CN102042959B - 一种太赫兹探测器射频读出装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够在射频波段高速、精确检测太赫兹波信号的射频读出放大装置及其实现方法。该太赫兹探测器的射频读出装置包括太赫兹探测器和由各种射频元件组成的射频电路。本发明的特点在于设计一射频共振电路，灵敏太赫兹探测器作为射频共振电路的损耗组件；太赫兹波辐射引起探测器阻抗变化和共振幅度的相应变化，通过射频电路放大、混频、滤波后将太赫兹波探测器中的微弱电流检测转换为射频载波信号的检测。本发明充分结合射频电路和太赫兹探测器两者的优点，具有响应速度快和灵敏度高的优点，可广泛用于太赫兹成像、通信、材料物性分析和安全检测等太赫兹应用技术中。

Description

一种太赫兹探测器射频读出装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种波谱探测装置，尤其涉及一种能在射频波段高精度、快速探测太赫兹波并将其读出的射频读出装置及其实现方法。本发明广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、空间成像和安全检测，具有响应速度快，灵敏度高，探测波段宽的特点。 

背景技术

太赫兹(THz)波是频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在30μm到3mm范围，介于微波与红外之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。由于受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，涉及太赫兹波段的研究结果仍有限，因此这一波段也被称为THz间隙。与其他波段电磁波相比，太赫兹波辐射源具有相干性好、光子能量低、穿透力强等独特、优异的特性，所以在物理、化学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、环境监测、食品检验、卫星通信等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。目前，各国都在THz研究方面给予了极大的关注，美国、欧州和日本尤为重视，如劳伦斯利弗莫尔(LLNL)、劳伦斯伯克利(LBNL)等美国重要的国家实验室、美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、英国的Rutherford国家实验室、剑桥大学、日本东京大学等。世界各国将太赫兹波科技研究置于国家科技战略规划的前沿，投入了大量的人力和物力。因此，研究和开发太赫兹技术及相关太赫兹器件无论对基础科学研究还是市场开发应用都有着十分重要的意义。灵 活地运用太赫兹技术于科研工作和实际生活中，已成为将来科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。 

目前为止，太赫兹波仍是一个技术尚不成熟的领域，其主要原因在于太赫兹波光源、传输和检测技术不成熟。太赫兹波探测方面，由于其光子能量较低，背景噪声常常占据显著的地位，给THz波探测和频率调制带来诸多技术上的难题。专利申请号为200810216315.4的“一种太赫兹波探测器、探测系统及探测方法”和专利申请号为200820212034.7的“一种太赫兹波探测器及探测系统”，是利用太赫兹探测器将太赫兹波信号转换为电信号，对输出电信号滤波放大后再进行测试，太赫兹信号仍是在THz波段进行检测。 

可见，现有普通放大电路在用于直接放大太赫兹探测器的微弱电流或电压信号时，带宽和增益乘积为常数。用于放大纳安电流或毫伏电压量级微弱信号的放大器带宽较小，达不到太赫兹成像和通信等对速度要求较高的应用需求。因此，研制开发太赫兹射频读出器对发展太赫兹技术及相关器件具有十分重要的意义。 

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的旨在提出一种太赫兹探测器射频读出装置及其实现方法，以期达到能在较宽的频带宽度内检测并精确读出太赫兹波信号，从而将其应用于广泛的材料分析和THz器件的测试分析。 

本发明的上述第一个目的，其技术方案如下： 

一种太赫兹探测器射频读出装置，其特征在于：所述射频读出装置包括主要由太赫兹探测器和射频元件构成的射频共振电路，其中所述太赫兹探测器是在太赫兹波辐射下器件阻抗能发生灵敏变化的器件，尤以GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管为主的一种器件。

进一步地，前述的一种太赫兹探测器射频读出装置，根据射频共振电路连接结构的多样性，所述太赫兹探测器参与该射频共振电路的连接结构也各不相同，其结构之一包括：a、与所述太赫兹探测器的晶体管栅极相连的射频扼流圈及第一偏置器；b、与所述太赫兹探测器的晶体管源极相连并顺次串联的表面贴装电感、定向耦合器及压控振荡器；c、混频器，分别与压控振荡器经分频器的输出及定向耦合器经低噪音放大器的输出相连；d、与所述混频器输出顺次串联的带通滤波器、直流阻断器和低噪音放大器，所述低噪音放大器的输出端为射频读出端；以及e、跨接于太赫兹探测器的晶体管源漏极间的电容，所述电容的一端与漏极一并接低电平。 

本发明的上述第二个目的实现方法，其技术方案为： 

通过前述主要由太赫兹探测器和射频元件构成的射频共振电路实现，太赫兹波的辐射经太赫兹探测器接收并反射，再经射频共振电路滤波、混频、放大后输出。具体太赫兹探测器的反射信号依次经定向耦合器和低噪音放大器输出，与压控振荡器经分频器输出频率信号进行混频。而且其中所述太赫兹探测器在太赫兹波辐射下呈现阻抗变化，以损耗器件接入射频共振电路的运作。 

本发明一种太赫兹探测器射频读出装置及其实现方法的应用，其优点为： 

该射频读出装置采用自混频输出太赫兹幅值模式，经射频电路滤波、放大、混频后可在射频波段精确检测射频载波信号。具有读出速度快，灵敏度高，操作简单，集成度高的特性。 

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的射频电路结构示意图。 

具体实施方式

以高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器为例，其特征在于探测器在太赫兹辐射下沟道电导发生变化，引起探测器阻抗变化。太赫兹探测器本质上是由一压控电阻[R(V_g)]和一分路电容C_q构成的晶体管，其中V_g是栅极电压。实际电路中，由于结合区和电极的存在，晶体管总的电容C通常包含了一个大的寄生电容C_p，也即，C＝C_p+C_q≈C_p。射频传输线端口尺寸按特征阻抗z₀＝50欧姆设计。当电感和晶体管接入至射频传输线时，等效于在传输线上引入了一非连续电磁波阻抗，对入射的射频信号产生反射。反射系数为Г＝(z-z₀)/(z+z₀)，其中，输入阻抗z＝z₁+z₂(z₀+z₁)/(z₀+z₁+z₂)，z₁＝j2πL，z₂＝r/(1+j2πfR_qC)。由于射频电路在太赫兹辐射下电感和电容值基本不变，可忽略相位移动，传输信号可以表示为v₀＝T(f，R_q)v_icos(2πft)，其中，v_icos(2πft)是输入射频信号，T(f，R_q)是传输系数，并有 

射频电路共振频率为f₀＝(2/LC)^1/2/2π，品质因子Q＝2πf₀L/z₀。传输系数T(f，R_q)可通过栅极电压进行调控。如此，在栅极直流电压为V_g ⁰时，太赫兹波信号强度v_os发生变化，从而对探测器电阻R_q进行调制，具体反映在载波频率f₀±ξ处的上下变频带上，即 

$v_{\mathrm{os}}=\frac{v_i{v}_g}{4}{\left\{\frac{\mathrm{dT}(f_0,R_q)}{d{R}_q}\right|\frac{{\mathrm{dR}}_g}{{\mathrm{dV}}_g}\left|\right\}}_{V_g={V_g}^0}\cos \left[2\mathrm{\π}(f_0\±\mathrm{\ξ})t\right].$

从上式可以看到，探测小信号的灵敏度主要取决于dT/dR_q和dR_q/dV_g，前一项表示灵敏度与射频传输线相关，而后者表示灵敏度取决于晶体管的特性。 

本发明射频共振电路，包括如图1所示的射频扼流圈3、偏置器4，10、表面贴装电感6、定向耦合器7、分频器8、压控振荡器9、低噪音放大器11，15、混频器12、带通滤波器13、直流阻断器14。其可选的电路连接结构之一为：a、射频扼流圈3及第一偏置器4与太赫兹探测器2的晶体管栅极相连的；b、表面贴装电感6与太赫兹探测器2的晶体管源极相连并于电感另一端顺次串联定向耦合器及压控振荡器；c、分别与压控振荡器9和分频器8的输出及定向耦合器7经低噪音放大器11的输出相连的混频器12；d、混频器输出顺次串联的带通滤波器13、直流阻断器14和低噪音放大器15，该低噪音放大器15的输出端为射频读出端；以及e、跨接于太赫兹探测器2的晶体管源漏极间的电容5，该电容5的一端与晶体管漏极一并接低电平。 

从产品的器件结构来看：太赫兹探测器和表面贴装电感(L＝100nH)焊接于50欧姆的共面波导传输线上，传输线通过SMA接头和同轴线与其他射频元件连接，通过多功能源表检测射频输出电压信号。具体来看该高速高灵敏度太赫兹射频读出器结构特征及功能： 

太赫兹光源由返波管提供，频率为0.9THz。HEMT基太赫兹探测器的作用是与入射的THz波在沟道处发生混频，输出直流电信号被检测。 

射频扼流圈的作用是提供栅极直流通路，形成偏置电路。 

偏置器的作用是为栅极提供直流偏置电压。 

表面贴装电感的作用是调制射频共振电路共振频率。 

定向耦合器的作用是对输入的射频信号进行定向耦合，并调控输出耦合压控振荡器的作用是调谐输出频率范围和输出功率。 

低噪音放大器的作用是对定向耦合器中的输出信号进行放大。 

混频器的作用是将输出信号和本振频率混频产生新的信号频率用于检测。 

带通滤波器的作用是对低噪音放大器输出信号进行过滤，抑制一定频率以上的信号。 

直流阻断器的作用是消除射频电路中直流信号。 

结合本发明具体实施来看，如图1所示，太赫兹光源由返波管提供，晶体管与入射的太赫兹波在沟道处发生混频，输出直流电信号被检测。偏置器和射频扼流圈连接晶体管的栅极并提供了一直流偏压，调节晶体管输出信号至最大值。晶体管的源极连接着表面贴装电感，同时电感焊接在一定欧姆阻值的传输线上，电感连接定向耦合器，定向耦合器把输入的射频信号进行定向耦合，并控制输出耦合。定向耦合器连接低噪音放大器把经过定向耦合器的输入射频信号给放大。压控振荡器在电压调控下输出一定的频率信号，经过分频器分频后与来自定向耦合器和低噪音放大器的信号混频产生新的信号频率，混频器输出的新的信号经过带通滤波器进行过滤，抑制一定的频率信号的通过，再经过直流阻断器对电路中直流电流进行处理，对经过直流阻断器的信号再次经低噪音放大器进行信号放大处理，最后进行信号的检测。 

本发明高速高灵敏度太赫兹射频读出装置及其实现方法，充分结合了射频共振电路和太赫兹探测器二者的优点，具有频带宽、响应速度快以及灵敏度高等特点，可以弥补现有太赫兹射频放大电路频带窄的不足。而且，太赫兹射频读出器操作简单，成本较低，易于集成，可广泛适用于太赫兹技术研究、新材料研究、环境检测和空间成像等，对太赫兹波的应用具有很大的科学研究价值和市场前景。 

Claims (5)

1.一种太赫兹探测器射频读出装置，其特征在于：所述射频读出装置包括主要由太赫兹探测器和射频元件构成的射频共振电路，所述射频共振电路结构包括：a、与所述太赫兹探测器的晶体管栅极相连的射频扼流圈及第一偏置器；b、与所述太赫兹探测器的晶体管源极相连并顺次串联的表面贴装电感、定向耦合器及压控振荡器；c、混频器，分别与压控振荡器经分频器的输出及定向耦合器经低噪音放大器的输出相连；d、与所述混频器输出顺次串联的带通滤波器、直流阻断器和低噪音放大器，且与直流阻断器相邻的低噪音放大器输出端为射频读出端；e、跨接于太赫兹探测器的晶体管源漏极间的电容，所述电容的一端与漏极一并接低电平，其中所述太赫兹探测器为在太赫兹波辐射下器件阻抗发生灵敏变化的器件。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹探测器射频读出装置，其特征在于：所述太赫兹探测器为以GaN/AlGaN基的高电子迁移率晶体管探测器。

3.一种太赫兹探测器射频读出的实现方法，其特征在于：通过权利要求1所述主要由太赫兹探测器和射频元件构成的射频共振电路实现，太赫兹波的辐射经太赫兹探测器接收并反射，再经射频共振电路滤波、混频、放大后输出。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹探测器射频读出的实现方法，其特征在于：所述太赫兹探测器的反射信号依次经定向耦合器和低噪音放大器输出，与压控振荡器经分频器输出频率信号进行混频。

5.根据权利要求3所述的一种太赫兹探测器射频读出的实现方法，其特征在于：所述太赫兹探测器反射太赫兹波辐射的形式为阻抗呈现灵敏变化，太赫兹探测器以损耗器件接入射频共振电路的运作。

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