CN110187195A - 辐射计前端和终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于太赫兹安检、物质检测、遥感以及医疗诊断等技术领域，提供了一种辐射计前端和终端设备，包括：金属盒体，上侧面开有一凹槽，凹槽内设置多个凸台；第一低噪声放大器芯片、第二低噪声放大器芯片以及检波器芯片依次设置于对应的凸台上；石英探针设置于金属盒体的凹槽内并且位于第一低噪声放大器芯片对应的凸台左侧；视频放大器设置于金属盒体的凹槽内并且位于检波器芯片对应的凸台右侧；传导线设置于金属盒体凹槽内的凸台之间、石英探针与第一低噪声放大器芯片对应的凸台之间以及检波器芯片对应的凸台与视频放大器之间，且相邻器件之间通过传导线电气连接，从而可以显著减小各电路的体积。

Description

辐射计前端和终端设备

技术领域

本发明属于太赫兹安检、物质检测、遥感以及医疗诊断等技术领域，尤其涉及一种辐射计前端和终端设备。

背景技术

辐射计是一种用于测量物体热辐射的高灵敏度接收机，是被动微波遥感的主要工具。目前，基于地基(含地面与船载平台)、空基(含飞机、导弹、气球平台)、星基(含卫星、宇宙飞船、航天飞机平台)等运载平台的微波辐射计均得到了迅猛的发展，而辐射计也从米波辐射计，发展到现在的毫米波、亚毫米波甚至太赫兹辐射计。太赫兹能够以很少的衰减量而穿过非金属和非极性材料，实现材料内部太赫兹成像探测。

辐射计前端作为辐射计系统的重要组成部分，其性能直接影响系统的指标。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等单一功能，并在单一模块的基础上进行级联来实现太赫兹辐射计前端的系统电路，例如现有技术中的低噪声辐射计接收机，包括微带转换集成模块、滤波放大集成模块以及单片放大集成模块，各个模块相互独立气密封装，采用同轴端子相连，并与检波以及积分电路分为两个盒体装配，盒体之间采用电连接器连接，从而导致集成度较差，装配难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种辐射计前端和终端设备，以解决现有技术中集成度较差，装配难度大的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种辐射计前端，包括：

金属盒体，上侧面开有一凹槽，所述凹槽内设置多个凸台，所述凸台用于定位芯片；

第一低噪声放大器芯片、第二低噪声放大器芯片以及检波器芯片，依次设置于对应的凸台上；

石英探针，设置于所述金属盒体的凹槽内并且位于所述第一低噪声放大器芯片对应的凸台左侧，用于接收物体辐射的信号；

视频放大器，设置于所述金属盒体的凹槽内并且位于所述检波器芯片对应的凸台右侧；

传导线，设置于所述金属盒体凹槽内的凸台之间、石英探针与所述第一低噪声放大器芯片对应的凸台之间以及所述检波器芯片对应的凸台与所述视频放大器之间，且相邻器件之间通过所述传导线电气连接。

在一实施例中，所述传导线包括微带线和熔融石英基片；

所述石英探针、所述第一低噪声放大器芯片、所述第二低噪声放大器芯片和所述检波器芯片的相邻器件之间设置的传导线为熔融石英基片，所述检波器芯片和所述视频放大器之间设置的传导线为微带线。

在一实施例中，所述石英探针和所述第一低噪声放大器芯片通过所述石英探针和所述第一低噪声放大器芯片之间的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述第一低噪声放大器芯片、所述第二低噪声放大器芯片和所述检波器芯片通过对应凸台两侧的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述检波器芯片和所述视频放大器通过所述检波器芯片和所述视频放大器之间的微带线采用键合方式实现电气连接。

在一实施例中，还包括：温度补偿偏置电路，与所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片中至少一个低噪声放大器芯片连接。

在一实施例中，所述温度补偿偏置电路，包括第一输入端、第一温补电路、第二温补电路、运算放大器、二极管、第一电阻以及第二电阻；

所述第一温补电路的输入端和所述第二温补电路的输入端均与所述第一输入端连接，所述第一温补电路的输出端以及所述第二温补电路的输出端分别连接所述运算放大器的正极输入端和负极输入端；其中，所述第一温补电路的输出端或所述第二温补电路的输出端还与低噪声放大器芯片的控制端连接；

所述运算放大器的输出端依次通过二极管、第一电阻和第二电阻接地；

第一电阻和第二电阻的公共接点与低噪声放大器芯片的输入端连接；

所述低噪声放大器芯片的接地端接地；

其中，所述低噪声放大器芯片所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片，或者为第一低噪声放大器芯片，或者为第二低噪声放大器芯片。

在一实施例中，所述第一温补电路以及所述第二温补电路的电路结构相同；

所述第一温补电路或所述第二温补电路包括第二输入端、第二输出端、热敏电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第二输入端连接所述第三电阻的第一端；

所述第三电阻的第二端与所述热敏电阻的第一端和所述第四电阻的第一端连接；

所述热敏电阻的第二端和所述第四电阻的第二端接地；

所述第三电阻的第二端、所述热敏电阻的第一端和所述第四电阻的第一端还与所述第二输出端连接。

在一实施例中，所述第三电阻的阻值为10K欧姆；

所述热敏电阻的阻值为33K欧姆；

所述第四电阻的阻值为9.1K欧姆。

在一实施例中，所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片的衬底为InP衬底。

在一实施例中，所述视频放大器中运算放大器放大倍数调试采用键合式多阻值串联型薄膜电阻，通过键合丝调整电阻值。

本发明实施例的第二方面提供了一种终端设备，包括上述所述辐射计前端中的任一种。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过将各器件芯片化，并将各芯片设置于一个金属盒体内，可以显著减小各电路的体积，具有较高的集成度，可实现全自动装配，另设置凸台以及传导线，使得部分芯片可以设置于对应的凸台上，并采用传导线连接相邻芯片，从而可以降低装配难度，可实现工程化和批产化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的辐射计前端的剖面图的示意图；

图2是本发明实施例提供的辐射计前端(包括温度补偿偏置电路)的剖面图的示意图；

图3是本发明实施例提供的温度补偿偏置电路的示例图；

图4是本发明实施例提供的第一温补电路或者第二温补电路示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1为本发明实施例提供的辐射计前端的示意图，详述如下。

所述辐射计前端，可以包括：金属盒体101、凸台102、石英探针103、第一低噪声放大器芯片104、第二低噪声放大器芯片105、检波器芯片106、视频放大器107以及传导线108。

金属盒体101，上侧面开有一凹槽，所述凹槽内设置多个凸台102，所述凸台102用于定位芯片；

第一低噪声放大器芯片104、第二低噪声放大器芯片105以及检波器芯片106，依次设置于对应的凸台上；

石英探针103，设置于所述金属盒体101的凹槽内并且位于所述第一低噪声放大器芯片104对应的凸台102左侧，用于接收物体辐射的信号；

视频放大器107，设置于所述金属盒体101的凹槽内并且位于所述检波器芯片106对应的凸台102右侧；

传导线108，设置于所述金属盒体101凹槽内的凸台之间、石英探针103与所述第一低噪声放大器芯片104对应的凸台之间以及所述检波器芯片106对应的凸台与所述视频放大器107之间，且相邻器件之间通过所述传导线108电气连接。

可选的，石英探针103用于接收物体辐射的太赫兹信号。太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz频谱范围内的电磁波，处于毫米波与光波之间。太赫兹能够以很少的衰减量而穿过陶瓷、纺织品、布料、纸板、塑料、木料、墙壁等非金属和非极性材料，可实现材料内部太赫兹成像探测。

低噪声放大器芯片104用于放大接收到的宽带有用信号，两级噪声放大器芯片可以实现更高的射频增益，放大接收到的宽带有用信号，经检波器输出视频有用信号后，有用信号幅度更高，相比检波器本身产生的恒定热噪声，视频信号的信噪比更高，进而提升辐射计等效噪声温度灵敏度。

检波器芯片106用于将接收到的有用信号转换成直流检波电压。

视频放大器107用于将检波电压进一步放大并转换成差分电压输出。

上述辐射计前端，通过将各器件芯片化，并将各芯片设置于一个金属盒体内，可以显著减小各电路的体积，具有较高的集成度，可实现全自动装配，另设置凸台以及微带线，使得部分芯片可以设置于对应的凸台上，采用传导线连接相邻器件，从而可以降低装配难度，可实现工程化和批产化。

可选的，所述传导线108包括微带线和熔融石英基片；所述石英探针103、所述第一低噪声放大器芯片104、所述第二低噪声放大器芯片105和所述检波器芯片106的相邻器件之间设置的传导线为熔融石英基片，所述检波器芯片106和所述视频放大器107之间设置的传导线为微带线。

可选的，所述石英探针103和所述第一低噪声放大器芯片104通过所述石英探针103和所述第一低噪声放大器芯片104之间的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述第一低噪声放大器芯片104、所述第二低噪声放大器芯片105和所述检波器芯片106通过对应凸台两侧的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述检波器芯片106和所述视频放大器107通过所述检波器芯片106和所述视频放大器107之间的微带线采用键合方式实现电气连接。

可选的，通过键合方式采用键合丝实现电气连接，键合丝可以包括金丝、金带或者铝丝。优选的，可以采用键合金丝实现电气连接。

可选的，辐射计前端中，金属盒体凹槽内做了芯片凸台定位和传导线定位，可以实现芯片、传导线和外围电容、垫片等的全自动装架；装架完成后，借助产品较小的键合区域(≤50*100mm²)和金属盒体中的特殊定位标记进行键合对位图像识别，实现全自动化的金丝键合。

可选的，所述第一低噪声放大器芯片104和所述第二低噪声放大器芯片105的衬底可以采用InP衬底，相比于GaAs器件，InP衬底的两级低噪声放大器芯片的截止频率更高，噪声特性更加优良。

可选的，所述视频放大器107中运算放大器放大倍数调试采用键合式多阻值串联型薄膜电阻，通过键合丝调整电阻值。在视频放大器107的视频放大PCB电路中，通过运算放大器可以实现被动探测器即辐射计输出电压区间的调整。传统方法使用表贴电阻焊接更换元器件，本实施例中通过该运算放大器比例电阻改为可键合式多阻值串联型薄膜电阻，可以实现免焊接的高效率调测试，该调试方法可以极大的提升了调试效率，减少手工焊接工艺，提升产品可靠性。

可选的，如图2所示，所述辐射计前端，还可以包括：温度补偿偏置电路109。

所述温度补偿偏置电路109可以与所述第一低噪声放大器芯片104和所述第二低噪声放大器芯片105中至少一个低噪声放大器芯片连接。例如，所述温度补偿偏置电路109可以仅与第一低噪声放大器芯片104连接，也可以仅和第二低噪声放大器芯片105连接，也可以分别与第一低噪声放大器芯片104和第二低噪声放大器芯片105连接。

可选的，如图3所示，所述温度补偿偏置电路109，可以包括第一输入端1091、第一温补电路1092、第二温补电路1093、运算放大器1094、二极管1095以及第一电阻1096和第二电阻1097；

所述第一温补电路1092的输入端和所述第二温补电路1093的输入端均与所述第一输入端1091连接，所述第一温补电路1092的输出端以及所述第二温补电路1093的输出端分别连接所述运算放大器1094的正极输入端和负极输入端；其中，所述第一温补电路1092的输出端或所述第二温补电路1093的输出端还与低噪声放大器芯片的控制端连接；

所述运算放大器1094的输出端依次通过二极管1095、第一电阻1096和第二电阻1097接地；

第一电阻1096和第二电阻1097的公共接点与低噪声放大器芯片的输入端连接；

所述低噪声放大器芯片的接地端接地；

其中，所述低噪声放大器芯片为所述第一低噪声放大器芯片104和所述第二低噪声放大器芯片105，或者为第一低噪声放大器芯104，或者为第二低噪声放大器芯片105。

可选的，如图3所示，检波器芯片106输出电压Av＝K*G*β；其中K为辐射计等效输入功率，在一定使用场景内，K为恒定值。如果要满足输出电压Av不变，则G*β的值需要尽可能保持稳定。

一般辐射计输出电压要求的温度范围为[-20℃,+40℃]，且电压变化量尽可能小。如果不使用温度补偿偏置电路，则低噪声在传统恒流源偏置条件下，在高温40℃比常温20℃时增益将下降15％，两级低噪声放大器芯片增益下降可达30％，检波器芯片灵敏度β下降40％，总输出电压降低超过50％；在低温-20℃下，两级低噪声放大器芯片增益提升30％，检波器灵敏度β提升40％，总输出电压增长超过50％。

辐射计输出电压随温度漂移，将导致整机中的辐射计校准电压与实际整机中辐射计在高温或低温状态下的辐射计静态工作电压有偏差，从而难以有效反映所探测的外界物质能量信息。

本实施例采用了温度补偿偏置电路后，改变了两级低噪声放大器芯片的高低温偏置条件，从而补偿两级低噪声放大器芯片的增益的高低温变化，抵消检波器芯片检波灵敏度β的变化趋势，从而保证G*β的值维持恒定。

可选的，如图4所示，所述第一温补电路1091以及所述第二温补电路1092的电路结构相同；

所述第一温补电路1091或所述第二温补电路1092包括第二输入端401、第二输出端402、热敏电阻403、第三电阻404和第四电阻405；

所述第二输入端401连接所述第三电阻404的第一端；

所述第三电阻404的第二端与所述热敏电阻403的第一端和所述第四电阻405的第一端连接；

所述热敏电阻404的第二端和所述第四电阻405的第二端接地；

所述第三电阻404的第二端、所述热敏电阻403的第一端和所述第四电阻405的第一端还与所述第二输出端402连接。

可选的，为了保证温度补偿后两级低噪声放大器芯片输出电压的稳定，所述第三电阻的阻值可以为10K欧姆；所述热敏电阻的阻值可以为33K欧姆；所述第四电阻的阻值可以为9.1K欧姆。

可选的，第一温补电路1091以及第二温补电路1092的等效电阻随着温度升高而降低，随着温度降低而升高。

温度补偿的变化规律为：当环境温度T升高，热敏电阻减小，低噪声放大器芯片漏级电压Vd降低，漏级电流Ids增大，低噪声放大器芯片栅极电压Vg由运放输出Vo自适应调整后提高，导致低噪声放大器芯片增益G增大，从而低噪声放大器芯片增益提升ΔG，补偿检波器芯片灵敏度β下降的Δβ，使得检波器芯片输出电压Av变化减小。试验表明，采用本实施例提高的温度补偿偏置电路后，Av变化高温温度在40℃和低温温度在-20℃时相比常温变化率小于10％。因此，温度补偿偏置电路采用基于恒流源的温度补偿电路方案，可以显著减小电路预热稳定的时间，以及显著改善产品输出电压随环境温度变化的漂移。

上述辐射计前端，通过将各器件芯片化，并将各芯片设置于一个金属盒体内，可以显著减小各电路的体积，具有较高的集成度，可实现全自动装配，另设置凸台以及传导线，使得部分芯片可以设置于对应的凸台上，传导线连接相邻器件，从而可以降低装配难度，可实现工程化和批产化。另外，增设温度补偿偏置电路，采用基于恒流源的温度补偿电路，可以显著减小电路预热稳定的时间，以及显著改善产品输出电压随环境温度变化的漂移。

可选的，本发明实施例还提供一种终端设备，该终端设备可以包括上述任一种辐射计前端，且具有上述辐射计前端所具有的所有有益效果。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种辐射计前端，其特征在于，包括：

金属盒体，上侧面开有一凹槽，所述凹槽内设置多个凸台，所述凸台用于定位芯片；

第一低噪声放大器芯片、第二低噪声放大器芯片以及检波器芯片，依次设置于对应的凸台上；

石英探针，设置于所述金属盒体的凹槽内并且位于所述第一低噪声放大器芯片对应的凸台左侧，用于接收物体辐射的信号；

视频放大器，设置于所述金属盒体的凹槽内并且位于所述检波器芯片对应的凸台右侧；

传导线，设置于所述金属盒体凹槽内的凸台之间、石英探针与所述第一低噪声放大器芯片对应的凸台之间以及所述检波器芯片对应的凸台与所述视频放大器之间，且相邻器件之间通过所述传导线电气连接。

2.如权利要求1所述的辐射计前端，其特征在于，所述传导线包括微带线和熔融石英基片；

所述石英探针、所述第一低噪声放大器芯片、所述第二低噪声放大器芯片和所述检波器芯片的相邻器件之间设置的传导线为熔融石英基片，所述检波器芯片和所述视频放大器之间设置的传导线为微带线。

3.如权利要求1所述的辐射计前端，其特征在于，所述石英探针和所述第一低噪声放大器芯片通过所述石英探针和所述第一低噪声放大器芯片之间的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述第一低噪声放大器芯片、所述第二低噪声放大器芯片和所述检波器芯片通过对应凸台两侧的熔融石英基片采用键合方式实现电气连接；

所述检波器芯片和所述视频放大器通过所述检波器芯片和所述视频放大器之间的微带线采用键合方式实现电气连接。

4.如权利要求1所述的辐射计前端，其特征在于，还包括：温度补偿偏置电路，与所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片中至少一个低噪声放大器芯片连接。

5.如权利要求4所述的辐射计前端，其特征在于，所述温度补偿偏置电路，包括第一输入端、第一温补电路、第二温补电路、运算放大器、二极管、第一电阻以及第二电阻；

所述第一温补电路的输入端和所述第二温补电路的输入端均与所述第一输入端连接，所述第一温补电路的输出端以及所述第二温补电路的输出端分别连接所述运算放大器的正极输入端和负极输入端；其中，所述第一温补电路的输出端或所述第二温补电路的输出端还与低噪声放大器芯片的控制端连接；

所述运算放大器的输出端依次通过二极管、第一电阻和第二电阻接地；

第一电阻和第二电阻的公共接点与低噪声放大器芯片的输入端连接；

所述低噪声放大器芯片的接地端接地；

其中，所述低噪声放大器芯片为所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片，或者为第一低噪声放大器芯片，或者为第二低噪声放大器芯片。

6.如权利要求5所述的辐射计前端，其特征在于，所述第一温补电路以及所述第二温补电路的电路结构相同；

所述第一温补电路或所述第二温补电路包括第二输入端、第二输出端、热敏电阻、第三电阻和第四电阻；

所述第二输入端连接所述第三电阻的第一端；

所述第三电阻的第二端与所述热敏电阻的第一端和所述第四电阻的第一端连接；

所述热敏电阻的第二端和所述第四电阻的第二端接地；

所述第三电阻的第二端、所述热敏电阻的第一端和所述第四电阻的第一端还与所述第二输出端连接。

7.如权利要求6所述的辐射计前端，其特征在于，

所述第三电阻的阻值为10K欧姆；

所述热敏电阻的阻值为33K欧姆；

所述第四电阻的阻值为9.1K欧姆。

8.如权利要求1至7任一项所述的辐射计前端，其特征在于，所述第一低噪声放大器芯片和所述第二低噪声放大器芯片的衬底为InP衬底。

9.如权利要求1至7任一项所述的辐射计前端，其特征在于，所述视频放大器中运算放大器放大倍数调试采用键合式多阻值串联型薄膜电阻，通过键合丝调整电阻值。

10.一种终端设备，包括上述权利要求1至9任一项所述辐射计前端。