CN115133246A - 太赫兹集成波导腔体、波导结构、辐射计系统及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹辐射计技术领域，尤其是涉及太赫兹集成波导腔体、波导结构、辐射计系统及电子设备，太赫兹集成波导腔体具有多个用于安装电路单元的外壁面，太赫兹集成波导腔体内设置有信号传输通道，外壁面上设置有与信号传输通道对应的通道口，信号传输通道内设置有导体，导体与信号传输通道之间设置有绝缘层，导体用于实现电路单元之间的信号传输连接。本发明通过采用了导体与信号传输通道配合的关系替换了原有组合式波导结构中的转角、扭转波导结构，不仅有效降低了波导腔体的加工难度，提高了波导腔体的空间利用率，还有效保证每个辐射计末端的独立设置和各个安装辐射计末端之间的高度隔离，实现了多频段辐射计前端的小型化集成设置。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹辐射计技术领域，尤其是涉及一种太赫兹集成波导腔体、波导结构、辐射计系统及电子设备。
背景技术
太赫兹辐射计是测量物体自身辐射信号的一种被动探测传感器。它本身不发射电磁信号，而是通过接收被观测目标辐射的电磁能量来探测目标的特性，不仅具有高灵敏度、高分辨率、高探测精度等特点，还具有很高的保密性和安全性。
目前，太赫兹辐射计在应用研究大气中痕量气体和气溶胶（水、冰、云、雾等）的浓度分布时，需要对一定频段进行宽带覆盖才能保证对气体的有效检测，通常需要从100GHz覆盖至600GHz以上（118GHz辐射计：主要接收气温与气压廓线和冰云的信号；190GHz辐射计：主要接收H2O、N2O、HNO3等信号；240GHz辐射计：主要接收O3、CO、HNO3等信号；640GHz辐射计：主要接收HCl、ClO、BrO等信号）；因此，就需要多频段集成，传统结构每个辐射计为单独链路，现有多频段辐射计即为多个单独辐射计的简单并联，体积较大，不利于辐射计的整体应用。
此外，在将太赫兹辐射计与矩形波导结构结合时，由于太赫兹电路尺寸小，而矩形波导结构又需要在纯金属上进行微机械铣削加工，加工灵活性差，因此，基于加工效率和加工成本的考量，现有技术一般采用一个波导结构来匹配部分电路单元，再通过多个波导结构组合来构成完整的太赫兹辐射计系统电路，然而该方式由于存多个波导结构，体积大，不能满足多频段辐射计前端的小型化要求。
发明内容
本申请的目的是提供一种太赫兹集成波导腔体、波导结构、辐射计系统及电子设备，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下四个方面：
本申请第一方面提供了一种太赫兹集成波导腔体，所述太赫兹集成波导腔体具有多个用于安装电路单元的外壁面，太赫兹集成波导腔体内设置有信号传输通道，所述外壁面上设置有与信号传输通道对应的通道口，信号传输通道内设置有导体，所述导体与信号传输通道之间设置有绝缘层，导体用于实现电路单元之间的信号传输连接。
本申请第二方面提供了一种太赫兹波导结构，包括上述的太赫兹集成波导腔体和多个波导腔体盖，所述波导腔体盖与太赫兹集成波导腔体的外壁面对应设置，波导腔体盖与太赫兹集成波导腔体之间设置有电路波导腔，电路波导腔用于安放电路单元，电路波导腔之间通过导体连接。
进一步地，所述太赫兹波导结构还包括探针过度结构，探针过度结构用于与导体配合实现电路波导腔之间的连接。
进一步地，所述导体与探针过度结构金丝键合连接。
进一步地，所述电路波导腔至少部分设置在波导腔体盖和/或太赫兹集成波导腔体的外壁面上。
进一步地，所述绝缘层与导体连接，和/或，绝缘层与信号传输通道连接。
进一步地，所述太赫兹集成波导腔体上用于安装电路单元外壁面的数量，不少于波导腔体盖的数量。
进一步地，所述波导腔体盖和太赫兹集成波导腔体可拆卸连接。
本申请第三方面提供了一种辐射计系统，所述辐射计系统包括信号驱动模块和多个太赫兹雷达接收末端，所述辐射计系统还包括上述的太赫兹波导结构，多个太赫兹雷达接收末端分别设置在太赫兹波导结构的不同电路波导腔中，太赫兹雷达接收末端的信号输入端分别通过导体与信号驱动模块的信号输出端连接，信号驱动模块用于产生驱动信号。
本申请第四方面提供了一种电子设备，其特征在于，包括上述的太赫兹集成波导腔体、上述的太赫兹波导结构、或上述的辐射计系统。
本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：
本发明一种太赫兹集成波导腔体、波导结构、辐射计系统及电子设备，通过采用了导体与信号传输通道配合的关系替换了原有组合式波导结构中的转角、扭转波导结构，不仅有效降低了波导腔体的加工难度，提高了波导腔体的空间利用率，还有效保证每个辐射计末端的独立设置、各个安装辐射计末端之间的高度隔离和多个辐射计末端的集成，实现了多频段辐射计前端的小型化集成设置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1中太赫兹集成波导腔体的结构示意图；
图2是图1中信号传输通道的结构示意图；
图3是实施例2中太赫兹波导结构的结构示意图；
图4是图3中电路波导腔之间的连接示意图；
图5是图3中电路波导腔与导体的连接结构示意图；
图6是实施例3中辐射计系统的电路连接示意图。
图中，
10、太赫兹集成波导腔体；110、外壁面；120、信号传输通道；121、通道口；122、导体；123、绝缘层；124、第一信号孔；125、第二信号孔；130、电路波导腔；140、探针过度结构；150、金丝键合；20、波导腔体盖；310、本振驱动倍频器；320、本振驱动放大器；330、太赫兹分谐波混频器；340、太赫兹天线。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本申请实施例提供了一种太赫兹集成波导腔体10，如图1所示，所述太赫兹集成波导腔体10具有多个用于安装电路单元的外壁面110，太赫兹集成波导腔体10内设置有信号传输通道120，所述外壁面110上设置有与信号传输通道120对应的通道口121，信号传输通道120内设置有导体122，所述导体122与信号传输通道120之间设置有绝缘层123，导体122用于实现电路单元之间的信号传输连接。
相比微带线等传统传输线，矩形波导结构具有功率容量大、传输损耗低、主模传输等优势；但是，由于矩形波导结构是在纯金属上进行微机械铣削加工，加工灵活性差，转角、扭转波导结构加工十分困难，这也造成传统太赫兹电路在波导腔体上多是单层电路；此外，太赫兹电路体积较小，通常在微米级，但波导法兰为国际标准尺寸，单个电路法兰盘均在2厘米左右，而现有多数太赫兹电路在一个波导腔体内只有一个电路，这就不仅造成内部空间的浪费，在将波导腔体应用于太赫兹多频段辐射计，还导致了太赫兹多频段辐射计前端体积大的问题；而本实施例通过将太赫兹集成波导腔体10的多个外壁面110上作为太赫兹多频段辐射计的安装面，让一个频段的辐射计末端设置在太赫兹集成波导腔体10的一个外壁面110上，让太赫兹多频段辐射计的驱动信号从太赫兹集成波导腔体10的另一个外壁面110对应的通道口121接入导体122，驱动信号通过导体122分别与每个频段的辐射计末端连接，就可以将太赫兹多频段辐射计的多个辐射计末端集成到一个太赫兹集成波导腔体10上，有效满足多频段辐射计前端的小型化要求；同时，对于太赫兹集成波导腔体10，一方面由于采用了导体122与信号传输通道120配合的关系替换了原有组合式波导结构中的转角、扭转波导结构，有效降低了波导腔体的加工难度，另一方面，通过将太赫兹集成波导腔体10的多个外壁面110上开设电路波导腔130来安装辐射计末端，不仅有效提高波导腔体的空间利用率，还有效保证每个辐射计末端的独立设置、各个安装辐射计末端之间的高度隔离和多个辐射计末端的集成，实现了多频段辐射计前端的小型化集成设置。
具体地，如图2所示，信号传输通道120包括第一信号孔124和多个第二信号孔125，一个信号孔对应一个外壁面110的通道口121，多个第二信号孔125分别与第一信号孔124连通，优选第一信号孔124对应的外壁面110作为安装电路中信号输入端的外壁面110，第二信号孔125对应的外壁面110作为安装电路中信号输出端的外壁面110。优选地，第一信号孔124和第二信号孔125之间的夹角为90°。优选地，第二信号孔125的中轴线位于同一平面，第一信号孔124的中轴线与所有第二信号孔125的中轴线所在平面垂直。通过将第一信号孔124和第二信号孔125之间的夹角设置为90°，方便在波导腔体上对第一信号孔124和第二信号孔125进行加工，降低波导腔体的加工难度。
实施例2
本申请实施例提供了一种太赫兹波导结构，如图1~5所示，包括实施例1所述的太赫兹集成波导腔体10和多个波导腔体盖20，所述波导腔体盖20与太赫兹集成波导腔体10的外壁面110对应设置，波导腔体盖20与太赫兹集成波导腔体10之间设置有电路波导腔130，电路波导腔130用于安放电路单元，电路波导腔130之间通过导体122连接。
在利用太赫兹波导结构安装太赫兹多频段辐射计时，将太赫兹多频段辐射计的多个辐射计末端分别设置在电路波导腔130中，让一个辐射计末端对应设置一个电路波导腔130，并让太赫兹多频段辐射计的驱动信号从太赫兹集成波导腔体10上未设置辐射计末端的外壁面110对应的通道口121接入导体122，驱动信号通过导体122分别与每个频段的辐射计末端连接，然后将波导腔体盖20与对应的太赫兹集成波导腔体10外壁面110盖合，就可以实现将太赫兹多频段辐射计的多个辐射计末端集成到一个太赫兹波导结构上，同时基于太赫兹波导结构，保证了每个辐射计末端的独立设置和各个安装辐射计末端之间的高度隔离；示例行的，对于一个包含3个辐射计末端的太赫兹多频段辐射计，选用太赫兹集成波导腔体10上的3个电路波导腔130，1个电路波导腔130中安装1个辐射计末端，然后选择太赫兹集成波导腔体10上第四个外壁面110来安装太赫兹多频段辐射计的信号驱动模块，让太赫兹多频段辐射计的驱动信号从第四个外壁面110接入导体122，并通过导体122分别与另外三个外壁面110上的辐射计末端连接，即可实现太赫兹波导结构对3个辐射计末端的集成设置；相应地，对于拥有更多辐射计末端的太赫兹多频段辐射计，可以相应地增加太赫兹集成波导腔体10上电路波导腔130数量及对应的外壁面110数量；对于拥有2个辐射计末端的太赫兹多频段辐射计，则可以选择至少设置了2个电路波导腔130的太赫兹集成波导腔体10。
具体地，所述太赫兹集成波导腔体10上用于安装电路单元外壁面110的数量，不少于波导腔体盖20的数量。
在一些实施例中，太赫兹波导结构中，太赫兹集成波导腔体10上用于安装电路单元外壁面110与波导腔体盖20一一对应设置，在部分太赫兹系统电路安装在太赫兹波导结构中时，处于电路波导腔130内的电路单元通过导体122实现信号传输连接，同时，可以在波导腔体盖20和对应外壁面110之间开设矩形输入波导和矩形输出波导，利用矩形输入波导和矩形输出波导来实现太赫兹波导结构中电路与外部的信号传输；在太赫兹集成波导腔体10上用于安装电路单元外壁面110多于波导腔体盖20时，可以选择多出的外壁面110来安装用于实现太赫兹波导结构中电路与外部信号连接传输的传输电路。
具体地，所述太赫兹波导结构还包括探针过度结构140，探针过度结构140用于与导体122配合实现电路波导腔130之间的连接。优选地，所述探针过度结构140位于外壁面110与波导腔体盖20之间，探针过度结构140与电路波导腔130一一对应设置；优选地，探针过度结构140靠近对应的电路波导腔130设置。在安装太赫兹多频段辐射计时，让电路波导腔130通过对应的探针过度结构140与相邻通道口121内导体122的端部信号传输连接，再让太赫兹多频段辐射计的驱动信号从单独的一个外壁面110对应的通道口121接入导体122，就能让驱动信号依次通过导体122和探针过度结构140，传输至电路波导腔130内的辐射计末端。
具体地，所述导体122与探针过度结构140金丝键合150连接，方便波导结构和太赫兹多频段辐射计之间的加工、拆分和组合。
具体地，所述电路波导腔130至少部分设置在波导腔体盖20和/或太赫兹集成波导腔体10的外壁面110上。优选地，电路波导腔130的一半设置在波导腔体盖20，电路波导腔130的另一半设置在太赫兹集成波导腔体10的外壁面110。
在一些实施例中，可以选择波导腔体盖20和太赫兹集成波导腔体10的外壁面110中的一者上设置较少部分电路波导腔130，波导腔体盖20和太赫兹集成波导腔体10的外壁面110中的另一者上设置较多部分电路波导腔130。
具体地，所述绝缘层123与导体122连接，和/或，绝缘层123与信号传输通道120连接。对于绝缘层123与导体122连接，可以选择现有的带绝缘包覆体的信号传输线，对于绝缘层123与信号传输通道120连接，可以选择在信号传输通道120内壁设置绝缘层123，具体可以通过喷涂或涂抹绝缘材料来设置绝缘层123；此外，对于绝缘层123与导体122连接，同时绝缘层123与信号传输通道120连接的情况，绝缘层123可以是绝缘包覆体同时与信号传输通道120、导体122连接，也可以是多个绝缘体的组合使用，示例行的，可以选择绝缘包覆体和喷涂绝缘材料共同作为绝缘层123，即采用带绝缘包覆体的信号传输线，配合信号传输通道120内壁设置绝缘材料。优选地，所述绝缘层123包覆在导体122上。
具体地，所述导体122与导体122所在信号孔同轴设置，降低信号泄露风险。
具体地，所述波导腔体盖20和太赫兹集成波导腔体10可拆卸连接。优选地，波导腔体盖20和太赫兹集成波导腔体10可以是螺栓连接，也可以是现有的波导法兰连接，还可以是外设框架对波导腔体盖20和太赫兹集成波导腔体10进行紧箍或螺栓连接。
实施例3
本申请实施例提供了一种辐射计系统，如图3~6所示，所述辐射计系统包括信号驱动模块和多个太赫兹雷达接收末端，所述辐射计系统还包括实施例2中的太赫兹波导结构，多个太赫兹雷达接收末端分别设置在太赫兹波导结构的不同电路波导腔130中，太赫兹雷达接收末端的信号输入端分别通过导体122与信号驱动模块的信号输出端连接，信号驱动模块用于产生驱动信号。
将多个太赫兹雷达接收末端分别设置在太赫兹波导结构不同的电路波导腔中，让一个太赫兹雷达接收末端对应设置一个电路波导腔130，同时电路波导腔130通过对应的探针过度结构140与相邻导体122端部之间信号传输连接，并让信号驱动模块的驱动信号输出端从太赫兹集成波导腔体10上未设置太赫兹雷达接收末端的外壁面110对应的通道口121接入导体122，让驱动信号通过导体122分别与每个频段的太赫兹雷达接收末端连接，然后将波导腔体盖20与对应的太赫兹集成波导腔体10外壁面110盖合，就可以实现将辐射计系统的多个太赫兹雷达接收末端集成到一个太赫兹波导结构上，同时保证每个太赫兹雷达接收末端的独立设置和各个太赫兹雷达接收末端之间的高度隔离，让多频段辐射计系统的辐射计前端实现小型化三维堆叠集成。
具体地，所述太赫兹雷达接收末端包括太赫兹分谐波混频器330和太赫兹天线340。
具体地，所述信号驱动模块包括本振驱动倍频器310和本振驱动放大器320，本振驱动倍频器310的信号输入端与信号源连接，本振驱动放大器320的输入端与本振驱动倍频器310的信号输出端连接，本振驱动放大器320的输出端分别与太赫兹雷达接收末端信号传输连接。优选地，所述本振驱动倍频器310和本振驱动放大器320设置在太赫兹波导结构的电路波导腔130中。
在一些实施例中，如图3~6所示，所述辐射计系统包括中频倍频放大器、本振驱动倍频器310、本振驱动放大器320和四个太赫兹雷达接收末端，四个太赫兹雷达接收末端分别是118GHz太赫兹雷达接收末端、190GHz太赫兹雷达接收末端、240GHz太赫兹雷达接收末端和640GHz太赫兹雷达接收末端，118GHz太赫兹雷达接收末端包括118GHz分谐波混频器和118GHz天线，190GHz太赫兹雷达接收末端包括190GHz分谐波混频器和190GHz天线，240GHz太赫兹雷达接收末端包括240GHz分谐波混频器和240GHz天线，640GHz太赫兹雷达接收末端包括640GHz分谐波混频器和640GHz天线，分别将118GHz太赫兹雷达接收末端、190GHz太赫兹雷达接收末端、240GHz太赫兹雷达接收末端和640GHz太赫兹雷达接收末端安装在太赫兹波导结构的第1、2、3、4个电路波导腔130中，将本振驱动倍频器310和本振驱动放大器320安装在太赫兹波导结构的第5个电路波导腔130中，利用中频倍频放大器产生一个驱动信号，驱动信号传输至本振驱动倍频器310，通过本振驱动倍频器310和本振驱动放大器320对驱动信号进行倍频放大处理，然后通过导体122分别传输至四个太赫兹雷达接收末端，保证辐射计系统的信号传输连接，同时还实现了每个太赫兹雷达接收末端的独立设置和各个太赫兹雷达接收末端末端之间的高度隔离，让多频段辐射计系统的辐射计前端实现小型化三维堆叠集成设置。
实施例4
一种电子设备，包括实施例1中的太赫兹集成波导腔体10、实施例2中的太赫兹波导结构、或实施例3中的辐射计系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹集成波导腔体，其特征在于，所述太赫兹集成波导腔体具有多个用于安装电路单元的外壁面，太赫兹集成波导腔体内设置有信号传输通道，所述外壁面上设置有与信号传输通道对应的通道口，信号传输通道内设置有导体，所述导体与信号传输通道之间设置有绝缘层，导体用于实现电路单元之间的信号传输连接。
2.一种太赫兹波导结构，其特征在于，包括权利要求1所述的太赫兹集成波导腔体和多个波导腔体盖，所述波导腔体盖与太赫兹集成波导腔体的外壁面对应设置，波导腔体盖与太赫兹集成波导腔体之间设置有电路波导腔，电路波导腔用于安放电路单元，电路波导腔之间通过导体连接。
3.如权利要求2所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述太赫兹波导结构还包括探针过度结构，探针过度结构用于与导体配合实现电路波导腔之间的连接。
4.如权利要求3所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述导体与探针过度结构金丝键合连接。
5.如权利要求2~4任意一项所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述电路波导腔至少部分设置在波导腔体盖和/或太赫兹集成波导腔体的外壁面上。
6.如权利要求2~4任意一项所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述绝缘层与导体连接，和/或，绝缘层与信号传输通道连接。
7.如权利要求2~4任意一项所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述太赫兹集成波导腔体上用于安装电路单元外壁面的数量，不少于波导腔体盖的数量。
8.如权利要求2~4任意一项所述的太赫兹波导结构，其特征在于，所述波导腔体盖和太赫兹集成波导腔体可拆卸连接。
9.一种辐射计系统，其特征在于，所述辐射计系统包括信号驱动模块和多个太赫兹雷达接收末端，所述辐射计系统还包括权利要求2~8任意一项所述的太赫兹波导结构，多个太赫兹雷达接收末端分别设置在太赫兹波导结构的不同电路波导腔中，太赫兹雷达接收末端的信号输入端分别通过导体与信号驱动模块的信号输出端连接，信号驱动模块用于产生驱动信号。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1所述的太赫兹集成波导腔体、权利要求2~8任意一项所述的太赫兹波导结构、或权利要求9所述的辐射计系统。
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