CN102868416A - 毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种无线电接收系统，具体提供了一种工作在毫米波、亚毫米波频段的大规模、高集成度阵列接收模块及由该模块集成的接收机。本项发明突破原有拼接技术的限制，实现更大规模、更高集成度的阵列，可以显著提高整体的均匀性和可靠性，设备容易实现功能的拓展，且由于本发明集成型外差式阵列接收机的子阵列由N个相同的等腰梯形轮廓的二维阵列构成，因此工艺难度能够被限制在子阵列一级，不需显著增加技术难度就可以实现N倍于子阵列规模的阵列。

Description

毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机

技术领域

本发明属于一种无线电接收系统，特别是一种工作在毫米波、亚毫米波频段的大规模、高集成度阵列接收机系统。

背景技术

具有空间成像能力的多像元探测技术广泛应用于光学、红外波段（比如CCD相机）。随着天文观测、航天遥感等领域迅速增长的成像需求，微波、毫米波、亚毫米波等波段的阵列接收机技术的重要性日益突出。

根据接收机的频谱分辨能力，阵列接收机分为两种基本类型：具有高频谱分辨能力的外差型接收机和成像但缺乏频谱分辨能力的非相干接收机。后者仅接收信号的强度而丢失了信号中精确的“颜色”（或频谱）信息（好处是系统简单且灵敏度高），更接近于光学和红外的相机。外差型接收机借助于已知的参考信号（本振），不但可以获得信号的总强度，而且还能获得信号的频谱。由于频谱信息包含了被测量对象（射电源）的物理化学信息，是天体物理、大气探测、安全检测等应用中的关键信息，所以外差型阵列接收机具有非相干阵列接收机无法提供的探测能力。由于所探测的目标很多具有延展的分布，为了得到它们的影像必须通过逐点扫描的方式来实现。阵列接收机具有多个像元同时成像的能力，能够成倍提高成像的速度，成为天体物理、大气探测、安全检测等应用中的必须设备。

外差型阵列接收机需要参考信号，因此结构上比较复杂。受到射电天文学发展的驱动，毫米波、亚毫米波外差式阵列接收机首先在射电天文望远镜上获得应用。目前国际范围内已经建成的外差式阵列接收机总结于表1。这些已经建成的外差式阵列接收机的共同特点是它们都由独立接收单元拼合构成。一个典型的例子就是（Neal R. Erickson, etc., “A 15 Element Focal Plane Array For 100GHz,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 40, 1992, pp. 1-11.）。除了共用参考信号外，像元之间不论从机械结构还是电气连接都是独立的，可以看成是多个单像元接收机的拼合。我们称这种阵列接收机为“拼接型”阵列接收机。正因为采用了这种简单的拼接技术，阵列接收机的结构复杂、机械连接和电气连接点繁多、可靠性低，因此难以实现更大规模的阵列。

表1、国际上已有的毫米波、太赫兹超导混频阵列接收机，包括我国13.7米毫米波望远镜上装备的SSAR外差式阵列接收机。

 

 无论是射电天文观测还是对于安全检测成像等应用，现有的阵列规模远远不能满足需求。以我国德令哈13.7m毫米波射电望远镜上使用的9波束接收机-超导成像频谱仪（SSAR）系统为例，虽然它的观测效率已经比原来单波束接收机提高了20多倍，但要完成银河系银道面附近的全覆盖成像仍需要数十年的时间。因此，显著增加阵列规模成为这个技术领域的一个重要方向。

用已有的拼接技术构成阵列接收机的方法只能实现小规模的阵列，像元数量在25以内。随着像元数量的增加，一个主要的技术限制是拼接集成的难度上升，造成像元间的机械连接和电气连接困难，性能的均匀性和整体的可靠性下降。另一个原因是公共参考信号（本振）分配的难度增加。在毫米波频段，尚可以实现复杂的波导型分配网络来实现本振的配布，比如SSAR上所采用的本振分配网络（J. Yang, etc., “The Superconducting Spectroscopic Array Receiver for Millimeter-Wave Radio Astronomy,” in Proc. 2008 Global Symposium on Millimeter Waves, Eds. Wei Hong & Guangqi Yang, pp. 177-179, 2008.）；在亚毫米波频段只能使用体积较大的准光学分配方式，难以实现系统的小型化，比如（K. F. Schuster, etc., “A 230 GHz heterodyne receiver array for the IRAM 30m telescope,” Astronomy and Astrophysics, 423, 2004, pp. 1171-1177.）。这些限制仍然来源于拼接技术的单像元集成本质。因此，为了实现大规模的阵列，技术上就要改变原有的拼接模式，采用新的“集成型”相干阵列接收机的设计。

突破拼接技术的制约，发展大规模外差式频谱探测阵列接收机是国际范围内射电成像技术领域的一个发展趋势。国际上在这个方向上的研究已经有一些进展。主要的方案是以一维的线性阵列为基本结构单元（区别于以往以单个像元为基本结构单元），组成由多个一维阵列构成的二维阵列。一个典型的例子是美国亚利桑那大学正在研制的8行8列共64个像元的超导外差接收机阵列（C. Groppi, etc., “SuperCam: A 64 pixel heterodyne array receiver for the 350 GHz Atmospheric Window,” 20th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, 20-22, April 2009.）。使用这种方法能够将像元数从十个左右拓展到数十个的规模。但这种方法仍有明显不足：一维子阵列缺乏对等的特性（分为外侧子阵列和内部子阵列），因而整个阵列缺乏对称性，阵列的拓展性受到限制；由于传热和机械可靠性的原因，一维阵列的长度受到制约，也限制了最大像元数；这种方法不支持波导型的本振分配，本振分配不得不采用准光方法，造成接收机系统体积庞大，无法实现紧凑的大规模阵列。

发明内容

已有的毫米波、亚毫米波段的外差式阵列接收机的构成方式均基于单个像元的拼接。每个接收单元的机械结构和电气结构都是独立的。当阵列的规模扩大时，这种技术会造成中心像元的机械和电气连接困难、本振分配网络复杂、机械和电气连接数量大，从而使系统的可靠性下降。因此这种拼接型阵列难以实现超过25像元的外差式阵列接收机。国际上提出了使用一维阵列为基本结构单元的方式来构成二维阵列，但这种阵列结构不对称，系统体积庞大，只适于实现数十个像元数规模的阵列，难以使用这种方式构建更大规模（100以上像元）的外差式阵列接收机。

本发明根据现有技术的不足提供了一种新的毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块，含有单个模块的毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收机，以及含有多个模块的毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机，能够在不显著增加技术复杂性的前提下大幅提高像元数规模。

本发明具体技术方案如下：

一种毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块，由馈源天线层、本振分配层、混频器电路层、低噪声放大器层和中频同轴电缆布线层依照信号传输的次序从上到下排布组成，馈源天线层集成了阵列馈源，本振分配层集成了波导传输线网络和定向耦合器。所述阵列馈源优选喇叭天线，馈源的数量任意，优选6-100个，每个馈源之间的间隔由工作波长（λ）和望远镜的光学系统的焦比（F）决定，优选为在1到3倍Fλ之间。排布方式可以任意，优选为三角规则点阵。望远镜视场和本振信号在分配网络中的衰减决定了一个子阵列能够包含馈源数的上限。

上述外差式阵列接收模块为金属材质，优选铝或全铜镀金材料。

上述外差式阵列接收模块的馈源天线层、本振分配层、混频器电路层、低噪声放大器层和中频同轴电缆布线层为常规固定连接方式，如销钉定位配合螺钉连接。

上述外差式阵列接收模块可以为任意形状，通常为方形，三角形，圆形，椭圆形，扇形、梯形等。

上述外差式阵列接收模块的每一层实现该阵列的一个独立的功能，层和层之间通过常规机械方式进行固定连接，如销钉定位配合螺钉连接。依照信号流入的方向，第一层是馈源（喇叭天线）层，这一层集成了阵列馈源（喇叭天线）；第二层是本振分配层，在这一层集成了波导传输线网络和定向耦合器，为每个像元提供本振信号；第三层是混频器电路层，实现待测信号与本振信号的混频；第四层是低噪声放大器层，实现对中频信号的前级放大；最后一层是中频引线层，安排了中频同轴线输出接口。与已有的按照像元划分模块的方式不同，这种方案将多个像元集成在单一模块上，因此称为“集成型”阵列。

本发明还提供了一种毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收机，由上述的一个外差式阵列接收模块与本振输入装置组成，其中，外差式阵列接收模块的本振分配层上的输入波导口与本振输入装置的输出波导端口严密相对。

上述外差式阵列接收机的本振输入装置为本领域技术人员所熟知的常规装置，可采用准光耦合的方式，使用本振信号源和馈源天线，以辐射的方式接收并传输本振信号，也可采用波导传输线耦合的方式，将本振信号源的本振信号通过波导的方式传输。本振输入装置与上述接收模块采用常规固定连接方式，如波导法兰连接。

本发明还提供了一种毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机，其特征在于由N个（N>3）横截面为等腰梯形的二维子阵列模块两-两拼接形成一个正N（N>3）边形为轮廓的具有N重旋转和折叠对称性的完整阵列，阵列的中心为一个与N个子阵列模块对应相连的横截面为正N边形的本振收发模块，所述子阵列模块采用本发明所述的外差式阵列接收模块，所述本振收发模块包括本振输入装置和多路功率分配器，多路功率分配器具有N个输出波导端口，每个端口都与与之对应的子模块的本振分配层输入波导口严密相对。

多路功率分配器可以采用两个横截面为大小一致的正N边形的柱形部件常规固定连接方式构成，如销钉定位配合螺钉固定连接，波导功率分配电路加工在这两个部件接触面上，可以为任意一面也可为双面。

本振输入装置为本领域技术人员所熟知的常规装置，可采用准光耦合的方式，使用本振信号源和馈源天线，以辐射的方式接收并传输本振信号，也可采用波导传输线耦合的方式，将本振信号源的本振信号通过波导的方式传输。本振输入装置与多路功率分配器采用常规固定连接方式，如销钉定位配合螺钉连接。

本振收发模块与各个子阵列模块采用常规固定连接方式，如销钉定位配合螺钉连接。本振信号由本振收发模块耦合，然后呈辐射状通过矩形波导分配至各个子阵列。

对于每个子阵列而言，本振信号的输入口位于子阵列模块本振分配层表面与本振收发模块相接触的边缘，优选中点位置。如附图2 所示本振信号经过波导口输入，经矩形波导传输线，以“之”字形从每个像元附件通过，经定向耦合器耦合本振信号。

本发明还提供了一种毫米波、亚毫米波射电望远镜，采用上述毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机作为终端设备。

本发明还提供了一种上述毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机在雷达接收机中的应用。

本发明还提供了一种上述毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机在太赫兹成像系统中的应用。

本项发明可以突破原有拼接技术的限制，实现更大规模、更高集成度的阵列。其优点主要体现为三个方面（1）显著提高整体的均匀性和可靠性：本发明所述的外差式阵列接收模块采用分层结构，可以最大限度地减少机械连接面和电气连接点数量，大大降低了因为机械紧固件失效和电气焊接点断路的风险， 并且因为所采用的集成型的本振分配网络内没有波导连接点，减小了由于结构不连续性产生的电磁波反射，保证了本振功率分配的一致性。（2）采用这种分层集成的方式，每一层可单独升级更新， 使这种设备容易实现功能的拓展。（3）降低制作集成的难度。由于集成型外差式阵列接收机的子阵列由N个相同的等腰梯形轮廓的二维阵列构成，因此工艺难度能够被限制在子阵列一级，不需显著增加技术难度就可以实现N倍于子阵列规模的阵列。

附图说明

图1、毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块的分层结构示意图。

图2、毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块内部本振分配层结构示意图。

图3、36像元毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机结构示意图。

图4、图3隐去两个子阵列的结构示意图。

图5、本振收发模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明的技术方案做进一步说明，有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1 毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块

毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块采用横截面为底角为60度的等腰梯形柱形模块，采用纯铜镀金材质。如附图1所示，子阵列模块按照功能分层。依照信号传输的次序，最上面一层为喇叭天线层（15），集成了6个波纹喇叭天线（9-13）。第二层为本振分配层（16），实现本振在6个像元中的配布；第三层为混频器电路层（17），完成输入信号和参考信号的混频。混频器需要的电压偏置由25芯微D型接头（21）输入；第四层为低噪声放大器层（18），对混频器产生的中频信号进行低噪声前级放大。所需要的电偏置由25芯微D型接头（22）输入；最后一层是中频同轴电缆布线层，放大后的中频信号由集成的6路同轴接头输出。上述各层采用销钉定位配合螺钉固定连接。

如附图2所示，本振信号的输入波导端口（23）位于本振分配层（16）顶边边缘中点。本振信号由这个波导端口进入6像元的子阵列，沿着本振分配层（16）上加工（铣出）的矩形波导辗转经过各个像元信号波导（24-29）的附近。在本振波导与信号波导的交叉处用小孔耦合的方法实现10dB的定向耦合，实现本振的注入。剩余的本振信号在波导的末端被吸收体（30）吸收。

实施例2 毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收机

毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收机，具体将一个实施例1 外差式阵列接收模块的输入波导端口与一个本振收发模块通过销钉定位配合螺钉固定连接，本振收发模块选用波纹喇叭天线接收本振信号。

实施例3 毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机

如附图3所示，选用6个实施例1所述的外差式阵列接收模块组成一个正六边形轮廓的毫米波段36像元集成型外差阵列接收机（1），正六边形阵列的中心是6棱柱状的本振的收发模块（8）。在附图4中隐去了两个子阵列模块，显示了本振收发模块的位置。6个子阵列模块的本振信号输入口围绕在本振收发模块（8）的周围。如附图5所示，本振收发模块由一个波纹喇叭天线（31）和6路功率分配器（32-33）构成。波导型功率分配器加工在（33）的上表面，这个波导电路结构在波导的H端面分割，由三个螺栓（34）将两个机械剖分子模块（32-33）固定在一起。接收本振的波纹喇叭天线面向与待测信号来源相反的方向，接收反方向馈入的参考信号（本振）。所接收到的信号经过6路的波导型功率分配器，辐射状地分配到各个输出波导端口（36）。本振收发模块与子阵列的精确连接依靠销钉（35）和销钉孔（37）定位配合螺钉连接。

Claims (12)

1.一种毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块，其特征在于由馈源天线层、本振分配层、混频器电路层、低噪声放大器层和中频同轴电缆布线层依照信号传输的次序从上到下排布组成。

2.如权利要求1所述的波段外差式阵列接收模块，其特征在于：所述馈源天线层集成阵列馈源；所述本振分配层集成了波导传输线网络和定向耦合器，为每个像元提供本振信号；所述混频器电路层，实现待测信号与本振信号的混频；所述低噪声放大器层，实现对中频信号的前级放大；所述中频同轴电缆布线层，设置有中频同轴线输出接口。

3.如权利要求2所述的波段外差式阵列接收模块，其特征在于所述阵列馈源为若干个喇叭天线。

4.如权利要求3所述的波段外差式阵列接收模块，其特征在于所述喇叭天线的排布方式为矩形或三角形规则点阵。

5.如权利要求1所述的波段外差式阵列接收模块，其特征在于为铝或全铜镀金材料。

6.一种毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收机，其特征在于由权利要求1-5之一所述的外差式阵列接收模块与本振输入装置组成，其中，外差式阵列接收模块的本振分配层上的输入波导口与本振输入装置的输出波导端口严密相对。

7.一种毫米波、亚毫米波段集成型外差式阵列接收机，其特征在于由N个（N>3）横截面为等腰梯形的二维子阵列模块两-两拼接形成一个正N（N>3）边形为轮廓的具有N重旋转和折叠对称性的完整阵列，阵列的中心为一个与N个子阵列模块对应相连的正N边形的本振收发模块，所述子阵列模块采用如权利要求1-5之一所述的毫米波、亚毫米波段外差式阵列接收模块，所述本振收发模块包括本振输入装置和多路功率分配器，多路功率分配器具有N个输出波导端口，每个端口都与与之对应的子阵列模块的本振分配层输入波导口严密相对。

8.如权利要求7所述的波段集成型外差式阵列接收机，其特征在于：所述本振收发模块中的喇叭天线耦合后的本振信号呈辐射状通过矩形波导分配至各个所述子阵列模块。

9.如权利要求7所述的波段集成型外差式阵列接收机，其特征在于：所述本振分配层上加工有所述输入波导口与数个像元信号波导组成“之”字形矩形波导传输线。

10.一种毫米波、亚毫米波射电望远镜，其特征在于采用如权利要求7-9之一所述的波段集成型外差式阵列接收机作为终端设备。

11.如权利要求7-9之一所述的波段集成型外差式阵列接收机在雷达接收机中的应用。

12.如权利要求7-9之一所述的波段集成型外差式阵列接收机在太赫兹成像系统中的应用。

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