CN107356332B - 太赫兹收发芯片、收发方法及其成像探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹收发芯片，包括反射阵、馈源天线以及太赫兹收发电路。还涉及一种使用太赫兹收发芯片的太赫兹收发器，以及使用该太赫兹收发器的太赫兹成像系统，该太赫兹成像系统具有分辨率高、成像快、探测距离远、体积小、成本低的优点，解决了太赫兹成像难以小型化的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电应用技术领域，特别涉及一种太赫兹收发芯片，以及应用该太赫兹收发芯片的太赫兹成像探测系统和方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波，能够穿透非极性材料，实现对隐藏目标成像，可广泛应用于军民用领域，比如生物成像、食品质检、无损探伤甚至文物检测等。相比于X射线，太赫兹波具有更低的能量，不会电离生物分子，更加安全。
然而，目前太赫兹成像探测系统尚处于研究开发的雏形阶段，国际上领先的太赫兹芯片仍离不开分立的仪器设备等，因而使得整个成像系统体积大、成本高，另外还存在探测距离短、分辨率低、成像慢等缺点，因而它多用于验证成像原理而难以应用，这种情形类似于占地达170平方米的早期电子计算机。例如图1所示的一种现有太赫兹成像系统，可以看到该系统由多个分立笨重的仪器设备组成，包括不易对准的多对透镜或反射镜，还包括笨重且速度慢的机械扫描平台。因此，现有成像系统存在笨重、成本高、成像慢等问题。
发明内容
鉴于目前太赫兹成像系统存在的上述问题，本发明在天线、电路、准光领域进行交叉研究，提出了一种体积小、探测距离远、分辨率高且能够快速成像的太赫兹收发器，以及一种应用该太赫兹收发器的太赫兹成像方法及系统。
本发明的第一个方面，提出一种太赫兹收发芯片，包括集成在芯片上的以下部件：
反射阵，用于调整太赫兹波的相位和极化方向；
馈源天线，用于接收或辐射太赫兹波束；
太赫兹收发电路，用于将接收到的太赫兹信号转换为直流/低频信号或将直流/低频信号转换为辐射出的太赫兹信号。
本发明的第二个方面，提出一种太赫兹收发器，包括本发明提出的太赫兹收发芯片，和用于封装所述太赫兹收发芯片的芯片封装盒，以及位于芯片封装盒顶部可同时起到芯片保护作用的一个栅板。
本发明的第三个方面，提出一种太赫兹成像系统，包括：
太赫兹收发器，用于生成一个或多个太赫兹波束，以对待测样品进行探测扫描；
板级电路，与太赫兹收发器相连接，用于控制太赫兹收发器及连接用户终端(如含有相关软件的手机、便携式或台式计算机)；
用户终端，用于用户操作及图像显示。
本发明的第四个方面，提出一种太赫兹收发方法，包括：
使用反射阵调整太赫兹波的相位和极化方向；
接收或辐射太赫兹波束；
将接收到的太赫兹波束转换为直流/低频信号或将直流/低频信号转换为辐射出的太赫兹波束。
本发明结合准光理论与天线技术，采用反射阵增强太赫兹波束的辐射强度或接收强度，提高了发射增益及接收增益，从而代替难对准的多个分立透镜，突破“现有太赫兹成像系统离不开不易集成的透镜”这一瓶颈。
本发明的有益效果在于：
(一)简化了系统结构，实现高集成度的太赫兹成像或探测系统。
(二)降低了系统成本，实现低成本可批量生产的太赫兹芯片。
(三)减小了系统体积，实现功能全面的可集成于手机类产品的功能模块。
(四)提高了系统性能，实现快速的、探测距离远的、且高分辨率的太赫兹成像。
附图说明
图1现有太赫兹成像系统的结构框图
图2本发明提出的太赫兹成像系统
图3本发明提出的折叠式反射阵
图4本发明提出的折叠式反射阵中的平面馈源天线原理图
图5本发明提出的折叠式反射阵的增益曲线
图6折叠式反射阵与电路纵向垂直集成的太赫兹探测器芯片截面示意图(不含栅板及芯片封装盒)
图7本发明提出的多波束太赫兹收发器
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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
对太赫兹波进行发射和接收时，传统的微带天线所提供的增益远远不够，通常需要额外的透镜，因此难以实现小型化设计，更不可能做到芯片级设计。为此，本发明提出如图3所示的折叠式反射阵，该折叠式反射阵以基片集成波导(SIW)缝隙天线(以下称“SIW天线”)为馈源，将平面结构的SIW天线与反射阵阵元集成于同一CMOS芯片上。其中SIW天线完成对太赫兹波的辐射和接收，并以所述SIW天线为中心，在四周布置有反射阵。反射阵由按照一定规则排列的反射阵元组成，反射阵元是可形成高增益准光波束的周期性结构，包括多个分布于同一层或不同层的、不同形状的金属贴片。所述反射阵可以对太赫兹波进行相位补偿和极化扭转，从而能够有效增大SIW天线的发射增益或接收增益，使得太赫兹成像系统小型化能够成为可能。
反射阵上方设置有栅板，对平行于栅板的波束经栅板反射后回到反射阵，通过对反射阵中阵元形状及角度的调整，可以改变栅板反射后的太赫兹波的相位，并扭转其极化方向，使得经过栅板反射后的太赫兹波也调整为垂直于栅板的方向，从而透过栅板，进而使得太赫兹波束集中于一个小斑点，达到减小波束宽度、增加天线增益的目的。栅板可由结构简单、加工容易的长方形金属条纹组成，且该栅板同时可作为芯片封装盒的顶部盖子，用于保护芯片。在封装时，该栅板与CMOS芯片容易对准，即使它们之间存在对准角度误差θ，反射阵的增益也仅将由G变为G·cosθ，可将装配时的角度误差对整个芯片的性能影响降低到最小。
SIW天线或类似结构可以采用与现有探测器中独立设计的传统微带贴片、环形天线、领结天线等不同的设计方式，对SIW天线和太赫兹收发相关电路在阻抗匹配、元件共享等多个方面进行了协同设计及优化，从而省去带有插入损耗且占面积的阻抗变换网络等无源器件。例如，在一个优选的实施方式中，太赫兹探测电路基于分布式阻性自混频原理设计，基于该原理，场效应管的源极与栅极之间需加载一个直流偏置。然而传统的微带贴片与地是分离的，无法直接提供直流通路，因而需要增加额外的金丝键合线等元件设计该通路。本发明提出如图4所示的SIW天线结构，该天线的馈电端在直流情况下是直接接地的，因而直接为场效应管提供直流通路。这不仅减少了流程，更去除了键合线等带来的寄生效应及不可靠性。
另外，作为一个优选的实施方式，本发明的反射阵被设计为实现贝塞尔波束或高斯波束等准光波束，这种波束比传统波束更细、传播更远，从而提高成像分辨率及探测距离。
此外，为了进一步减小面积及电磁耦合，本发明还提出一种优选的实施方式，如图6所示。与传统的片上系统所采用的横向并排集成不同，该实施方式中将天线关键部分与电路纵向垂直集成于同一CMOS芯片的6个BEOL层中。CMOS工艺的高精度BEOL有利于加工太赫兹天线，该工艺中的多个金属层也便于设计高增益的反射阵，从而可以使得反射阵元形成多层结构，进而在二维平面反射阵的基础上发展出三维的折叠式反射阵结构。
图5表明，本发明提出的折叠式反射阵在1.1THz的增益高达30dBi，而传统片上天线增益通常在0-5dBi左右。实现包含贝塞尔波束在内的准光波束后，可达到更高的增益。因此，该高增益反射阵可代替不易集成的透镜，并具有普通透镜不具备的准光波束。此外，采用本发明的新型设计后，折叠式反射阵的剖面高度降低了64％。
现有太赫兹成像系统的另一缺陷是成像慢。目前国际上通常借鉴光学相机的原理设计多像素太赫兹探测器，但这更加重了对透镜的依赖。为了突破这一技术瓶颈，本发明提出了基于双焦距(bifocal)原理的多波束折叠式反射阵，与单焦距透镜或反射阵相比，具有双焦距的透镜或反射阵在两个焦距之间或附近都有聚焦作用。如图7所示，在芯片中部设置多个SIW天线，并使得它们形成天线阵列，并在天线阵列周围设置反射阵，该反射阵阵元被配置为满足双焦距原理，这样能够在二维平面内(而不仅仅是沿着一维直线)实现数量可观的多个波束(9×9，甚至更多)，提高了探测效率，有利于快速成像。此外，该反射阵仅需一个相位补偿板，从而降低了对设置于芯片顶部的栅板(即光栅)的加工要求，并消除了装配误差对补偿相位的影响。
本发明还提出一种太赫兹成像系统，该系统采用多波束折叠式反射阵，提高了天线增益，并能够以多个贝塞尔波束同时探测样品。该系统如图2所示，包括太赫兹收发器、板级电路及用户终端(笔记本/台式机/智能手机)。使用太赫兹收发器的多个太赫兹波束对待测样品进行探测扫描经过板级电路进行信号处理得到成像信号，最后由用户终端形成并显示图像。该太赫兹成像系统以多个贝塞尔波束同时探测样品，以代替传统的机械扫描方式，从而移除机械扫描平台、实现快速成像。在一个优选的实施方式中，为了在成像系统中尽少使用额外的仪器设备，在该太赫兹收发器芯片中集成更多电路。例如集成调制器与放大电路以代替分立的斩波器及放大器，以进一步降低系统成本并减小体积。
综上可见，本发明结合准光理论与天线技术，实现了新型折叠式反射阵。该折叠式反射阵可实现高斯波束、贝塞尔波束等准光波束，这种波束比传统波束更细、传播更远，从而提高成像分辨率及探测距离。同时进行电路设计，实现新型的无需透镜的单波束收发芯片。通过协同设计反射阵与收发器电路，以共享元件、并将它们垂直集成于同一芯片内。进一步还基于双焦距原理，实现了快速成像的多波束收发芯片，能够以多个准光波束同时探测样品，以代替传统的机械扫描方式，从而移除机械扫描平台、实现快速成像。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种太赫兹收发芯片，用于太赫兹波的发射和检测，包括集成在芯片上的以下部件：
反射阵，用于调整太赫兹波的相位和极化方向；
馈源天线，用于接收或辐射太赫兹信号；
太赫兹收发电路，用于将所述馈源天线接收到的太赫兹信号转换为直流/低频信号或将直流/低频信号转换为辐射出的太赫兹信号；
其中，所述反射阵由多个反射阵元构成，所述反射阵元是可辐射及检测高增益准光波束的阵列结构，包括多个分布于多个不同层的、不同形状的金属贴片，所述多个反射阵元形成折叠式反射阵结构；所述反射阵可以对太赫兹波进行相位补偿和极化扭转；所述馈源天线采用基片集成波导结构，该馈源天线的馈电端在直流情况下直接接地。
2.如权利要求1所述的太赫兹收发芯片，其特征在于：所述太赫兹收发电路包括检测太赫兹信号的太赫兹接收电路或辐射太赫兹信号的太赫兹发射电路，所述太赫兹接收电路包括太赫兹探测器电路及其低频电路；所述太赫兹辐射电路包括太赫兹振荡器电路及其低频电路。
3.如权利要求1所述的太赫兹收发芯片，其特征在于：馈源天线是辐射及检测太赫兹波的结构，包括分布于同一层或多个不同层的、不同形状的金属结构。
4.如权利要求1-3任一项所述的太赫兹收发芯片，其特征在于：所述反射阵和所述馈源天线位于芯片内多个金属层的顶部一层或多层，所述太赫兹收发电路位于其余的金属层。
5.如权利要求1-3任一项所述的太赫兹收发芯片，其特征在于：所述馈源设置为多个馈源天线，并使得它们形成天线阵列，并且所述反射阵被调整为符合双焦距原理。
6.一种太赫兹收发器，其特征在于：所述收发器包括如权利要求1-5任一项所述的太赫兹收发芯片、用于封装所述太赫兹收发芯片的芯片封装盒，以及位于芯片封装盒顶部可同时起到芯片保护作用的一个栅板。
7.一种太赫兹成像系统，包括：
如权利要求6所述的太赫兹收发器，用于生成一个或多个太赫兹波束，以对待测样品进行探测扫描；
板级电路，与太赫兹收发器相连接，用于控制太赫兹收发器及连接用户终端；
用户终端，用于用户操作及图像显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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