CN104702225B - 一种太赫兹频段空间功率放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太赫兹频段空间功率放大装置，适用于太赫兹频段的末端高增益功率放大。首先利用微波放大阵列单元芯片的级联结构，对由空间馈入的微波信号进行放大，从而提高了太赫兹倍频器的输入功率。再利用太赫兹倍频阵列芯片的倍频特性，对接收到的微波进行倍频，可有效获得太赫兹信号的高功率输出。由于采用了阵列芯片的结构，单个芯片上集成了多个子单元，利用集成电路工艺，一次加工成型，获得高一致性的微波放大器和太赫兹倍频器，保证了太赫兹末端功率放大装置的有效性。
Description
技术领域
本发明公开一种太赫兹频段空间功率放大装置，具体来讲，是一种适用于太赫兹频段的高增益功率放大的技术。
背景技术
太赫兹技术已经被广泛应用在军用和民用方面，如雷达领域、通信领域、安全检查和无损检测等。功率放大器是雷达、通信和成像系统中的关键器件，高性能功率放大器在太赫兹频段的设计与实现是一项重要的研究课题。
目前的单个固态功率放大器件在太赫兹频段增益低、输出的功率有限，不能满足系统的需求。因此，人们研究了采用多个固态功率放大器件进行功率合成的方法来获得高功率输出。然而，传统的混合功率合成电路在太赫兹频段由于功率合成效率低、工作带宽窄等一些固有的缺陷难以实现。综合以上的原因，本专利旨在给出一种太赫兹频段空间功率放大装置设计方法，用于实现太赫兹频段的高增益功率放大。
发明内容
本发明针对当前太赫兹频段辐射功率低的问题，提供一种太赫兹频段空间功率放大装置，它由N级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片级联构成的太赫兹频段空间功率放大阵列。馈入的微波信号在空间由N级微波放大阵列芯片逐级放大并由太赫兹倍频阵列芯片将放大后的微波信号倍频至太赫兹频段并输出。该阵列不仅具有宽频带、体积小、集成度高的特点，同时还具有工作频段高、输出功率大、工作效率高等特性。
为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明的一种太赫兹频段空间功率放大装置，包括N级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片；N为自然数；即N级微波放大阵列芯片包括第一级微波放大阵列芯片、第二级微波放大阵列芯片、……、第N级微波放大阵列芯片；
所述的第一级微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元集成了微波接收天线、微波耦合微带线、微波放大电路和微波辐射缝隙；其中，微波接收天线被用于接收前级馈入的信号，微波放大电路被用于将信号放大。芯片正面的微波耦合微带线与芯片背面的微波辐射缝隙利用极化耦合的原理，将微波放大电路放大的信号耦合至背面并输出。
所述的第二级以后的微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元集成了微波耦合微带线、微波放大电路和微波辐射缝隙；其中一段微波耦合微带线被用于耦合前级微波辐射缝隙输出的信号，微波放大电路被用于将信号放大。另一段微波耦合微带线与芯片背面的微波辐射缝隙利用极化耦合的原理，将微波放大电路放大的信号耦合至背面并输出。该微波放大阵列芯片N级级联工作，每个芯片等间距放置，微波信号在空间传输并通过N级级联的阵列芯片逐级放大，这样既保证了有效的链路增益，又保证了输出功率。m为自然数，n为自然数；
该太赫兹倍频阵列芯片置于N级微波放大阵列芯片级联结构之后，由p×q个子单元组成，每个子单元集成了微波耦合微带线、太赫兹倍频器、太赫兹一分M等功分器和M个太赫兹辐射缝隙。其中，微波耦合微带线被用于耦合前级微波辐射缝隙输出的信号，太赫兹倍频器被用于将微波信号倍频至太赫兹信号，太赫兹功分器将倍频器输出的太赫兹信号等分成M路相参信号，M个太赫兹辐射缝隙位于芯片背面，利用极化耦合的原理，将M个太赫兹等幅相参信号耦合至与其一一对应的芯片背面的M个太赫兹辐射缝隙输出。p为自然数，q为自然数；
本发明解决了太赫兹频段辐射功率低的问题。
该放大装置包括该第一级微波放大阵列芯片、第二级微波放大阵列芯片、第三级微波放大阵列芯片、……、第N级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片；
其中，第一级微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波接收天线、微波耦合微带线、微波放大电路和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有微波接收天线、微波放大电路和微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与微波耦合微带线成十字正交关系；
微波接收天线接收馈入的信号，然后将信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给微波耦合微带线，微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至第二级微波放大阵列芯片正面的第一段微波耦合微带线；
第二级微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了第一段微波耦合微带线、微波放大电路、第二段微波耦合微带线和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有第一段微波耦合微带线、微波放大电路和第二段微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与第二段微波耦合微带线成十字正交关系；第一段微波耦合微带线与第一级微波放大阵列芯片背面的微波辐射缝隙成十字正交关系；
第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至下一级微波放大阵列芯片；
第三级微波放大阵列芯片、……、第N-1级微波放大阵列芯片与第二级微波放大阵列芯片的结构和传输方式均相同；
第N级微波放大阵列芯片与第二级微波放大阵列芯片的结构相同；传输方式如下：
第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至太赫兹倍频阵列芯片的微波耦合微带线；
太赫兹倍频阵列芯片由p×q个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波耦合微带线、太赫兹倍频器、太赫兹一分M等功分器和M个太赫兹辐射缝隙；
在介质基片的正面有微波耦合微带线、太赫兹倍频器和太赫兹一分M等功分器；在介质基片的背面有M个太赫兹辐射缝隙，M个太赫兹辐射缝隙与太赫兹一分M等功分器中的太赫兹耦合微带线一一对应且成十字正交关系；
微波耦合微带线将耦合到的信号传输给太赫兹倍频器，太赫兹倍频器将信号倍频至太赫兹频段，输出太赫兹信号，并将输出的太赫兹信号传输给太赫兹一分M等功分器，太赫兹一分M等功分器将太赫兹信号等分为M路相参信号，M路等幅相参信号耦合至与其一一对应的太赫兹辐射缝隙；太赫兹辐射缝隙输出太赫兹信号。
有益效果
该微波耦合带线与微波辐射缝隙之间、该前级芯片背面的微波辐射缝隙与后级芯片正面的微波耦合微带线之间、该太赫兹一分M等功分器中的太赫兹耦合微带线与太赫兹辐射缝隙之间均采用正交耦合的方式传输信号，这样降低了传输损耗，提高了耦合效率；
该微波放大阵列芯片集成了m×n个子单元，便于通过稳定的工艺手段实现各子单元间一致性的要求；
该N级微波放大阵列芯片级联结构实现了微波信号功率空间逐级放大，既保证了放大链路的有效增益，又提高了输出功率；
该太赫兹倍频阵列芯片集成了p×q个子单元，每个子单元包含一分M等功分器，并将等功分后的M路相参太赫兹信号耦合至芯片背面太赫兹辐射缝隙输出，这样增大了太赫兹信号辐射缝隙数量，提高了辐射功率。
附图说明
图1是本发明的装置工作示意图；
图2是本发明的芯片通过金属载体进行固定的结构示意图；
图3a是本发明实施例中的第一级微波放大阵列芯片的主视图；
图3b是本发明实施例中的第一级微波放大阵列芯片的后视图；
图4a是本发明实施例中的第一级微波放大阵列芯片的正面结构示意图；
图4b是本发明实施例中的第一级微波放大阵列芯片的背面结构示意图；
图5a是本发明实施例中的第二级微波放大阵列芯片的主视图；
图5b是本发明实施例中的第二级微波放大阵列芯片的后视图；
图6a是本发明实施例中的第二级微波放大阵列芯片的正面结构示意图；
图6b是本发明实施例中的第二级微波放大阵列芯片的背面结构示意图；
图7a是本发明实施例中的太赫兹倍频阵列芯片的主视图；
图7b是本发明实施例中的太赫兹倍频阵列芯片的后视图；
图8a是本发明实施例中的太赫兹倍频阵列芯片的正面结构示意图；
图8b是本发明实施例中的太赫兹倍频阵列芯片的背面结构示意图；
图9是本发明中阵列芯片在散热载体上的装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。应该指出，所述实施例仅视为说明目的，而不是对本发明的限制。
实施例
如图1所示，一种太赫兹频段空间功率放大装置，该放大装置包括第一级微波放大阵列芯片、第二级微波放大阵列芯片、第三级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片；
如图4(a)和图4(b)所示，第一级微波放大阵列芯片由4×4个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波接收天线、微波耦合微带线、微波放大电路和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有微波接收天线、微波放大电路和微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与微波耦合微带线成十字正交关系；
微波接收天线接收空间馈入的微波信号，然后将信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给微波耦合微带线，微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至第二级微波放大阵列芯片正面的第一段微波耦合微带线；
所述的空间馈入的微波信号频率为65GHz、功率PMW为20dBm；
经过微波放大电路放大后的微波信号频率为65GHz、功率为26dBm；
如图6(a)和图6(b)所示，第二级微波放大阵列芯片由4×4个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了第一段微波耦合微带线、微波放大电路、第二段微波耦合微带线和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有第一段微波耦合微带线、微波放大电路和第二段微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与第二段微波耦合微带线成十字正交关系；第一段微波耦合微带线与第一级微波放大阵列芯片背面的微波辐射缝隙成十字正交关系；
第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至下一级微波放大阵列芯片；
所述的经过微波放大电路放大后的微波信号频率为65GHz、功率为32dBm；
第二级微波放大阵列芯片由4×4个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了第一段微波耦合微带线、微波放大电路、第二段微波耦合微带线和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有第一段微波耦合微带线、微波放大电路和第二段微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与第二段微波耦合微带线成十字正交关系；第一段微波耦合微带线与第一级微波放大阵列芯片背面的微波辐射缝隙成十字正交关系；
第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至太赫兹倍频阵列芯片的微波耦合微带线；
所述的经过微波放大电路放大后的微波信号频率为65GHz、功率为38dBm；
如图8(a)和图8(b)所示，太赫兹倍频阵列芯片由4×4个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波耦合微带线、太赫兹3倍频器、太赫兹一分四等功分器和四个太赫兹辐射缝隙，太赫兹倍频阵列芯片上的所有的太赫兹辐射缝隙组成8×8缝隙阵列；
在介质基片的正面有微波耦合微带线、太赫兹3倍频器和太赫兹一分四等功分器；在介质基片的背面有四个太赫兹辐射缝隙，四个太赫兹辐射缝隙与太赫兹一分四等功分器中的太赫兹耦合微带线一一对应且成十字正交关系；
微波耦合微带线将耦合到的信号传输给太赫兹3倍频器，太赫兹3倍频器将微波信号倍频至太赫兹频段，倍频损耗ΔP为11dB，输出195GHz的太赫兹信号，并将输出的195GHz的太赫兹信号传输给太赫兹一分四等功分器，太赫兹一分四等功分器将太赫兹信号等分为四路相参信号，四路等幅相参信号耦合至与其一一对应的太赫兹辐射缝隙；太赫兹辐射缝隙输出功率PTHz为20dBm的太赫兹信号，与没有三级微波放大阵列芯片相比，该装置可以提高6dB的太赫兹输出功率。
上述的所有微波耦合微带线宽度均为20μm，阻抗均为50Ohm。
上述三级微波放大阵列芯片中的微波放大电路均为GaN内匹配功率放大电路；
所述的太赫兹3倍频器采用GaAs肖特基二极管，倍频损耗为11dB；
上述的第一级微波放大阵列芯片、第二级微波放大阵列芯片、第三级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片分别通过金属载体进行固定，如图2所示；金属载体的边缘有定位导轨槽，金属载体的凹槽与阵列芯片的尺寸一致；
安装在金属载体上的第一级微波放大阵列芯片的主视图如图3(a)和图3(b)所示；
安装在金属载体上的第二级微波放大阵列芯片的主视图如图5(a)和图5(b)所示；
安装在金属载体上的太赫兹倍频阵列芯片的主视图如图7(a)和图7(b)所示；
三级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片通过导电胶粘接在散热载体上，如图9所示，散热载体采用AlN材料，散热载体可以和芯片进行较好的热膨胀匹配和热传导。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种太赫兹频段空间功率放大装置，其特征在于：该放大装置包括第一级微波放大阵列芯片、第二级微波放大阵列芯片、第三级微波放大阵列芯片、……、第N级微波放大阵列芯片和太赫兹倍频阵列芯片；
其中，第一级微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波接收天线、微波耦合微带线、微波放大电路和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有微波接收天线、微波放大电路和微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与微波耦合微带线成十字正交关系；
微波接收天线接收馈入的信号，然后将信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给微波耦合微带线，微波耦合微带线将信号耦合至微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至第二级微波放大阵列芯片正面的第一段微波耦合微带线；
第二级微波放大阵列芯片由m×n个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了第一段微波耦合微带线、微波放大电路、第二段微波耦合微带线和微波辐射缝隙；在介质基片的正面有第一段微波耦合微带线、微波放大电路和第二段微波耦合微带线；在介质基片的背面有微波辐射缝隙，微波辐射缝隙与第二段微波耦合微带线成十字正交关系；第一段微波耦合微带线与第一级微波放大阵列芯片背面的微波辐射缝隙成十字正交关系；
第二级微波放大阵列芯片的第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至第二级微波放大阵列芯片的微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至下一级微波放大阵列芯片；
第三级微波放大阵列芯片、……、第N-1级微波放大阵列芯片与第二级微波放大阵列芯片的结构和传输方式均相同；
第N级微波放大阵列芯片与第二级微波放大阵列芯片的结构相同；传输方式如下：
第N级微波放大阵列芯片的第一段微波耦合微带线将耦合到的信号传输给微波放大电路，微波放大电路对接收到的信号进行放大后输出给第二段微波耦合微带线，第二段微波耦合微带线将信号耦合至第N级微波放大阵列芯片的微波辐射缝隙，微波辐射缝隙将信号耦合至太赫兹倍频阵列芯片的微波耦合微带线；
太赫兹倍频阵列芯片由p×q个子单元组成，每个子单元在介质基片上集成了微波耦合微带线、太赫兹倍频器、太赫兹一分M等功分器和M个太赫兹辐射缝隙；
在介质基片的正面有微波耦合微带线、太赫兹倍频器和太赫兹一分M等功分器；在介质基片的背面有M个太赫兹辐射缝隙，M个太赫兹辐射缝隙与太赫兹一分M等功分器中的太赫兹耦合微带线一一对应且成十字正交关系；
太赫兹倍频阵列芯片的微波耦合微带线将耦合到的信号传输给太赫兹倍频器，太赫兹倍频器将信号倍频至太赫兹频段，输出太赫兹信号，并将输出的太赫兹信号传输给太赫兹一分M等功分器，太赫兹一分M等功分器将太赫兹信号等分为M路相参信号，M路等幅相参信号耦合至与其一一对应的太赫兹辐射缝隙；太赫兹辐射缝隙输出太赫兹信号。
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