CN102946256A - 太赫兹准光混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太赫兹准光混频器，包括混频天线、高阻介质透镜、中频电路以及背面短路器。太赫兹频段本振信号由高阻介质透镜耦合到混频天线上以提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，待检测信号也通过高阻介质透镜耦合至混频天线上；耦合到混频天线上的待检测信号以及本振信号通过混频天线混频后产生中频信号，中频信号由中频电路滤波和放大后输出；位于混频天线背瓣方向的背面短路器沿混频天线法线方向移动，改变与混频天线的距离。本发明具有结构紧凑、质量轻、变频效率高的特点，可以作为太赫兹探测器的常温前端。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波探测技术领域，具体涉及一种太赫兹准光混频器。
背景技术
太赫兹波指的是频率在0.1THz～10THz(波长3mm～30μm)范围内的电磁辐射，位于电磁波谱中介于毫米波和红外辐射之间。太赫兹信号的检测可以通过太赫兹天线将太赫兹信号从空间中耦合成导行波，并通过混频器将太赫兹信号变换成中频，并进一步进行A/D变换、数字信号处理，从而获取期望的信息。太赫兹信号探测器广泛引用于通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域。由于一些应用背景的特殊需求，如星载设备、手持设备等，对太赫兹信号探测器的体积和重量提出了一定的约束条件。因此，作为太赫兹前端的小体积、轻重量的混频器一直是研究热点之一。另外，作为应用系统的第一级，太赫兹前端的的混频器的性能(包括噪声性能和增益)能起着至关重要的作用。因此，如何提高太赫兹前端的的混频器性能也是研究人员关注的主要问题之一。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种太赫兹准光混频器，该太赫兹准光混频器具有小体积、轻质量、高性能的特点。
为了解决上述问题，本发明提供了一种太赫兹准光混频器，包括混频天线、高阻介质透镜、中频电路以及背面短路器，太赫兹频段本振信号由高阻介质透镜耦合到混频天线上以提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，待检测信号也通过高阻介质透镜耦合至混频天线上；耦合到混频天线上的待检测信号以及本振信号通过混频天线混频后产生中频信号，中频信号由中频电路滤波和放大后输出；位于混频天线背瓣方向的背面短路器沿混频天线法线方向移动，改变与混频天线的距离。
所述太赫兹准光混频器中的混频天线包括平面天线、二极管以及中频引线，混频天线中的二极管位于平面的射频馈电端口处并且分别与平面天线的两极相连，耦合到混频天线上的待检测信号以及本振信号通过混频天线上的二极管混频后产生中频信号，中频信号由中频引线引出。
混频天线中的二极管可以为肖特基二极管。
混频天线紧贴高阻介质透镜。混频天线衬底材料的介电常数与高阻介质透镜材料的介电常数接近。
中频电路包括扼流电感、带通滤波器和低噪声放大器，直流偏置通过扼流电感加载在混频天线上，中频信号由带通滤波器选频输出后，再由低噪声放大器放大后输出。
混频天线与中频电路通过金丝压焊或者倒装焊的方式连接。
高阻介质透镜采用电阻率为5000Ω·m的硅材料，高阻介质透镜的形状为扩展半球透镜。
背面短路器包括短路面柱和螺旋调节杆，短路面柱的截面形状为圆形，直径不小于透镜的直径，面向混频天线的一面是金属面，短路面柱通过螺旋调节杆控制短路面柱与混频天线之间的距离，短路面柱的材料为铜、铝、或聚四氟乙烯等复合材料。
本发明的太赫兹准光混频器具有结构紧凑、质量轻、变频效率高的特点，可以作为太赫兹探测器的常温前端，为太赫兹探测器提供一个常温太赫兹准光混频器，用于空间探测器中探测与检测信号，以及应用于星载或者手持设备等对体积重量约束较高的设备中。
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。
图1为准光混频器结构示意图；
图2为混频天线结构示意图；
图3为混频天线芯片结构剖面图；
图4为背面短路器的结构示意图。
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。
图1为本发明实施例的太赫兹准光混频器实施例的结构示意图，该准光混频器包括混频天线1、高阻介质透镜2、中频电路3以及背面短路器4。
太赫兹频段本振信号(频率为ωLO)从空间由高阻介质透镜2耦合到混频天线上，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，而待检测信号(频率为ωRF)或射频信号也通过高阻介质透镜2耦合到混频天线上。耦合到混频天线1上的待检测信号以及本振信号通过混频天线混频后产生中频信号(频率为ωIF)，中频信号由中频电路3滤波和放大后输出；位于混频天线1的背瓣方向的背面短路器4沿混频天线1的法线方向移动，改变与混频天线1的距离。
高阻介质透镜2例如采用电阻率为5000Ω·m的硅材料，其形状例如为扩展半球透镜。
中频电路3包括扼流电感31、带通滤波器32和低噪声放大器33。直流偏置通过扼流电感31加载在混频天线上，中频信号由带通滤波器选频输出后，再由低噪声放大器放大后输出。
为了抑制交流信号，尤其是中频信号，扼流电感31的电感值例如为47uF。带通滤波器33的中心频率与中频频率一致，带宽为20％。低噪声放大器的噪声系统为2dB，增益为20dB。输出接头例如使用SMA(Sub-Miniature-A)转接头。
直流偏置通过扼流电感加载在混频天线上，存在一个使得准光混频模块在固定的本振频率和本振功率条件下获得最小变频损耗的最佳直流偏置条件，以及存在一个可以在保持变频损耗不恶化的情况下降低本振功率的最佳直流偏置条件或者存在当本振功率不足时变频损耗最小的最佳直流偏置条件。
混频天线与中频电路例如通过金丝压焊或者倒装焊的方式连接，显然，混频天线与中频电路也可以通过其他现有技术的方式连接。
图2为混频天线1的实施例的结构示意图，混频天线1包括平面天线11、肖特基二极管12以及中频引线13。肖特基二极管12位于平面天线11的射频馈电端口处，并且分别与平面天线11的两极相连。混频天线1采用半导体工艺制作，平面天线与肖特基二极管可以使用同一半导体衬底，例如平面天线与肖特基二极管均制作在砷化镓外延材料上。中频信号由混频天线1的中频引线13输出。混频天线1紧贴高阻介质透镜2，参见图1和图2。
图3为本发明实施例的混频天线芯片结构剖面图。如图3所示，混频天线1采用半导体工艺制作，采用半导体工艺制作的芯片精度高、体积小并且一致性好。混频天线制作在砷化镓外延片上。
如图3所示，在半绝缘砷化镓衬底111上形成有高掺杂浓度砷化镓层112。
肖特基二极管12包括形成在高浓度掺杂砷化镓层112上的低浓度掺杂砷化镓层113、第一欧姆接触电极122、第二欧姆接触电极123、二氧化硅层114、肖特基阳极延伸压点124、欧姆接触阴极压点125、肖特基接触阳极121、悬空电镀桥126和沟道128。
第一欧姆接触电极122形成在高掺杂浓度砷化镓层112上；欧姆接触阴极压点125形成在欧姆接触阴极122上。第二欧姆接触电极123形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，肖特基阳极延伸压点124形成在第二欧姆接触电极123上。低浓度掺杂砷化镓层113位于第一欧姆接触电极122和第二欧姆接触电极123之间。
二氧化硅层114形成在低浓度掺杂砷化镓层113上，在二氧化硅层114开有小孔，肖特基接触阳极121位于小孔中，肖特基接触阳极121与低浓度掺杂砷化镓层113接触形成肖特基结；悬空电镀桥126形成在二氧化硅层114和肖特基接触阳极121上；肖特基接触阳极延伸压点124通过悬空电镀桥126与肖特基接触阳极121相连。
沟道128形成在高浓度掺杂砷化镓层112、低浓度掺杂砷化镓层113和二氧化硅层114中，沟道28中的高浓度掺杂砷化镓层112、低浓度掺杂砷化镓层113和二氧化硅层114被除去。
可选地，沟道128形状为反锥形，参见附图3。沟道128的下表面与砷化镓半导体衬底111接触，沟道128的上表面与悬空电镀桥126接触，沟道128的侧面从沟道128的下表面相对于砷化镓半导体衬底111成预定的角度延伸到上表面，沟道128的上表面大于沟道128的下表面，沟道128在二氧化硅层114层的部分位于肖特基接触阳极延伸压点124与肖特基接触阳极121之间并且不与肖特基接触阳极延伸压点124和肖特基接触阳极121接触。
平面天线11包括第三欧姆接触电极132、第四欧姆接触电极134、第一天线压点131和第二天线压点133。
平面天线11的第三欧姆接触电极132形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，第一天线压点131形成在第三欧姆接触电极132上；第四欧姆接触电极134形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，第二天线压点133形成在第四欧姆接触电极134上。
第一天线压点131与肖特基接触阳极延伸压点124连接，第二天线压点133与欧姆接触阴极压点125连接。
混频天线中的中频引线13由第五欧姆接触电极142、第六欧姆接触电极144、第一引线压点141和第二引线压点143组成。
第五欧姆接触电极142形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，第一引线压点141形成在第五欧姆接触电极142上；第六欧姆接触电极144形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，第二引线压点143形成在第六欧姆接触电极144；第一引线压点141与第一天线压点131连接，第二引线压点143与第二天线压点133连接。
可选择地，肖特基接触阳极延伸压点124、欧姆接触阴极压点125、第一天线压点131、第二天线压点133、第一引线压点141、以及第二引线压点143的厚度相同，肖特基接触阳极延伸压点124、欧姆接触阴极压点125、第一天线压点131、第二天线压点133、第一引线压点141、以及第二引线压点143的上平面在同一平面。
图4为背面短路器的结构示意图。背面短路器4是一种调谐器。位于混频天线背瓣方向的背面短路器4包括短路面柱41和螺旋调节杆42。短路面柱41的截面形状为圆形，直径不小于透镜2的直径，面向混频天线的一面必须是金属面。短路面柱41的材料可以是铜、铝；也可以是聚四氟乙烯等复合材料，但是其面向混频天线的一面是金属面。短路面柱41通过螺旋调节杆42控制短路面柱41与混频天线1之间的距离。
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。
Claims (10)
1.一种太赫兹准光混频器，包括混频天线、高阻介质透镜、中频电路以及背面短路器，太赫兹频段本振信号由高阻介质透镜耦合到混频天线上以提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，待检测信号也通过高阻介质透镜耦合至混频天线上；耦合到混频天线上的待检测信号以及本振信号通过混频天线混频后产生中频信号，中频信号由中频电路滤波和放大后输出；位于混频天线背瓣方向的背面短路器沿混频天线法线方向移动，改变与混频天线的距离。
2.根据权利要求1所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：所述准光混频器中的混频天线包括平面天线、二极管以及中频引线，混频天线中的二极管位于平面的射频馈电端口处并且分别与平面天线的两极相连，耦合到混频天线上的待检测信号以及本振信号通过混频天线上的二极管混频后产生中频信号，中频信号由中频引线引出。
3.根据权利要求2所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：混频天线中的二极管为肖特基二极管。
4.根据权利要求3所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：
混频天线(1)采用半导体工艺制作，混频天线(1)的平面天线(11)与肖特基二极管使用同一半绝缘砷化镓衬底(111)，在半绝缘砷化镓衬底(111)上形成高掺杂浓度砷化镓层(112)；
肖特基二极管(12)包括低浓度掺杂砷化镓层(113)、第一欧姆接触电极(122)、第二欧姆接触电极(123)、二氧化硅层(114)、肖特基阳极延伸压点(124)、欧姆接触阴极压点(125)、肖特基接触阳极(121)、悬空电镀桥(126)和沟道(128)；低浓度掺杂砷化镓层(113)和第一欧姆接触电极(122)分别形成在高掺杂浓度砷化镓层(112)上；欧姆接触阴极压点(125)形成在第一欧姆接触阴极(122)上；第二欧姆接触电极(123)形成在高掺杂浓度砷化镓层112上，肖特基阳极延伸压点(124)形成在第二欧姆接触电极(123)上；低浓度掺杂砷化镓层(113)位于第一欧姆接触电极(122)和第二欧姆接触电极(123)之间；二氧化硅层(114)形成在低浓度掺杂砷化镓层(113)上，在二氧化硅层(114)开有小孔，肖特基接触阳极(121)位于小孔中，肖特基接触阳极(121)与低浓度掺杂砷化镓层(113)接触形成肖特基结；悬空电镀桥(126)形成在二氧化硅层(114)和肖特基接触阳极(121)上；肖特基接触阳极延伸压点(124)通过悬空电镀桥(126)与肖特基接触阳极(121)相连；沟道(128)形成在高浓度掺杂砷化镓层(112)、低浓度掺杂砷化镓层(113)和二氧化硅层(114)中，沟道(128)中的高浓度掺杂砷化镓层(112)、低浓度掺杂砷化镓层(113)和二氧化硅层(114)被除去；
平面天线(11)包括第三欧姆接触电极(132)、第四欧姆接触电极(134)、第一天线压点(131)和第二天线压点(133)；第三欧姆接触电极(132)形成在高掺杂浓度砷化镓层(112)上，第一天线压点(131)形成在第三欧姆接触电极(132)上；第四欧姆接触电极(134)形成在高掺杂浓度砷化镓层(112)上，第二天线压点(133)形成在第四欧姆接触电极(134)上；第一天线压点(131)与肖特基接触阳极延伸压点(124)连接，第二天线压点(133)与欧姆接触阴极压点(125)连接；
中频引线13由第五欧姆接触电极(142)、第六欧姆接触电极(144)、第一引线压点(141)和第二引线压点(143)组成；第五欧姆接触电极(142)形成在高掺杂浓度砷化镓层(112)上，第一引线压点(141)形成在第五欧姆接触电极(142)上；第六欧姆接触电极(144)形成在高掺杂浓度砷化镓层(112)上，第二引线压点(143)形成在第六欧姆接触电极(144)；第一引线压点(141)与第一天线压点(131)连接，第二引线压点(143)与第二天线压点(133)连接。
5.根据权利要求4所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：
肖特基接触阳极延伸压点(124)、欧姆接触阴极压点(125)、第一天线压点(131)、第二天线压点(133)、第一引线压点(141)以及第二引线压点(143)的厚度相同，肖特基接触阳极延伸压点(124)、欧姆接触阴极压点(125)、第一天线压点(131)、第二天线压点(133)、第一引线压点(141)以及第二引线压点(143)的上平面在同一平面。
6.根据权利要求5所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：
沟道(128)形状为反锥形，沟道(128)的下表面与砷化镓半导体衬底(111)接触，沟道(128)的上表面与悬空电镀桥(126)接触，沟道(128)的侧面从沟道(128)的下表面相对于砷化镓半导体衬底(111)成预定的角度延伸到上表面，沟道(128)的上表面大于沟道(128)的下表面，沟道(128)在二氧化硅层(114)层的部分位于肖特基接触阳极延伸压点(124)与肖特基接触阳极(121)之间并且不与肖特基接触阳极延伸压点(124)和肖特基接触阳极(121)接触。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：所述准光混频器中的混频天线紧贴高阻介质透镜；所述准光混频器中的混频天线衬底材料的介电常数与高阻介质透镜材料的介电常数接近；高阻介质透镜采用电阻率为5000Ω·m的硅材料，高阻介质透镜的形状为扩展半球透镜。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：所述准光混频器中的中频电路包括了扼流电感、带通滤波器和低噪声放大器，直流偏置通过扼流电感加载到混频天线上，中频信号由带通滤波器选频输出后，再由低噪声放大器放大后输出。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：所述准光混频器中的混频天线与中频电路通过金丝压焊或者倒装焊的方式连接。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的太赫兹准光混频器，其特征在于：位于混频天线背瓣方向的背面短路器包括短路面柱和螺旋调节杆，短路面柱的截面形状为圆形，直径不小于透镜的直径，面向混频天线的一面是金属面，短路面柱通过螺旋调节杆控制短路面柱与混频天线之间的距离，短路面柱的材料为铜、铝、聚四氟乙烯之一。
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