則每個單元可視為在一個矩形的方格中，由位於方格中心的二極體，與連接二極體兩端的領結 (Bow-tie)天線所組成。對平面波傳導，每一單元在自由空間向前後伸展成為單元波導管 (Unit-Cell Waveguide) ，這種單元波導管與一般實用的波導管不同，實用的波導管完全由金屬組成，而這種虛擬單元波導管的上下面是電場牆 (Electric Wall) ，也就是完美金屬；側面則是磁場牆 (Magnetic Wall) ，也就是完美磁鐵。這種邊界條件 (Boundary Conditions) 允許具有垂直電場極性的平面波在虛擬單元波導管內的傳導，也同時滿足平面波在自由空間通過整個格矩陣的傳導條件。透過這種邊界條件，整個類光學格矩陣的分析，可簡化為虛擬單元波導管的分析，並可進一步簡化為等效電路的分析。金屬圖案的等效電路分析，可使用有限元素法計算出表面電流的分布，再以 Fourier 傳換將表面電流的分布轉換成遠場分布，並進一步以電路元件的形式在等效電路中將金屬圖案表示出來。

這種把元件格矩陣組件的結構分割成無限個相同的單元 (UnitCell) 的方法，適用於比 4x4 大的陣列，在過去幾年內所示範的類光學格矩陣中，都顯示出這種方法的準確性。在暸解單元方法之後，類光學元件格矩陣組件的原理就容易解釋了。金屬圖案的功能有二﹕ 耦合電波進入元件與提供元件阻抗匹配。耦合電波進入元件的功能，可以圖 4 來解釋。圖 4a 和 4b 是二極體元件與耦合天線，耦合天線可為領結天線 (4a)或雙極 (Dipole) 天線 (4b)。耦合天線耦合電場進入二極體，二極體的非線性功能可提供混波或頻率倍增的效果。以混波為例， RF 波由耦合天線進入，轉換成 RF 電流，與由二極體兩端進入的 IF 低頻電流，在二極體中混合後，由原耦合天線輻射出去，因 IF 的頻率比 RF 波要低得多，接收耦合天線和輻射耦合天線應有相同的共振特性，因此二者可使用同一金屬圖案為耦合天線。以頻率倍增功能為例，基本頻率波由耦合天線進入二極體，二極體的非線性功能產生二次以上的諧波 (Harmonics) ，諧波再由原耦合天線輻射出去，因諧波的頻率為基本頻率波的整數倍，諧波的波長與耦合天線的關係，也將為基本波的波長與耦合天線的關係之整數倍，因此耦合天線也會與諧波共振。圖 4c 則是一個簡化的電晶體與耦合天線。電晶體的基極與一水平耦合天線連接，集極與射極與垂直耦合天線連接。水平耦合天線耦合水平極性電場進入電晶體基極，電場轉換成基極電流，電晶體放大信號成集極與射極電流，集極與射極電流流經垂直耦合天線而輻射出去，電場強度因此而放大。這種簡化的結構適用於平面對稱式包裝的電晶體，如圖 4d 所示。另一種方式則是使用相差式 (Differential Pair) 電晶體對，如圖 4e 所示，電晶體對的基極與水平耦合天線連接，集極與射極與垂直耦合天線連接，這種結構的好處是減少共模 (Common Mode) 的產生。

金屬圖案的另一功能是提供元件阻抗匹配。大部份二極體或電晶體的輸出與輸入阻抗，都比自由空間阻抗 (377歐姆 ) 小得多，因此自由空間電場難以有效率的耦合入元件，耦合天線的形狀可以提供所需的阻抗匹配。例如在大部份的格矩陣放大器中使用曲折(Meander Line) 的水平偏壓線 (Bias Line)，可提供更多的電感用來抵消電晶體晶片中多餘的電容。又如領結式耦合天線的共振頻寬比雙極天線要大，因此領結天線常用於混波器以提高混波效率。

在解釋過類光學組件的工作原理後，圖 2 的類光學發送器的功能便容易暸解。格矩陣振盪器產生 RF 基本振盪 (Local Oscillation, LO) 。鏡子的功能為反饋，它的位置 (約為八分之一波長 ) 用來調整振盪的頻率及振幅。產生振盪的電場極性為垂直，向前的垂直電場通過濾波器和濾極器，向後的垂直電場被鏡子反射而回到格矩陣，垂直電場旋轉 90^o 成為水平極性，水平極性電場再度進入電晶體，而被放大成為垂直極性，向前的水平極性電場會被濾極器反射而回到電晶體中。經由這種反複回饋的過程而產生振盪。濾波器和濾極器確定 LO 的頻率和極性。 LO 波投射在混波器上，經由二極體的非線性特性與 IF 信號混合。混波器耦合天線的方向使輸出入電場的極性保持為垂直，輸出電場通過另一濾波器和濾極器投射在格矩陣放大器上。垂直耦合天線耦合垂直電場進入電晶體，水平耦合天線向前後幅射出放大的電場，向前的水平極性電場可通過濾波器和水平濾極器，向後的水平極性電場會被垂直濾極器反射而向前進。未被耦合入電晶體而直穿過放大器的垂直電場，會被水平濾極器反射，而再次耦合入電晶體中被放大成水平極性電場。放大的電場再通過阻抗匹配器。以物理角度來看，阻抗匹配器基本上調整反射與通過前述組件的波，以使駐波減小到最少；以等效電路的角度來看，阻抗匹配器提供前述組件的整體輸出阻抗的匹配阻抗，以使輸出功率達到最大。匹配的輸出電場再通過波束控制器。波束控制器對平面波前提供相位差而改變平面波的行進方向。波束控制器的細節容後詳述。

類光學組件的優點

類光學組件優於傳統的波導管與平面波導，如 Microstrip Line或 Stripline，的優點如下 ﹕

1.高功率。整合大量元件於單一晶片上，因輸入功率平均分布於整個晶片上，每一元件只須負擔一部分有限的能量，因此整體飽和能量及動態範圍可大幅增加。每一元件的輸出功率也許不大，但整體輸出功率與元件的數量成正比，要增加整體輸出功率，只須增加元件的數量，而不必擔心單一元件的負荷。

2. 較高操作頻率。類光學組件沒有單模波導管或單模共振器，因此 � 操作頻率不會因這些 � 組件而被限制。再者，類光學系統內沒有 Microstrip Line 或其它平面波導，因此不必考慮它們的下轉 (Roll-off) 或中斷 ( Cut-off) 頻率與更高模 (Higher Modes) 起始 (Cut-on) � 頻率的限制。

3. 較少損耗。因為類光學組件能量結合於自由空間中，與波導管有關的損耗，如波導管表面 (Waveguide Wall) 損耗，波模 (Modes) 損耗和饋入網路 (Feed Network)損耗都不存在。因使用傳統平面波導所產生的傳導 (Conduction) 損耗，介電 (Dielectric) 損耗和幅射 (Radiation) 損耗，而限制了操作頻率的缺點，也因能量結合於自由空間中而大幅減少。

4. 簡單的阻抗匹配方法。類光學使用鏡子，介電物質板或表面上鍍有金屬條紋 � 的介電物質板來調整整個系統的阻抗，這些組件與其它主動組件分離，因此系統阻抗匹配不涉及主動元件或組件的設計與製造。許多時候，主動元件的設計與製造前的模擬，和製造後的測量表現有一段差距，使用傳統的平面波導組件的設計者必須重新設計與修改電路，以滿足阻抗匹配的條件。類光學組件則無此缺點，阻抗匹配組件的設計與製造，較主動元件的設計與製造簡單許多，因此即使主動元件未 � 盡如模擬所願 � ，僅調整阻抗匹配組件也可得到近似原設計的結果。

5. 簡單的分析方法。雖然類光學看起來像光學系統，組件的分析卻可以使用簡單的微波傳導線(Transmission � Line) 與 Lumped-Element元件等效電路。組件的大小與等效電路的分析無關。單元 (Unit Cell)的數量與特性 M 定整個組件的表現，而單元的等效電路決定其特性。優點有二 ﹕ 一，因單元的設計決定其特性，一些整體組件的規格改變，如功率要求的改變，僅須改變整個矩陣單元的數量，而不必改變單元內或主動元件的設計；如操作頻率的改變，僅須按波長的比例改變單元的大小；不像傳統的平面波導的設計者，在面對功率要求的改變或操作頻率的改變時，必須重新設計，修改及模擬電路。二，組件的分析使用簡單的微波傳導線模型 (Transmission Line Model) 與元件等效電路，因此設計者可以使用現成的電路分析軟體及電腦輔助設計軟體，如 Spice 和惠普的 MDS (Microwave Design System) 套裝 � 軟體，來設計與模擬類光學組件與系統。將整個矩陣分割成單元的特性，允許設計者使用有效元素法來計算單元內金屬圖案的等效電路，如使用 EMF 技巧或惠普的 HFSS (High Frequency Structure Simulator) 。這些軟體都已發展成熟，因此設計者無須自行重頭進行理論推導與軟體發展。

6. 單一積體電路的製造方法。類光學組件使 � 用傳統的平面單一積體電路 (Planar Monolithic IC) 製造方法，目前的積體電路製造技術足以提供所需及大量製造。更因無需單模金屬波導管的手工，製造流程較簡易且便宜。

7. 對元件失敗的容忍度較大。以直覺判斷，一個整合大量元件的類光學組件，對少數元件失敗的容忍度較大，即使少數元件不運作或不完全運作，整體組件仍可提供滿意的結果。舉 M. Kim 的 10x10 類光學放大器為例 [6]，即使 10% 的電晶體元件不運作，放大器的放大增益也只降低了 1dB 。

類光學組件也有缺點。因為一個組件上整合了大量的元件，元件的製造品質必須提升。傳統單一元件的製造流程中，如果同一晶片上的成品率是 80%，意味著 80% 的元件可供使用；但如果類光學組件同一晶片上的元件成品率是 80%，且良品元件平均分散在晶片上，可能表示無一組件可用，因每一組件上可能都包含了幾個壞元件。因此元件的製造品質必須再提升。類光學技術的另一缺點是缺乏工業界的投入。類光學組件至今仍僅限於大學及研究單位內的研究，如加州理工學院 (Caltech) ，加州大學聖塔芭芭拉分校 (UCSB) ，科羅拉多大學(U. Colorado -Boulder) ，加州大學戴微絲分校(UC-Davis) ，加州大學洛杉磯分校 (UCLA) ，夏威夷大學 (U.Hawaii - Manoa) ，維吉尼亞大學(UVA) ，日本東北大學 (Tohoku) 與太空總署噴射推進實研室(NASA-JPL) 。商業性研究單位僅限於洛克威爾 (Rockwell) 和洛克希德 -馬丁 (Lockheed-Martin)公司。缺少商業化的投資與研發，使得類光學組件系統整合的推展，至今仍停留在純研究的階段，也使組件的製造與標準化發展緩慢。僅管如此，類光學已受到廣泛的注意。舉例而言，無線電通信界重要的會議 IEEE-MTT 國際微波研討會中，類光學已成為分組研討的專題之一。

�

格矩陣振盪器

格矩陣 � 振盪器是最早發展成功的類光學組件。圖 5 為格矩列振盪器的結構。當振盪條件吻合時，格矩陣上的元件會相互鎖定頻率與相位，而產生單一極性的共諧波 (coherent) 幅射。其後的回饋鏡子協助元件達到同步，並促使幅射波向前行進。振盪頻率主決於鏡子的位置，而單元的數量決定總幅射功率。第一個格矩陣振盪器於 1988 年由 Z. Popovic 示範成功， 25 個 MESFET 的格陣列產生 9.7-GHz ， 464-mW 的輸出功率 [3]。最高輸出功率的格矩陣振盪器於由 J. Hacker 示範成功 [4]，如圖 6。他的 10x10 MESFET 振盪器可產生 9.8-GHz， 10.3-W 的輸出功率。表 1 列舉出近年來使用不同的元件及格矩陣結構的類光學振盪器。

頻率 (GHz)	格單元的數量	元件	有效幅射 �功率 ERP(W)	輸出功率 (mW)	效率 (%)
8.3	18	Gunn 二極體	-	123	-
12	6	FET	-	0.4	-
55.8	3	Gunn 二極體	-	3dB/元件	-
9.6	16	Gunn 二極體	22	415	1
8.2	16	FET	10	184	26
9.7	25	FET	20.7	464	14.5
3.1	36	FET	3	220	22
5	100	FET	21	550	20
11.6	16	FET	15	335	20
17	36	FET	3.3	235	7
6	16	FET	28.2	-	-
34.7	36	HBT	0.17	-	-
9.9	200	HBT	6.3	-	-
60	8	IMPATT	23	1400	3.6
9.2	16	FET	27.6	1480	21
9.8 如圖 6	100	FET	657	10300	23.1

表1﹕ 類光學振盪器

格矩陣放大器

格矩陣放大器已成為目前類光學組件研究的重心，因放大器在加上適當回饋組件時，也可作為振盪器。圖7 為使用相差式電晶體對之格矩陣放大器結構。水平極性電場通過濾極器後，投射於放大器格矩陣表面，在水平耦合天線上激發 RF 電流，電流以相差模式推動電晶體對，輸出電流流過垂直耦合天線，產生垂直極性電場。這種極性正交 (Cross Polarization) 的輸出入特徵有兩個好處 ﹕ 一，它隔離了輸入電場與輸出電場，使二者獨立，以減少可能的擬 (spurious)回饋振盪；二，放大器的輸入與輸出電路可獨立進行阻抗匹配，阻抗匹配器位於濾極器外，輸入與輸出可各自擁有自己的阻抗匹配介電板對。濾極器同時也保證了波束的前進方向。

第一個格矩陣放大器於 1991年由 M. Kim [5] 示範成功。 5x5MESFET 的 3.3-GHz 格陣列可提供 11dB 的放大增益。10x10 的 HBT 電晶體格陣列放大器於 1993 年示範成功 [6]，如圖 8。 10-GHz 的放大增益為 10dB， 3-dB 頻寬為 10% ， Noise Figure 為 7dB ，輸出功率為 450mW。整個格陣列放大器的 Noise Figure 與放大增益和組件上單一元件的 Noise Figure 與放大增益相近，但輸出功率增加了近百倍。 M. DeLisio 成功得使用 pHEMT 元件於格矩陣放大器上，如圖 9。一個混合式 10x10 格矩陣放大器可提供 9-GHz 信號 12dB 的放大增益， 3-dB 頻寬為 15% ， Noise Figure 為 3dB ，輸出功率為 3.7W [7]。之後，他以類似的設計製作出幾種不同頻率的單一積體 (Monolithic) 格矩陣放大器，操作頻率範圍在 44GHz 到 60GHz 之間，放大增益範圍在 2.5dB 到 6.5dB 之間 [8] 。如圖 10 為一 6x6 格矩陣晶片與美金一分錢硬幣的大小比較。表 2 列舉出近年來使用不同的元件及格矩陣結構的類光學放大器。

格單元的數量	元件	結構	頻率 (GHz)	增益 (dB)	頻寬 (%)	Noise Figure (dB)	輸出功率 (W)
25	MESFET 相差式	Hybrid Grid	3.3	11	2.7	-	-
100 如圖 8	HBT 相差式	Hybrid Grid	10	10	10	7	0.45
1	MESFET	Probe/Probe	4	12	3.5	-	-
16	MESFET	Folded Slot/ Folded Slot �	4.2	5	8	-	-
1	pHEMT MMIC	Back-to-back Etched Horn	10.2	15.5	4	7.4	-
9	HEMT	Patch/Patch	10.9	5.5	9.2	-	-
16	HBT MMIC	Folded Slot/ Folded Slot �	11	8	4	-	-
9	2-stage HEMT	Patch/Patch	10	18	3	-	-
24	MESFET	Patch/Patch	10	10.4	-	-	0.7
6	2-stage pHEMT	Folded Slot/ �Slot �	9.5	9.8	4	2.2	-
9	MESFET MMIC	Slot/Slot	29	6	1.5	-	1
100 如圖 9	pHEMT 相差式	Hybrid Grid	9	12	15	3	3.7
2x9	HEMT	2-Cascaded Patch/Patch	10	13	4	-	-
28	HBT MMIC	Monolithic Slot/Patch	50	1	-	-	-
36	HBT 相差式	Monolithic Grid	40	5	4.5	-	0.67
36 如圖 10	pHEMT 相差式	Monolithic Grid	44-60	2.5-6.5	6	-	-

表2: 類光學放大器

格矩陣混波器

整合許多二極體的格陣列，提供入射波非線性表面的條件，適用於混波，頻率倍增與偵波器，和傳統的單一二極體混波器比較，它可改善動態範圍。這一點對超導體隧道接合面 (Superconducting Tunnel-Junction， SIS) 接收器系統特別重要，因為 SIS 接收器的動態範圍通常很有限。裝載許多元件的類光學格陣列，同時也增加功率處理能力，因每一元件只需承擔少部份的能量。圖 11 為格矩陣混波器的測試結構。二極體周期性地裝載於格陣列上，每一二極體與領結耦合天線聯結為一單元，同一縱行的二極體串聯在一起， IF 信號電壓同時加於串聯縱行，而由上方與下方的低頻平面波導收集起來。 DC 偏壓也可同時加於 IF 信號中。鏡子的位置協助格陣列匹配阻抗。

第一個格矩陣混波器由 J. Hacker 示範成功 [9]，如圖 12。 10x10 Schottky 二極體的 10GHz 格陣列，比單一元件混波器的動態範圍，要高出 16.3dB 到 19.8dB (輸入功率的變動範圍達 30dB)。而轉換損耗與 Noise Figure 仍和單一元件的混波器相同，並未因使用大量元件而增加。

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格矩陣頻率倍增器 [10]

當頻率振盪器無法提供夠高的頻率時，以較低頻的固態元件振盪器，來推動頻率倍增器，可提供所需的 LO 頻率。其優點是，這種方法繼承了低頻固態元件振盪器的特點，如較低的噪音，較大的調變範圍，較低成本及較高的可靠度。目前在無線電天文研究與大氣遙測所使用的次毫米 Heterodyne 系統中，氣體雷射與真空管振盪器，因其過大的體積，需高電壓功率提供器，需 � 冷卻系統及過小的調變範圍，並不適用於衛星或飛機上。而以低頻固態元件振盪器來推動頻率倍增器，可解決這些難題。

傳統的頻率倍增器，大多由置於交叉波導管中單一或一對變容二極體所組成，如圖 13。兩個單模交叉波導管具有不同的操作頻率，一供基本頻率波傳導，一供高諧波傳導。一極細的金屬導線，稱之為 Whisker Contact，穿過輸入波導管與變容二極體表面接觸。 Whisker 的功能類似耦合天線，耦合基本頻率波進入二極體，二極體的非線性產生高諧波 (Harmonics) ，進而耦合入高諧波波導管。這種頻率倍增器需手工製造，次毫米頻率單模波導管的尺寸很小， Whisker 的直徑也小於 10microns，因此製造不易，而且無法整合大量的二極體元件以結合輸出能量 C

整合許多二極體的格陣列，提供入射波非線性表面的條件，也適用於頻率倍增。圖 14 為格矩陣頻率倍增器的結構。基本頻率波由左方進入，通過低頻濾波器，低頻濾波器濾掉波源中可能帶有的高諧波雜訊。基本頻率波投射在格矩陣上，非線性表面產生高諧波 (Harmonics)，高諧波向前與後傳播，向前的高諧波通過頻帶 (Bandpass) 濾波器，而選出所要的諧波。向後傳播的高諧波被低頻濾波器反射而改向前行進，向前行進的基本頻率波被頻帶濾波器反射而回到二極體格矩陣。輸入與輸出介電物質阻抗匹配板獨立調整輸入與輸出的阻抗。

圖15 顯示近年來頻率倍增器的輸出功率，頻率範圍由 90 GHz 到 1.1 THz。大部份傳統頻率倍增器由一個二極體或一對二極體所組成，高頻頻率倍增器(> 750 GHz) 則多由數個頻率倍增器串聯起來。這些頻率倍增器的輸出功率多受限於二極體本身的飽和功率。目前傳統頻率倍增器所能達到的最高頻率為 1THz，而輸出功率為 60 m W。平均而言，類光學頻率倍增器比傳統頻率倍增器增加大約十倍的輸出功率。 Caltech 於 1995 與 1996 年成功發展出 THz 的頻率雙倍器 [11]。第一個 6x6 的平面積體 Schottky 二極體格矩陣可產生頻率 1THz ， 330 m W 的輸出功率。之後， 12x12 的平面積體 Schottky 二極體格矩陣，使用相同的單元設計及元件，可產生頻率 1.1THz ， 45mW 的輸出功率 [12]。圖 16 為 6x6 的 Schottky 二極體格矩陣，整個格矩陣製成於 30 m m 厚的石英片上。平面 Schottky 二極體示於圖 17 中，以領結式耦合天線耦合電場進入或耦合高諧波電場幅射出二極體。這種平面 Schottky 二極體是由 UVA 發展出來的特殊二極體 [13] 。兩極介面 (Diode Junction) 的直徑為 0.5 m m ，陽極接觸指 (Contact Finger) 的寬度為 1 m m ，在陽極接觸指的下方有一 � 被腐蝕出來的 Surface Channel，這個特徵阻斷多餘電容電流流通的路徑，以減低寄生電容而增加操作頻率。表 3 列舉出近年來使用不同的元件及格矩陣結構的類光學頻率倍增器。發展使用頻率倍增器作為 LO 振盪器的哲學是，先發展最後一級的倍增器，也就是把輸出頻率盡可能的推到最高，找出可能的輸出功率與下一級所需的推動功率，再依次發展出串聯多級所需的頻率倍增器和低頻振盪器。這就是為什麼類光學頻率倍增器目前只有 100GHz 與 1THz 兩種原型。

頻率倍增結構	輸出頻率	元件	輸出功率
頻率雙倍器	66GHz	760 個 Schottky 二極體	0.5W
頻率三倍器	99GHz	6000個 �BIN 二極體	2.2mW
頻率三倍器	99GHz	3100 �個 SQBV 變容二極體	5W
頻率三倍器	99GHz	3000 個 �MQBV 變容二極體	1.25W
頻率雙倍器如圖 16	1.0THz	36 個 Schottky 二極體	330mW
頻率雙倍器	1.1THz	144 �個 Schottky 二極體	45mW

表3: 類光學頻率倍增器

格矩陣移相器與波束控制器

一個完整的類光學發送器或接受器需要電子式波束控制器，以提供波束導向 (Steering) ，波束聚焦 (Focusing) 和波束開關 (Switching) 等功能。機械式掃描盤 (ScanningDish)過重，過大，掃描緩慢，且需要大功率電力供應。電子式的波束掃描系統比較可靠，彈性大，掃描速度較快。快速掃描的能力可使波束快速移動，以便同時監視數個空中或海上目標。傳統的電子式波導管掃描系統，也有同樣的缺點﹕ 過重，過大，且需要複雜的控制電路以控制數以百千計的移相器。

類光學平面二極體格矩陣也可以用來擔任移相器或波束控制器。圖 18 展示其結構。 Schottky 變容二極體格矩陣，使用單一積體電路方法製於砷化鎵晶片上。二極體橫列串聯在一起，以提供二極體偏壓。二極體兩端連著雙極 ( Dipole) 耦合天線以耦合電場。當二極體上偏壓改變時，電容隨之改變。晶片上的偏壓線可以程式控制，當每一條偏壓線付予適當的偏壓時，格矩陣縱面上的電容可成線性分布，而提供反射波線性的相位移。入射波由一傾斜角度入射，當無偏壓時，反射波由相對傾斜角度反射 ; 當適當的偏壓時，反射波由較小的傾斜角度反射。依此原理，W.Lam於 1988 年 [14] 首次示範了這種反射式移相器及波束控制器。一個具有 1600 個 Schottky 變容二極體的格矩陣，可於 93GHz 產生 70^{o �}的相位移，反射損耗為 6.5dB。表 4 列舉出已發表的類光學反射式移相器。

頻率 (GHz)	格單元的數量	相位移	反射損耗 (dB)
93	1600	70^o	6.5
120	7168	70^o	3.5
60	7100	130^o	2.7

表4: 類光學移相器

當試圖把這種類光學反射式二極體格矩陣用於更高頻率時 � ， Schottky 二極體的串聯電阻 (Series � Resistance) 因表面電流隨頻率增加而大幅增加，因而反射損耗大幅增加。波束控制器的 � 損耗要愈小愈好。損耗減少輸出功率，也減小動態範圍。因此串聯電阻成為 � 使用二極體格矩陣波束控制器的一項限制。

微電機機械 (Micro-Electro-Mechanics, MEMs) 技術已成為當 � 前熱門的研究課題之一。矽晶片微機械製造 (Micromachining) 技術可製造出如圖 19 的微機械薄膜開關。金屬先鍍於矽晶片表面氧化矽薄膜上，薄膜下的矽隨後腐蝕掉，而在薄膜下形成一個空腔，鍍金薄膜與薄膜尖端金屬接觸點進而形成一個懸臂橋。當偏壓加於薄膜上的金屬接觸點與矽晶片上的金屬接觸點之間時，靜電力把薄膜向下拉，直到的兩金屬接觸點相互接觸 ;當偏壓移開時，薄膜本身的張力會把薄膜上推，而分離兩金屬接觸點。這個結構即提供機械式開關的功能。微機械薄膜開關 (微開關) 的好處是﹕ 表面全為鍍金屬 (一般為金 ) ，因此串聯電阻將遠小於 Schottky 二極體，而當頻率增加時，串聯電阻的增加也遠小於 Schottky二極體。

如何使用微機械薄膜開關於類光學波束控制器上 ? 圖 20 說明基本原理。在一個波導管中，不論這個波導管是一般所使用的全金屬波導管 ;或是類光學分析所使用的虛擬單元波導管 ( 也就是上下面為電場牆，側面為磁場牆的波導管) ，對一個垂直極性的電場而言，如果波導管內有一水平金屬缺口，如圖 20 左，這個額外的元件在傳導線等效電路中，相當於一個並聯電容如果波導管內有一垂直金屬條，如圖 20 右，這個額外的元件在傳導線等效電路中，相當於一個並聯電感。並聯電容與並聯電感提供在波導管中傳導電磁波正負不同的相位差。我們可用微開關來改變波導管中並聯的元件。如圖 21 左下角。微機械薄膜開關製於菱形的波導管上。因為矽晶體的結構特性，如果薄膜開關製於 <100> 晶體面矽晶片上，經過矽腐蝕後，薄膜下的空腔會呈倒金字塔形，也就是說波導管的四面各傾斜 35.3^o 如果使用 <110> 晶體面矽晶片與腐蝕液 KOH 溶液，經過矽腐蝕後，薄膜下的空腔為垂直牆，但因晶體面的結構，空腔形狀自成菱形。垂直牆波導管可避免傳導電磁波，通過薄膜開關後，在波導管牆面上的反射。水平金屬缺口提供並聯電容，缺口的垂直距離決定並聯電容的大小，氧化矽薄膜上的垂直金屬條，提供並聯電感。薄膜開關把這個電感與電容並聯或隔離。薄膜下的空腔垂直牆，在腐蝕後鍍上金，以減少波導損耗。空腔的深度大約為四分之一波長，以抵消重疊多層格矩陣時微開關表面的反射損耗。圖 22 為此一結構的等效電路。圖 21 為整個類光學格矩陣微開關波束控制器 (Microswitch Beam-Steering Grid) 的剖面結構 [15] 。因每一微開關單元僅能提供二元 (binary)相位移，將多層晶片重疊在一起，可提供更多的相位移。圖中為十一層結構。第一層上沒有微開關陣列，整個晶片鍍上金，僅提供波阻抗匹配，當菱形洞的大小與菱形洞之間的距離安排妥當時，自由空間阻抗與波導管陣列阻抗匹配，由自由空間入射的平面波可完全耦合入波導管陣列中。每一層為一微開關陣列，縱行開關串聯在同一偏壓線上，橫列偏壓可以程式控制，這種結構提供一度空間的波束掃描的能力。如果每一微機械開關由獨立的偏壓線控制，二度空間的波束掃描的功能也可達成。

圖23 為多層格矩陣一度空間的波束掃描的示意圖。入射波由左方投射在微開關波束控制器上，控制每一層不同的微機械開關，而付予傳導波不同的相位移，波束可因右方發射面波前不同的相位移而改變行進方向。這種技巧也可用於波束聚焦和波束調變。

一個十一層結構 ( 第一層上沒有微開關) 的類光學微開關波束控制器，可以四位元 (4-bit) 控制信號提供離散式 (discrete) 相位移，如圖 24 所示。對整個 360^o 的相位，四位元控制信號 � 可提供 22.5^o的相位解析度。圖中的圓表示完全無損耗，數據點與圓之間的距離表示損耗，點線表示理論上應提供的相位移 ( 22.5^o) 解析度，數據點與點線之間的角度為相角誤差，在 240GHz 時，最大的損耗為 1.6dB，而最大的相角誤差為 5^o。

結論

本文簡述了類光學系統及組件的原理與發展。綜觀類光學系統的特性與優點，在未來微波，毫米波和次毫米波的應用上，類光學系統可取代傳統笨重的波導管系統，提供輕、小、價廉、高功率的通信與雷達產品。

參考資料

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