CN107911177B - 太赫兹小型化多功能集成接收机前端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了太赫兹小型化多功能集成接收机前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔、混频器腔和混频器本振输入腔；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔内的GaAs衬底上，本振驱动源腔垂直安装在混频器本振输入腔上。本发明通过上述结构，将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个基片和腔体内进行加工，可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。
Description
技术领域
本发明涉及接收机领域，具体涉及太赫兹小型化多功能集成接收机前端。
背景技术
在电磁频谱家族中，频率在0.1THz至10THz范围的太赫兹(Terahertz，THz)波处在电子学和光子学研究频段之间的特殊位置。在科学技术的发展进程中，对这一频段的研究和开发利用曾受制于彼时科学研究手段和技术条件的限制而发展较晚，一度被称为电磁频谱中的“间隙”，对它的研究和技术开发仅局限在天体物理学和射电天文学领域中，在这些领域需要研究太赫兹频段的分子谱学(molecular spectroscopy)从而探索宇宙的物质构成。随着科学技术的进步，同时也正是由于太赫兹频段位置的特殊性以及对该频段的探索和利用相对较少，在最近二三十年来，在学术界甚至工业界都掀起了一股太赫兹科学与技术研究的热潮，众多科技前沿学科纷纷进入该研究处女地，使得太赫兹科学技术目前已成为国际学术界的一大热点研究领域。
由于太赫兹频段处于宏观经典理论向微观量子理论的频谱过渡区，太赫兹波的产生、探测、调控等机制与传统电子学和红外光子学的机制有所相似，又有所不同，现有成熟的一些理论和技术方法难以完全适用于太赫兹频段，这就需要探索研究适应这一频段的新理论和新方法，也就是说，为更好地探索和利用太赫兹波，需要相关理论的创新和技术的突破。这一切吸引了诸如微纳电子学、非线性光学、晶体材料学、生命科学等相关学科向太赫兹频段渗透和延伸，逐渐形成了许多全新的交叉研究方向和研究领域，同时这些研究方向还在不断延伸。
目前所研究的太赫兹电路模块多为单一功能模块，仅能实现低噪声放大或混频单一功能，并在单一模块的基础上进行级联来实现太赫兹系统电路。设计中每个单独模块需要一个基片和腔体来承载电路，因此在整体电路中需要多个基片和腔体，且需要连接波导。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的内部传输损耗。实现固态太赫兹应用系统的前提，首先需要研究高性能太赫兹接收前端系统。在现有的接收机系统中，低噪声放大器、混频器、本振驱动源均作为单独的模块进行加工设计，然后将本振驱动源的输出波导和混频器的本振波导相连接，使本振驱动源为混频器提供能量，同时混频器的射频端口与低噪声放大器的波导相连接，组成一个前端，低噪声放大器接收到的信号经过放大后，进入混频器对信号进行处理。在这种设计中，需要三个单独的电路腔体分别容纳低噪声放大器电路、混频器电路和本振驱动源电路。现有结构存在损耗高、太赫兹接收机的成本高及复杂度高等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是让低噪声放大器、本振驱动源和混频器集成在同一个GaAs衬底和腔体内，目的在于提供太赫兹小型化多功能集成接收机前端，基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个以GaAs砷化镓为衬底的基片和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收机前端可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。
本发明通过下述技术方案实现：太赫兹小型化多功能集成接收机前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔、混频器腔和混频器本振输入腔，低噪声放大器输入腔与混频器腔连接，在混频器腔y轴延伸线上还垂直横穿混频器本振输入腔，在混频器腔内的分谐波混频器电路上的本振过渡段位于混频器本振输入腔，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导-微带线过渡结构连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝与微带线电路连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底上表面的上层接地金属，两块上层接地金属位于传输线的两侧，在两块上层接地金属之间桥接多根平行设置的地-地空气桥，在两块上层接地金属之间水平横穿传输线，传输线的一端连接射频-共面波导输入探针，传输线另一端连接共面波导-微带线过渡结构,在传输线上还安装多个晶体管，多个晶体管的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘供电，多个晶体管的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘供电，多个晶体管的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘和晶体管漏极供电焊盘均通过直流供电金丝与微带线电路连接，在每块上层接地金属上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔，过孔布满整个上层接地金属；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔内的GaAs衬底上，本振驱动源腔垂直安装在混频器本振输入腔上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段插入混频器本振输入腔内，在本振驱动源腔上还垂直横穿倍频器本振输入腔，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔。
工作原理：天线接收到外界的信号从低噪声放大器上的低噪声放大器输入腔上的输入端口进入，经过低噪声放大器将信号放大后进入分谐波混频器电路的射频端口；其中本振信号从倍频器本振输入腔的倍频器本振输入端进入，经过本振驱动源电路倍频后的信号进入分谐波混频器上的混频器本振输入腔的本振端口为混频器提供本振驱动，然后本振信号和经过低噪声放大器放大后的信号经分谐波混频器处理后输出。本方案中低噪声放大器的输入输出端口采用标准波导WR2.2，混频器射频端口采用标准波导WR2.2，本振端口采用标准波导WR5.1，其中低噪声放大器的共面波导结构可实现整体电路接地，直流地可为因分谐波混频器中二极管对的不对称性引起的非平衡电流提供回路，从而提升了混频器的性能；其中共面波导-微带线过渡结构对电路进行良好的匹配使能量更好的传输。
低噪声放大器电路的工作原理：射频-共面波导输入探针将340GHz射频号电磁耦合到低噪声放大器电路所在芯片上，射频-共面波导输入探针与低噪声放大器电路所在芯片集成在一块衬底上，既避免金丝键合带来的寄生参量，又减小了总体装配难度。地-地空气桥连接信号主路两侧的上层接地金属，消除太赫兹频段带来的寄生参数；晶体管连接上下供地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔，由于太赫兹频段高，容易在基片形成高次模式，从而影响信号的传输；上层接地金属，为太赫兹芯片提供接地平面；GaAs衬底，与InP衬底相比，GaAs衬底上的mHEMT技术更便宜，有更高的结晶质量，更高的机械强度和大直径的可用GaAs晶片。晶体管栅极供电焊盘，整块芯片中晶体管栅极供直流供电电路由同一块焊盘提供，由于直流焊盘在芯片上占据了较大的面积，从而减小了多块焊盘带来的芯片面积浪费；晶体管漏极供电焊盘，整块低噪声放大器电路芯片中晶体管漏极供直流供电电路由同一块焊盘提供；直流供电金丝，通过金丝键合的方式，将直流供电电路与低噪声放大器电路芯片直流焊盘形成电气连接，给整块低噪声放大器电路芯片提供直流；微带线电路，采用普通的5880基片，通过PCB提供稳压后电压，给低噪声放大器电路芯片为栅极和漏极焊盘提供直流电压；与后级混频器连接的共面波导-微带线过渡结构，完成芯片输出到后级下变频输入的共面波导-微带线过渡结构。
本发明基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个以GaAs砷化镓为衬底的基片和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收机前端可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。
本方案中多功能模块在一个电路中实现相比现有单模块级联组成的电路加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少，减少了多模块电路的体积，实现了电路小型化，同时也降低了加工腔体和基片的成本。
所述本振驱动源电路包括采用悬置微带形式的传输线依次串联连接的倍频器射频过渡段、倍频器单片集成二极管对、倍频器本振低通滤波器和倍频器直流偏置，在倍频器单片集成二极管对和倍频器本振低通滤波器之间还设置金带，在倍频器单片集成二极管对的两端还设置梁式引线，在倍频器直流偏置和倍频器本振低通滤波器之间通过垂直设置在GaAs衬底上的梁式引线连接，倍频器单片集成二极管对直接焊接在GaAs衬底上。驱动信号由倍频器本振端口进入，经过倍频器本振低通滤波器，加载到倍频器单片集成二极管对进行倍频，输出的信号为混频器提供本振驱动源；其中倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。
本振驱动源电路采用基于反向并联二极管对的太赫兹三倍频器，二极管直接焊接在GaAs衬底上，减少了人工装配的误差。该类型三倍频器的二极管数量为偶数，输入输出信号均由二极管对中心耦合，为保证每个二极管偏置状态相同，直流偏置从二极管一端加载。由此，二极管对于输入信号呈现反向并联，对于直流偏置则为串联，同时偶次谐波在此种结构下形成虚拟回路，只有奇次谐波进入输出端，实现抑制偶次谐波的功能，适用于奇次倍频器。
金属腔体、本振驱动源腔和倍频器本振输入腔位于同一平面内。能够进一步缩小集成接收机前端的体积。
低噪声放大器电路和分谐波混频器电路形成的线路与本振驱动源电路形成的线路相互平行。使得本方案的布局更加的紧凑、美观。
混频器本振输入腔和倍频器本振输入腔相互平行。便于信号输入端的排布，进一步缩小体积。
优选的，所述分谐波混频器电路包括依次沿x轴方向串联连接的单片集成二极管对、本振低通滤波器、本振过渡段、中频低通滤波器和中频输出端口，中频低通滤波器包括x轴传输线和三个纵向传输线，三个纵向传输线依次垂直安装在x轴传输线上。
其中本振信号从分谐波混频器的本振端口进入，为混频器提供本振驱动；其中低噪声放大器的共面波导结构可实现整体电路接地，直流地可为因分谐波混频器中二极管对的不对称性引起的非平衡电流提供回路，从而提升了混频器的性能；其中共面波导-微带线过渡结构对电路进行良好的匹配使能量更好的传输；其中本振过渡通过中频滤波器和波导结构实现本振信号的输入与中频信号的输出；其中中频输出端用50欧姆微带阻抗线实现；其中混频器的射频和本振信号分别从混频器共面波导-微带线过渡段和混频器本振输入端口馈入，加载到混频器单片集成二极管对上进行混频；其中二极管混频产生的中频信号经本振双工器后由中频输出端口输出；其中由于混频器本振信号频率低于混频器射频端口波导截止频率，所以混频器本振信号不会从混频器射频端口处泄漏；其中混频器射频信号由于混频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从混频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中混频器射频和混频器本振信号可以在混频二极管处循环利用从而减少混频中的能量损失，提高混频效率。驱动信号由倍频器本振端口进入，经过倍频器本振低通滤波器，加载到倍频器单片集成二极管对进行倍频，输出的信号为混频器提供本振驱动源；其中倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。
优选的，晶体管栅极供电焊盘和晶体管漏极供电焊盘均采用金丝键合的方式通过直流供电金丝与微带线电路连接。
优选的，所述低噪声放大器输入腔入口的口径小于出口的口径，混频器本振输入腔入口的口径大于出口的口径。方便电磁波在内部更好的传输。
优选的，单片集成二极管对为反向并联平面肖特基二极管对，采用金带连接到平面肖特基二极管对两侧的悬置微带线上。
优选的，每个过孔的长度和宽度均不超过20微米。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个以GaAs砷化镓为衬底的基片和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收机前端可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。
2、本发明中多功能模块在一个电路中实现相比现有单模块级联组成的电路加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少，减少了多模块电路的体积，实现了电路小型化，同时也降低了加工腔体和基片的成本。
3、本发明中倍频器直流偏置与本振驱动源电路之间由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为低噪声放大器电路所在芯片结构示意图；
图3为分谐波混频器仿真结果；
图4为本振驱动源电路结构示意图；
图5本振驱动源电路仿真结果图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、低噪声放大器输入腔；2、GaAs衬底；3、上层接地金属；4、过孔；5、地-地空气桥；6、传输线；7、晶体管；8、直流供电金丝；9、晶体管栅极供电焊盘；10、晶体管漏极供电焊盘；11、微带线电路；12、共面波导-微带线过渡结构；13、单片集成二极管对；14、本振低通滤波器；15、混频器本振输入腔；16、本振过渡段；17、中频低通滤波器；18、中频输出端口；19、射频-共面波导输入探针；20、纵向传输线；21、混频器腔；22、本振驱动源腔；23、倍频器单片集成二极管对；24、倍频器本振低通滤波器；25、倍频器直流偏置；26、倍频器本振输入腔；27、倍频器射频过渡段；28、金带；29、梁式引线。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-5所示，本发明包括太赫兹小型化多功能集成接收机前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底2上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔1、混频器腔21和混频器本振输入腔15，低噪声放大器输入腔1与混频器腔21连接，在混频器腔21y轴延伸线上还垂直横穿混频器本振输入腔15，在混频器腔21内的分谐波混频器电路上的本振过渡段16位于混频器本振输入腔15，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔1，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导-微带线过渡结构12连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝8与微带线电路11连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底2上表面的上层接地金属3，两块上层接地金属3位于传输线6的两侧，在两块上层接地金属3之间桥接多根平行设置的地-地空气桥5，在两块上层接地金属3之间水平横穿传输线6，传输线6的一端连接射频-共面波导输入探针19，传输线6另一端连接共面波导-微带线过渡结构12,在传输线6上还安装多个晶体管7，多个晶体管7的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘9供电，多个晶体管7的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘10供电，多个晶体管7的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘9和晶体管漏极供电焊盘10均通过直流供电金丝8与微带线电路11连接，在每块上层接地金属3上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔4，过孔4布满整个上层接地金属3；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔22内的GaAs衬底上，本振驱动源腔22垂直安装在混频器本振输入腔15上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段27插入混频器本振输入腔15内，在本振驱动源腔22上还垂直横穿倍频器本振输入腔26，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔26。
工作原理：天线接收到外界的信号从低噪声放大器上的低噪声放大器输入腔上的输入端口进入，经过低噪声放大器将信号放大后进入分谐波混频器电路的射频端口；其中本振信号从倍频器本振输入腔的倍频器本振输入端进入，经过本振驱动源电路倍频后的信号进入分谐波混频器上的混频器本振输入腔的本振端口为混频器提供本振驱动，然后本振信号和经过低噪声放大器放大后的信号经分谐波混频器处理后输出。本方案中低噪声放大器的输入输出端口采用标准波导WR2.2，混频器射频端口采用标准波导WR2.2，本振端口采用标准波导WR5.1，其中低噪声放大器的共面波导结构可实现整体电路接地，直流地可为因分谐波混频器中二极管对的不对称性引起的非平衡电流提供回路，从而提升了混频器的性能；其中共面波导-微带线过渡结构对电路进行良好的匹配使能量更好的传输。
低噪声放大器电路的工作原理：射频-共面波导输入探针将天线接收到外界的信号电磁耦合到低噪声放大器电路所在芯片上，射频-共面波导输入探针与低噪声放大器电路所在芯片集成在一块衬底上，既避免金丝键合带来的寄生参量，又减小了总体装配难度。地-地空气桥连接信号主路两侧的上层接地金属，消除太赫兹频段带来的寄生参数；晶体管连接上下供地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔，由于太赫兹频段高，容易在基片形成高次模式，从而影响信号的传输；上层接地金属，为太赫兹芯片提供接地平面；GaAs衬底，与InP衬底相比，GaAs衬底上的mHEMT技术更便宜，有更高的结晶质量，更高的机械强度和大直径的可用GaAs晶片。晶体管栅极供电焊盘，整块芯片中晶体管栅极供直流供电电路由同一块焊盘提供，由于直流焊盘在芯片上占据了较大的面积，从而减小了多块焊盘带来的芯片面积浪费；晶体管漏极供电焊盘，整块低噪声放大器电路芯片中晶体管漏极供直流供电电路由同一块焊盘提供；直流供电金丝，通过金丝键合的方式，将直流供电电路与低噪声放大器电路芯片直流焊盘形成电气连接，给整块低噪声放大器电路芯片提供直流；微带线电路，采用普通的5880基片，通过PCB提供稳压后电压，给低噪声放大器电路芯片为栅极和漏极焊盘提供直流电压；与后级混频器连接的共面波导-微带线过渡结构，完成芯片输出到后级下变频输入的共面波导-微带线过渡结构。
本发明基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个以GaAs砷化镓为衬底的基片和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收机前端可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。
本方案中多功能模块在一个电路中实现相比现有单模块级联组成的电路加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少，减少了多模块电路的体积，实现了电路小型化，同时也降低了加工腔体和基片的成本。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上优选如下：所述本振驱动源电路包括采用悬置微带形式的传输线依次串联连接的倍频器射频过渡段27、倍频器单片集成二极管对23、倍频器本振低通滤波器24和倍频器直流偏置25，在倍频器单片集成二极管对23和倍频器本振低通滤波器24之间还设置金带28，在倍频器单片集成二极管对23的两端还设置梁式引线29，在倍频器直流偏置25和倍频器本振低通滤波器24之间通过垂直设置在GaAs衬底上的梁式引线29连接，倍频器单片集成二极管对23直接焊接在GaAs衬底上。驱动信号由倍频器本振端口进入，经过倍频器本振低通滤波器，加载到倍频器单片集成二极管对进行倍频，输出的信号为混频器提供本振驱动源；其中倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。
本振驱动源电路采用基于反向并联二极管对的太赫兹三倍频器，二极管直接焊接在GaAs衬底上，减少了人工装配的误差，其电路如图4所示。该类型三倍频器的二极管数量为偶数，输入输出信号均由二极管对中心耦合，为保证每个二极管偏置状态相同，直流偏置从二极管一端加载。由此，二极管对于输入信号呈现反向并联，对于直流偏置则为串联，同时偶次谐波在此种结构下形成虚拟回路，只有奇次谐波进入输出端，实现抑制偶次谐波的功能，适用于奇次倍频器。
为便于安装平面二极管并实现滤波、匹配等功能，太赫兹倍频器中常采用电路基片作为传输线，而接入倍频器分离结构的传输线形式，在太赫兹频段一般有微带、共面波导与悬置微带三种形式。相比于背面接地的微带线形式，本方案采用的悬置微带并无接地，其电场由微带基片向四周至屏蔽盒发散，电场主要集中在空气而非介质基片中，可以有效减少传输线上的能量损耗；而相比于共面波导来说，悬置微带的电路结构相对简单，没有侧面接地的结构，易于制作，尤其在太赫兹高频段电路尺寸减小，简单的电路结构有效增加电路的可靠性。如图5为三倍频器的仿真结果图。图中结果是输入功率为20dBm时得到的仿真结果图。输出功率在175GHz-210GHz范围内大于5mw，由测试结果可知，该方案减少了传输线上的能量损耗，增加电路的可靠性。
金属腔体、本振驱动源腔22和倍频器本振输入腔26位于同一平面内。能够进一步缩小集成接收机前端的体积。
低噪声放大器电路和分谐波混频器电路形成的线路与本振驱动源电路形成的线路相互平行。使得本方案的布局更加的紧凑、美观。
混频器本振输入腔15和倍频器本振输入腔26相互平行。便于信号输入端的排布，进一步缩小体积。
分谐波混频器电路包括依次沿x轴方向串联连接的单片集成二极管对13、本振低通滤波器14、本振过渡段16、中频低通滤波器17和中频输出端口18，中频低通滤波器17包括x轴传输线和三个纵向传输线20，三个纵向传输线20依次垂直安装在x轴传输线上。
分谐波混频器基于平面封装肖特基二极管对和微带线的主流电路结构，无源电路由射频端口过渡、二极管对三维模型、本振中频双工(包括本振端口过渡、本振低通滤波和中频低通滤波输出)三部分组成，射频和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡传输到微带线并经相应匹配网络后加载到混频二极管对上，由于本振信号频率低于射频端口波导截止频率，所以本振信号不会从射频端口处泄漏，而射频信号由于本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；混频产生的中频信号从本振端通过一个微带低通滤波器输出。在射频端通过微带条带与腔体的接触实现系统接地。电路将平面肖特基二极管对与悬置微带线集成在厚度为12um的同一块砷化镓衬底上，这样既减小了混频电路的尺寸，又避免了人工装配二极管对时带来的误差。射频信号通过mHEMT低噪放芯片(LNA TMIC)提供，本振中频双工(包括本振端口过渡、本振低通滤波器和中频低通滤波器)为本振输入和中频输出提供通路，射频和本振信号分别通过各自与二极管管对之间的匹配网络加载到二极管之间，二极管对采用反向并联形式，本振的偶次谐波与射频基波混频产生中频信号，通过高低阻抗线低通滤波器输出，泄漏到本振中频双工的本振基波信号则被反射回收到二极管对继续混频，从而改善变频损耗。
其中本振信号从分谐波混频器的本振端口进入，为混频器提供本振驱动；其中低噪声放大器的共面波导结构可实现整体电路接地，直流地可为因分谐波混频器中二极管对的不对称性引起的非平衡电流提供回路，从而提升了混频器的性能；其中共面波导-微带线过渡结构对电路进行良好的匹配使能量更好的传输；其中本振过渡通过中频滤波器和波导结构实现本振信号的输入与中频信号的输出；其中中频输出端用50欧姆微带阻抗线实现；其中混频器的射频和本振信号分别从混频器共面波导-微带线过渡段和混频器本振输入端口馈入，加载到混频器单片集成二极管对上进行混频；其中二极管混频产生的中频信号经本振双工器后由中频输出端口输出；其中由于混频器本振信号频率低于混频器射频端口波导截止频率，所以混频器本振信号不会从混频器射频端口处泄漏；其中混频器射频信号由于混频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从混频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中混频器射频和混频器本振信号可以在混频二极管处循环利用从而减少混频中的能量损失，提高混频效率。驱动信号由倍频器本振端口进入，经过倍频器本振低通滤波器，加载到倍频器单片集成二极管对进行倍频，输出的信号为混频器提供本振驱动源；其中倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。
如图3所示，在HFSS中建立平面肖特基二极管对的三维电磁模型并用金带连接到悬置微带线上。平面肖特基二极管对是谐波混频器的关键部件，其性能直接影响混频器的实现，因此对肖特基二极管对经行精确建模是非常有必要的。为使混频器仿真更接近实际，需要在HFSS中建立平面肖特基二极管对的三维电磁模型并建立相应的微带线结构。在HFSS电磁仿真软件中对射频过渡、二极管对、本振双工器进行设计仿真并将仿真结果转化为SNP文件并导入ADS中，在ADS原理图中建立谐波混频器整体电路，可得仿真结果如图3所示。图中结果是固定中频输出为3GHz，本振功率为6dBm时得到的仿真结果。变频损耗在392GHz-446GHz范围内小于8dB，最小变频损耗在408GHz，为6.83dB。由该结构可知，该方案使得多功能电路内部不必要的传输损耗更少，减少了对应的匹配电路和连接基片，使模块更容易设计。
实施例3：
本实施例在上述实施例的技术上有限如下：低噪声放大器电路采用CPW共面波导结构。即地-信号-地结构，基板通孔用于连接CPW共面波导结构顶部接地与底部接地，以抑制寄生衬底模式。
所述低噪声放大器电路所在的芯片部分位于封装波导的基座上。基座作为低噪声放大器芯片的支撑结构，同时对射频信号反向短路，从而保证输入输出端口高隔离度，使得射频信号通过探针耦合射频信号。
低噪声放大器电路和分谐波混频器电路采用mHEMT工艺集成在GaAs衬底上。与InP衬底相比，GaAs衬底上的mHEMT技术更便宜，有更高的结晶质量，更高的机械强度和大直径的可用GaAs晶片。
晶体管栅极供电焊盘9和晶体管漏极供电焊盘10均采用金丝键合的方式通过直流供电金丝8与微带线电路11连接。供电更稳定可靠。
低噪声放大器输入腔1入口的口径小于出口的口径，混频器本振输入腔15入口的口径大于出口的口径。方便电磁波在内部更好的传输。
单片集成二极管对13为反向并联平面肖特基二极管对，采用金带连接到平面肖特基二极管对两侧的悬置微带线上。
晶体管7为InP mHEMT晶体管。即变质高电子迁移率晶体管。
每个过孔4的长度和宽度均不超过20微米。由于太赫兹频段高，容易在GaAs衬底形成高次模式，从而影响信号的传输，而过孔的设置能够去除掉GaAs衬底形成的高次谐波，信号传输更稳定，而过孔设置的数量越多，过孔的面积越小，抑制高次谐波的效果越好。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底(2)上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔(1)、混频器腔(21)和混频器本振输入腔(15)，低噪声放大器输入腔(1)与混频器腔(21)连接，在混频器腔(21)y轴延伸线上还垂直横穿混频器本振输入腔(15)，在混频器腔(21)内的分谐波混频器电路上的本振过渡段(16)位于混频器本振输入腔(15)，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔(1)，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导-微带线过渡结构(12)连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底(2)上表面的上层接地金属(3)，两块上层接地金属(3)位于传输线(6)的两侧，在两块上层接地金属(3)之间桥接多根平行设置的地-地空气桥(5)，在两块上层接地金属(3)之间水平横穿传输线(6)，传输线(6)的一端连接射频-共面波导输入探针(19)，传输线(6)另一端连接共面波导-微带线过渡结构(12),在传输线(6)上还安装多个晶体管(7)，多个晶体管(7)的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘(9)供电，多个晶体管(7)的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘(10)供电，多个晶体管(7)的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘(9)和晶体管漏极供电焊盘(10)均通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接，在每块上层接地金属(3)上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔(4)，过孔(4)布满整个上层接地金属(3)；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔(22)内的GaAs衬底上，本振驱动源腔(22)垂直安装在混频器本振输入腔(15)上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段(27)插入混频器本振输入腔(15)内，在本振驱动源腔(22)上还垂直横穿倍频器本振输入腔(26)，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔(26)；
所述本振驱动源电路包括采用悬置微带形式的传输线依次串联连接的倍频器射频过渡段(27)、倍频器单片集成二极管对(23)、倍频器本振低通滤波器(24)和倍频器直流偏置(25)，在倍频器单片集成二极管对(23)和倍频器本振低通滤波器(24)之间还设置金带(28)，在倍频器单片集成二极管对(23)的两端还设置梁式引线(29)，在倍频器直流偏置(25)和倍频器本振低通滤波器(24)之间通过垂直设置在GaAs衬底上的梁式引线(29)连接，倍频器单片集成二极管对(23)直接焊接在GaAs衬底上；
金属腔体、本振驱动源腔(22)和倍频器本振输入腔(26)位于同一平面内；
低噪声放大器电路和分谐波混频器电路形成的线路与本振驱动源电路形成的线路相互平行；
混频器本振输入腔(15)和倍频器本振输入腔(26)相互平行；
所述分谐波混频器电路包括依次沿x轴方向串联连接的单片集成二极管对(13)、本振低通滤波器(14)、本振过渡段(16)、中频低通滤波器(17)和中频输出端口(18)，中频低通滤波器(17)包括x轴传输线和三个纵向传输线(20)，三个纵向传输线(20)依次垂直安装在x轴传输线上。
2.根据权利要求1所述的太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，晶体管栅极供电焊盘(9)和晶体管漏极供电焊盘(10)均采用金丝键合的方式通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接。
3.根据权利要求1所述的太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，所述低噪声放大器输入腔(1)入口的口径小于出口的口径，混频器本振输入腔(15)入口的口径大于出口的口径。
4.根据权利要求1所述的太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，单片集成二极管对(13)为反向并联平面肖特基二极管对，采用金带连接到平面肖特基二极管对两侧的悬置微带线上。
5.根据权利要求1所述的太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，每个过孔(4)的长度和宽度均不超过20微米。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于GaAs肖特基二极管的330 GHz接收前端技术研究;姚常飞;陈振华;葛俊祥;;红外与毫米波学报(第04期);全文 * |
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