一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)，包括太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括N1×N2個(gè)像素，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太赫茲射頻信號(hào)和太赫茲本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生N1×N2路混頻輸出信號(hào)，N1、N2為≥1的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。采用太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器作為主要的接收與變頻元件，集成度高，十分適用于二維大規(guī)模成陣，整體的接收機(jī)體積和重量小，能在復(fù)雜背景環(huán)境下提高目標(biāo)的識(shí)別能力，實(shí)時(shí)成像，具有較好的分辨率和較高的靈敏度。
【專利說(shuō)明】一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(Terahertz，THz)波通常指的是頻率在0.1THz~1THz (波長(zhǎng)3mm~30 μ m)范圍內(nèi)的電磁輻射(ITHz = 112Hz),它在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間。太赫茲波輻射在成像應(yīng)用中可具有如下特點(diǎn):太赫茲波輻射可以穿透很多普通的非金屬遮掩材料，探測(cè)到隱匿物體；太赫茲波的波長(zhǎng)足夠短，可獲得較高的成像空間分辨率，或?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)物高精度定位；太赫茲頻率的電磁波輻射對(duì)有機(jī)體是非電離的，因此在適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度下使用，對(duì)人體比較安全；相比于微波毫米波成像系統(tǒng)，同樣的圖像分辨率下，太赫茲成像系統(tǒng)體積更小。太赫茲輻射的上述特點(diǎn)決定了太赫茲成像具有廣闊的應(yīng)用前景，是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一。
[0003]但是目前的太赫茲成像設(shè)備存在一些問(wèn)題:
[0004]1、通常工作在一個(gè)頻率。采用單一太赫茲頻率，雖然可以有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)成像，但是由于目標(biāo)輻射特性的復(fù)雜性，在有效的目標(biāo)輻射強(qiáng)度或特征識(shí)別上存在問(wèn)題。
[0005]2、.通常采用單像素掃描結(jié)構(gòu)，不能實(shí)時(shí)成像，分辨率有待提高。 [0006]3、.通常采用直接檢波方式，或者較少像素的外差接收方式。如果采用直接檢波方式，雖然可以較容易的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的焦平面成像，但是靈敏度較低且缺失了相位信息；如果采用外差接收方式，每個(gè)通道均需要本振信號(hào)，因此中頻電路復(fù)雜且體積較大，不適宜便攜式使用。
[0007]4、在現(xiàn)有的太赫茲多像素系統(tǒng)中，通常采用喇叭天線結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)光透鏡的兩種形式。對(duì)于喇叭天線結(jié)構(gòu)，由于頻率高，因此加工難度大，且一致性難以保證；另外，像素間距受到喇叭天線尺寸的約束。對(duì)于準(zhǔn)光透鏡，由于采用一個(gè)大透鏡，因此位于透鏡不同半徑處的像素所接收的信號(hào)相位有差別，不能有效利用相位信息；且隨著像素個(gè)數(shù)(陣列規(guī)模)的增加，透鏡尺寸增加，不利于小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)，采用太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器作為主要的接收與變頻元件，集成度高，十分適用于二維大規(guī)模成陣，整體的接收機(jī)體積和重量小，能在復(fù)雜背景環(huán)境下提高目標(biāo)的識(shí)別能力，實(shí)時(shí)成像，具有較好的分辨率和較高的靈敏度。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，包括N1XN2個(gè)像素，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太赫茲射頻信號(hào)和太赫茲本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生N1XN2路混頻輸出信號(hào)，N1、N2為≥I的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，每一路混頻輸出信號(hào)稱為每一像素混頻輸出信號(hào)。
[0010]可選擇地，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片，混頻天線芯片包括相同結(jié)構(gòu)的N1XN2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列；高阻介質(zhì)透鏡采用復(fù)眼透鏡，復(fù)眼透鏡包括小透鏡陣列和擴(kuò)展底座，小透鏡陣列位于擴(kuò)展底座上，小透鏡通過(guò)擴(kuò)展底座與混頻天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的傳輸；小透鏡陣列包括NI XN2個(gè)小透鏡，小透鏡與混頻天線
--對(duì)應(yīng),小透鏡的中心與其對(duì)應(yīng)的混頻天線的中心位于同一軸線上,一個(gè)像素包括一個(gè)
混頻天線和一個(gè)小透鏡。
[0011]可選擇地，混頻天線芯片的襯底材料緊貼高阻介質(zhì)透鏡的擴(kuò)展底座，高阻介質(zhì)透鏡的相對(duì)介電常數(shù)ε r = (1±0.1) X ε rl, ε rl為混頻天線芯片襯底的相對(duì)介電常數(shù)，高阻介質(zhì)透鏡的形式為半球透鏡、橢球透鏡、超半球透鏡、擴(kuò)展半球透鏡之一。
[0012]可選擇地，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的混頻天線芯片包含相同結(jié)構(gòu)豎直方向的N1XN2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列，各混頻天線中心線行間距和列間距均為d，相鄰兩行向左或向右錯(cuò)開(kāi)d/2間距，其中，d = 1.22 λ F/M，λ為太赫茲射頻信號(hào)的波長(zhǎng)，F(xiàn)為太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的焦距與高阻介質(zhì)透鏡口徑的比值，M為采樣次數(shù)，采樣次數(shù)M > 2。
[0013]可選擇地，混頻天線包括片上天線和反向平行二極管對(duì)，反向平行二極管對(duì)置于片上天線的饋電端口，反向平行二極管對(duì)由反向平行并聯(lián)的第一肖特基二極管和第二肖特基二極管組成，其中，第一肖特基二極管的陽(yáng)極與第二肖特基二極管的陰極連接，第一肖特基二極管的陰極與第二肖特基二極管的陽(yáng)極連接。
[0014]可選擇地，混頻 天線芯片的外延材料采用三層結(jié)構(gòu)，自底向上依次為半絕緣GaAs層、N+層GaAs和N-層GaAs,其中，N+層GaAs和N-層GaAs均為在GaAs中摻雜Si形成，
[0015]可選擇地，第一肖特基二極管包括第一肖特基接觸和第一歐姆接觸；第二肖特基二極管包括第二肖特基接觸和第二歐姆接觸；半絕緣GaAs層上具有兩塊N+層，兩塊N+層之間形成溝道，兩塊N+層上均分別覆蓋一層歐姆接觸金屬，分別為右側(cè)的第一歐姆接觸金屬和左側(cè)的第二歐姆接觸金屬；第一歐姆接觸金屬靠近溝道的一邊有第一大半圓豁口，第一大半圓豁口內(nèi)留有第一 N-層,第一 N-層形成在N+層上,在第一 N-層上形成第一肖特基金屬，第二歐姆接觸金屬靠近溝道的一邊有第二大半圓豁口，第二大半圓豁口內(nèi)留有第二N-層，第二 N-層形成在N+層上，在第二 N-層上形成第二肖特基金屬，第一肖特基金屬不與第一歐姆接觸金屬連通，第二肖特基金屬不與第二歐姆接觸金屬連通；第一肖特基金屬與第一 N-層接觸后形成右側(cè)的第一肖特基接觸，第二肖特基金屬與第二 N-層接觸后形成左側(cè)的第二肖特基接觸，所述歐姆接觸金屬通過(guò)合金工藝與其下的N+層分別形成右側(cè)的第一歐姆接觸和左側(cè)的第二歐姆接觸；第一電橋連接第一肖特基接觸金屬和第二歐姆接觸金屬，第二電橋連接第二肖特基接觸金屬和第一歐姆接觸金屬，實(shí)現(xiàn)第一肖特基二極管的陽(yáng)極與第二肖特基二極管的陰極連接以及第二肖特基二極管的陽(yáng)極與第一肖特基二極管的陰極連接。
[0016]可選擇地，第一肖特基接觸與第二肖特基接觸是通過(guò)在N-層GaAs上依次生長(zhǎng)T1、Pt、Au形成,第一歐姆接觸和第二歐姆接觸是通過(guò)在N+層GaAs上依次生長(zhǎng)Au、Ge、N1、Au并經(jīng)過(guò)高溫快速退火形成。
[0017]可選擇地，片上天線包括片上天線第一電極、片上天線第二電極、第一天線橋和第二天線橋，材料為Au;片上天線第一電極和片上天線第二電極均位于半絕緣GaAs層上，片上天線第一電極通過(guò)第一天線橋與第一歐姆接觸金屬連接；片上天線第二電極通過(guò)第二天線橋與第二歐姆接觸金屬連接。
[0018]可選擇地，N-層GaAs摻雜Si的濃度為lE17cm_3~2E17cm_3，N-層GaAs的厚度為不大于肖特基結(jié)零偏置時(shí)耗盡層厚度的1.1倍，N+層GaAs的摻雜濃度為7E18cm_3~9E18cm_3，N+層GaAs的厚度X2不小于本振頻率下的趨膚深度，X2滿足:
[0019]Χ2>ψ/(π/?:^^μ σ>ι+αι4^
[0020]其中，μ。和μ r分別是真空磁導(dǎo)率和GaAs的相對(duì)磁導(dǎo)率；σ n+GaAs為N+層GaAs的電導(dǎo)率為太赫茲本振信號(hào)的頻率。
[0021]可選擇地，肖特基接觸的面積≤3.14 μ m2。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)，包括如上所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器。
[0023]本發(fā)明的便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
[0024]1、采用太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器作為照相機(jī)的主要的接收與變頻元件，集成度高，十分適用于二維大規(guī)模成陣；采用光學(xué)加工工藝制作透鏡，采用半導(dǎo)體技術(shù)制作混頻天線芯片，加工精度高，能夠滿足各通道間的一致性，保證成像質(zhì)量。由于透鏡是復(fù)眼透鏡，因此在具體的成像應(yīng)用時(shí)，布陣結(jié)構(gòu)更為靈活，可以適用于大視場(chǎng)或者遠(yuǎn)焦距成像等場(chǎng)合。另外采用LTCC作為封裝，并采用倒裝焊工藝結(jié)合，集成度高，適用于二維陣列，因此整體的接收機(jī)的體積和重量小。
[0025]2、相比較需要掃描的單像素照相機(jī)，本發(fā)明的多像素照相機(jī)具有如下的優(yōu)點(diǎn):1)能夠?qū)崟r(shí)成像，可對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像；2)具有較好的分辨率和較高靈敏度，因?yàn)椴捎媒蛊矫婺曣嚵?，天線不需要掃描，光學(xué)部分便可以做得大一些，從而可以得到較好的分辨率；因?yàn)榉e分時(shí)間不受掃描速度限制，故有可能獲得較高靈敏度。
[0026]3、本發(fā)明的照相機(jī)可以工作在多個(gè)頻率，由于接收一個(gè)目標(biāo)的多個(gè)頻率輻射信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜背景環(huán)境下(例如在目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度對(duì)比度很低的情況下或者在陽(yáng)光等輻射/反射干擾下)提高目標(biāo)的識(shí)別能力。
[0027]4、本發(fā)明采用高阻介質(zhì)透鏡可以避免混頻天線表面波的產(chǎn)生，提高天線的增益，減小表面波損耗，并可以提聞天線的方向性，。
[0028]5、混頻天線為豎直方向有利于減小混頻天線間的像素耦合。
[0029]6、本發(fā)明選取N-層GaAs摻雜Si的濃度為lE17cm_3~2E17cm_3，N-層GaAs的厚度為不大于肖特基結(jié)零偏置時(shí)耗盡層厚度的1.1倍，既能保證N-層GaAs引入的體電阻較小，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致反向擊穿電壓過(guò)低。選取N+層GaAs的摻雜濃度為7E18cnT3~9E18cnT3，
N+層GaAs的厚度X2滿足:Χ2>ψ/(π/ια?α? σ,ι+?α^，既保證了較高的電子遷移率，并且形成
電阻率較小的歐姆接觸電阻，也防止由于摻雜過(guò)大引起的N-層GaAs反型(變成N+層GaAs外延層)，降低N+層GaAs中的體電阻。
[0030]7、肖特基接觸面積< 3.14 μ m2，從而實(shí)現(xiàn)低變頻損耗，降低本振功率。
[0031]8、本發(fā)明在半絕緣GaAs層上生長(zhǎng)金屬的方式制作片上天線電極，可以實(shí)現(xiàn)微小電極的制作，減小了制作難度，有利于實(shí)現(xiàn)更小尺寸更高頻率的天線【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]應(yīng)說(shuō)明的是，下面描述中的附圖僅示意地示出了一些實(shí)施例，并沒(méi)有包括所有可能的實(shí)施例。
[0033]圖1為太赫茲被動(dòng)式彩色焦平面照相機(jī)的實(shí)施例的示意圖；
[0034]圖2為太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的實(shí)施例的示意圖；
[0035]圖3為混頻天線芯片的結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示意圖；
[0036]圖4為混頻天線的拓?fù)涫疽鈭D；
[0037]圖5(a)為混頻天線沿第一電橋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖5(b)為混頻天線沿第二電橋的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖5(c)為混頻天線俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖6(a)為第一肖特基二極管的局部放大圖；圖6(b)為第二肖特基二極管的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的技術(shù)方案。顯然，所描述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。所描述的實(shí)施例僅用于圖示說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0040]為了敘述方面，本文中所稱的“左”、“右”與附圖5a本身的左、右方向一致，但并不對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)起限定作用。
[0041]盡管本申請(qǐng)中使用了詞語(yǔ)第一、第二等來(lái)描述多個(gè)元件或構(gòu)成部分，這些元件或構(gòu)成部分不應(yīng)受這些詞語(yǔ)的限制。這些詞語(yǔ)僅用于區(qū)分一個(gè)元件或構(gòu)成部分和另一元件或構(gòu)成部分，而不包含“順序”。因此，將下面討論的第一元件或構(gòu)成部分稱為第二元件或構(gòu)成部分也沒(méi)有超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
[0042]圖1示出了一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)的實(shí)施例的示意圖。如圖1所示，一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)包括天饋模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號(hào)處理模塊、本振參考源、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)處理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、顯示與控制模塊和電源模塊。
[0043]天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，反射面天線用于接收被探測(cè)目標(biāo)發(fā)出的太赫茲射頻信號(hào)，反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃描被測(cè)目標(biāo)的太赫茲射頻信號(hào)。太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測(cè)目標(biāo)發(fā)出的太赫茲射頻信號(hào)經(jīng)反射面天線反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊。
[0044]太赫茲焦平面多通道相參接收模塊包括波束分離器、太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器和太赫茲本振倍頻器。太赫茲本振倍頻器用于產(chǎn)生太赫茲本振信號(hào),本振參考源產(chǎn)生的本振信號(hào)通過(guò)太赫茲本振倍頻器倍頻后，產(chǎn)生太赫茲本振信號(hào)；波束分離器用于控制太赫茲本振信號(hào)的空間傳播方向，透射太赫茲射頻信號(hào)并且反射太赫茲本振信號(hào)，使太赫茲射頻信號(hào)和太赫茲本振信號(hào)共同傳遞給太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器輸出多路混頻信號(hào)。
[0045]中頻信號(hào)處理模塊包括二次變頻模塊，二次變頻模塊對(duì)每一路混頻輸出信號(hào)依次進(jìn)行處理，輸出中頻信號(hào)。[0046]模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)處理模塊對(duì)中頻信號(hào)處理模塊輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、編碼，將中頻信號(hào)變換成中頻數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將中頻數(shù)字信號(hào)輸出給數(shù)字信號(hào)處理模塊。
[0047]數(shù)字信號(hào)處理模塊根據(jù)原始采集數(shù)據(jù)，按照定標(biāo)方程將每個(gè)通道輸出的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成輻射溫度值，并最終轉(zhuǎn)換成圖像灰度數(shù)據(jù)，并將圖像灰度數(shù)據(jù)傳送給顯示與控制豐吳塊。
[0048]顯示與控制模塊用于顯示灰度值圖像，并控制天線伺服模塊，實(shí)現(xiàn)空間波束的機(jī)械掃描。
[0049]電源模塊用于給天線伺服模塊、太赫茲本振倍頻器、本振參考源、中頻信號(hào)處理模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)處理模塊，以及顯示與控制模塊提供電流或者電壓。
[0050]太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器和中頻信號(hào)處理模塊采用LTCC封裝工藝集成，實(shí)現(xiàn)了一體化三維立體封裝。雖然隨著芯片集成技術(shù)的不斷發(fā)展，很多射頻有源電路都可以實(shí)現(xiàn)小型化單片集成，但是無(wú)源器件尚且不能在集成電路內(nèi)部實(shí)現(xiàn)集成，成為占據(jù)電路二維版圖面積的主要器件。本設(shè)備充分利用LTCC工藝，具有三維立體化封裝特點(diǎn)，中頻信號(hào)處理模塊的二次變頻模塊埋置于基于LTCC的封裝的下表面空腔中或者表貼在LTCC下表面基板上，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的混頻天線芯片位于LTCC基板頂部。采用三維立體封裝設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電路的二維平面結(jié)構(gòu)到三維立體化封裝結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，極大地減小了設(shè)備的體積和重量。除此之外，由于采用了一體化集成工藝，避免了原有分立的系統(tǒng)所必須的繁瑣的組裝和調(diào)試過(guò)程，從而提高了系統(tǒng)的整體可靠性。
[0051]如圖2所示，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的實(shí)施例包括多個(gè)像素，例如太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括NI XN2個(gè)像素。太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太赫茲射頻信號(hào)和太赫茲本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生NI XN2路混頻輸出信號(hào)；N1、N2為> I的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，每一路混頻輸出信號(hào)稱為每一像素混頻輸出信號(hào)。
[0052]可選擇地，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片，如圖2所示?；祛l天線芯片包括相同結(jié)構(gòu)的N1XN2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列。高阻介質(zhì)透鏡采用復(fù)眼透鏡，復(fù)眼透鏡包括小透鏡陣列和擴(kuò)展底座，小透鏡陣列位于擴(kuò)展底座上，小透鏡通過(guò)擴(kuò)展底座與混頻天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的傳輸。小透鏡陣列包括NI XN2個(gè)小透鏡，小透鏡
與混頻天線--對(duì)應(yīng)，每一個(gè)小透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)混頻天線芯片中的混頻天線，小透鏡的中心
與其對(duì)應(yīng)的混頻天線的中心位于同一軸線上，一個(gè)像素包括一個(gè)混頻天線和一個(gè)小透鏡。
[0053]高阻介質(zhì)透鏡可以避免半絕緣GaAs上表面波的產(chǎn)生，提高天線的增益，減小表面波損耗。當(dāng)透鏡的相對(duì)介電常數(shù)ε r = (1±0.1) X ε rl時(shí)，ε rl為混頻天線芯片襯底的相對(duì)介電常數(shù)，混頻天線芯片和透鏡之間的光學(xué)特性基本連續(xù)，能夠消除天線的介質(zhì)表面波。另外，電磁波趨向于在高介電常數(shù)介質(zhì)中傳播，因此，可以提高天線的方向性。
[0054]高阻介質(zhì)透鏡的形式可以為半球透鏡、橢球透鏡、超半球透鏡和擴(kuò)展半球透鏡。
[0055] 可選擇地，混頻天線芯片包括相同結(jié)構(gòu)豎直方向的N1XN2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列，其中，各混頻天線中心線行間距和列間距均為d，相鄰兩行向左或向右錯(cuò)開(kāi)d/2間距，如圖3所示。其中，d= 1.22 λ F/M, λ為太赫茲射頻信號(hào)的波長(zhǎng)，F(xiàn)為太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的F數(shù)，即太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的焦距與高阻介質(zhì)透鏡口徑的比值，M為采樣次數(shù)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了對(duì)焦平面上的信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)重建，采樣次數(shù)M >2。混頻天線為豎直方向有利于減小混頻天線間的像素耦合，并且在不影響耦合的情況下可以實(shí)現(xiàn)更多的空間采樣點(diǎn)。
[0056]本發(fā)明采用了準(zhǔn)光混頻結(jié)構(gòu)，即太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，包括復(fù)眼結(jié)構(gòu)的高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片。其中復(fù)眼結(jié)構(gòu)的高阻介質(zhì)透鏡是一個(gè)寬頻帶響應(yīng)器件，因此，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的響應(yīng)頻率主要取決于混頻天線芯片的響應(yīng)頻率。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輻射出來(lái)的多個(gè)頻率信號(hào)的接收，混頻天線芯片中每個(gè)像素所采用的片上天線形式采用寬頻帶的天線形式，例如螺旋天線、對(duì)數(shù)周期天線等；或者采用能夠在幾個(gè)頻率上響應(yīng)的天線結(jié)構(gòu)。
[0057]所述混頻天線包括片上天線和反向平行二極管對(duì)，反向平行二極管對(duì)置于片上天線的饋電端口。反向平行二極管對(duì)由反向平行并聯(lián)的第一肖特基二極管和第二肖特基二極管組成，其中，第一肖特基二極管的陽(yáng)極與第二肖特基二極管的陰極連接，第一肖特基二極管的陰極與第二肖特基二極管的陽(yáng)極連接，如圖4所示。
[0058]混頻天線芯片的外延材料采用三層結(jié)構(gòu)，自底向上依次為半絕緣GaAs層、N+層GaAs和N-層GaAs。其中，N+層GaAs和N-層GaAs均為在GaAs中慘雜S i形成。圖5 (a)和圖5(b)分別為混頻芯片的剖視圖，剖視位置為兩個(gè)電橋。這兩個(gè)視圖并非實(shí)際結(jié)構(gòu)視圖，而是原理性示圖，目的是為了說(shuō)明混頻天線芯片的組成部件之間的連接關(guān)系和片上天線的位置。
[0059]本發(fā)明就是在該三層結(jié)構(gòu)上制備肖特基二極管對(duì)和片上天線。圖5 (a)、圖5 (b)、5(c)、圖6(a)、圖6(b)示出了制備結(jié)果。如圖5(a)和圖5(b)所示，第一肖特基二極管包括第一肖特基接觸和第一歐姆接觸；第二肖特基二極管包括第二肖特基接觸和第二歐姆接觸。經(jīng)制備，半絕緣GaAs層上具有兩塊N+層，兩塊N+層之間形成溝道。兩塊N+層上均覆蓋一層歐姆接觸金屬，分別為右側(cè)的第一歐姆接觸金屬和左側(cè)的第二歐姆接觸金屬。從俯視圖5(c)上看，兩個(gè)歐姆接觸金屬靠近溝道的一邊留出一個(gè)大半圓豁口，該豁口內(nèi)設(shè)有N-層，N-層上有肖特基金屬，且肖特基金屬不與本側(cè)的歐姆接觸金屬連通，S卩，第一肖特基金屬不與第一歐姆接觸金屬連通，第二肖特基金屬不與第二歐姆接觸金屬連通。溝道兩側(cè)的肖特基金屬分別與N-層接觸后，形成右側(cè)的第一肖特基接觸與左側(cè)的第二肖特基接觸。而兩側(cè)的歐姆接觸金屬通過(guò)合金工藝與其下的N+層形成右側(cè)的第一歐姆接觸和左側(cè)的第二歐姆接觸。其中，第一肖特基接觸與第二肖特基接觸是通過(guò)在N-層GaAs上依次生長(zhǎng)T1、Pt、Au形成,第一歐姆接觸和第二歐姆接觸是通過(guò)在N+層GaAs上依次生長(zhǎng)Au、Ge、N1、Au并經(jīng)過(guò)高溫快速退火形成。
[0060]第一電橋連接第一肖特基接觸和第二歐姆接觸；第二電橋連接第二肖特基接觸和第一歐姆接觸。第一肖特基接觸通過(guò)第一電橋與第二歐姆接觸相連，即實(shí)現(xiàn)第一肖特基二極管的陰極與第二肖特基二極管的陽(yáng)極連接；第二肖特基接觸通過(guò)第二電橋與第一天線電極相連，即實(shí)現(xiàn)第二肖特基二極管的陰極與第一肖特基二極管的陽(yáng)極連接。
[0061]片上天線包括片上天線第一電極、片上天線第二電極、第一天線橋和第二天線橋，材料為Au。其中，片上天線第一電極和片上天線第二電極均位于半絕緣GaAs層上，第一肖特基接觸、第一歐姆接觸與片上天線第一電極位于同一側(cè)；第二肖特基接觸、第二歐姆接觸與片上天線第二電極位于同一側(cè)，如圖6所示。片上天線第一電極通過(guò)第一天線橋與第一歐姆接觸連接；片上天線第二電極通過(guò)第二天線橋與第二歐姆接觸連接，從而實(shí)現(xiàn)了二極管與片上天線的連接。
[0062]為了降低二極管的級(jí)聯(lián)電阻，特別是降低半導(dǎo)體外延材料中的體電阻，提高二極管的截止頻率，需要對(duì)半導(dǎo)體的材料的濃度和厚度進(jìn)行優(yōu)化。選取N-層GaAs摻雜Si的濃度為lE17cm_3~2E17cm_3，N-層GaAs的厚度為不大于肖特基結(jié)零偏置時(shí)耗盡層厚度的1.1倍，既能保證N-層引入的體電阻較小，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致反向擊穿電壓過(guò)低。N+層GaAs的摻雜濃度為7E18cm_3~9E18cm_3，既保證了較高的電子遷移率，并且形成電阻率較小的歐姆接觸電阻，也防止由于摻雜過(guò)大引起的N-層GaAs反型(變成N+層GaAs外延層)；為了降低N+層GaAs中的體電阻，N+層GaAs的厚度不小于本振頻率下的趨膚深度，即其厚度X2滿足:
[0063]Λ,2 > ^?/{π/ιομ?μσιι+βα4?)
[0064]其中，μ C1和μ r分別是真空磁導(dǎo)率和GaAs的相對(duì)磁導(dǎo)率；σ n+GaAs為N+層GaAs的電導(dǎo)率為太赫茲本振信號(hào)的頻率。
[0065]為實(shí)現(xiàn)低變頻損耗，同時(shí)降低本振功率，肖特基二極管的截止頻率不低于工作頻率最高值的5倍，即肖特基接觸的面積< 3.14 μ m2。
[0066]傳統(tǒng)工藝通常將天線電極做在N+層GaAs上，而本發(fā)明將天線電極做在半絕緣GaAs層上,有利于實(shí)現(xiàn)更小尺寸更高頻率的天線。天線電極的尺寸越小，天線響應(yīng)頻率越高，直接在半絕緣GaAs層上生長(zhǎng)金屬的方式可以實(shí)現(xiàn)微小電極的制作，減小了制作難度。
[0067]以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的描述僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的這些實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修 改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而這些修改或替換都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，包括NI XN2個(gè)像素，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太赫茲射頻信號(hào)和太赫茲本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生N1XN2路混頻輸出信號(hào)，N1、N2為^ I的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，每一路混頻輸出信號(hào)稱為每一像素混頻輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片，混頻天線芯片包括相同結(jié)構(gòu)的N1XN2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列；高阻介質(zhì)透鏡采用復(fù)眼透鏡，復(fù)眼透鏡包括小透鏡陣列和擴(kuò)展底座，小透鏡陣列位于擴(kuò)展底座上，小透鏡通過(guò)擴(kuò)展底座與混頻天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的傳輸；小透鏡陣列包括NI XN2個(gè)小透鏡，小透鏡與混頻天線——對(duì)應(yīng)，小透鏡的中心與其對(duì)應(yīng)的混頻天線的中心位于同一軸線上，一個(gè)像素包括一個(gè)混頻天線和一個(gè)小透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:混頻天線芯片的襯底材料緊貼高阻介質(zhì)透鏡的擴(kuò)展底座，高阻介質(zhì)透鏡的相對(duì)介電常數(shù)=(1±0.1) X erl, ε rl為混頻天線芯片襯底的相對(duì)介電常數(shù)，高阻介質(zhì)透鏡的形式為半球透鏡、橢球透鏡、超半球透鏡、擴(kuò)展半球透鏡之一。
4.如權(quán)利要求2或3所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:混頻天線芯片包含相同結(jié)構(gòu)豎直方向的NI X N2個(gè)混頻天線，排列成NI行，N2列，各混頻天線中心線行間距和列間距均為d，相鄰兩行向左或向右錯(cuò)開(kāi)d/2間距，其中，d = 1.22 λ F/M，λ為太赫茲射頻信號(hào)的波 長(zhǎng)，F(xiàn)為太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的焦距與高阻介質(zhì)透鏡口徑的比值，M為采樣次數(shù)，采樣次數(shù)M > 2。
5.如權(quán)利要求1-4的任一權(quán)利要求所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:混頻天線包括片上天線和反向平行二極管對(duì)，反向平行二極管對(duì)置于片上天線的饋電端口，反向平行二極管對(duì)由反向平行并聯(lián)的第一肖特基二極管和第二肖特基二極管組成，其中，第一肖特基二極管的陽(yáng)極與第二肖特基二極管的陰極連接，第一肖特基二極管的陰極與第二肖特基二極管的陽(yáng)極連接。
6.如權(quán)利要求5所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:混頻天線芯片的外延材料采用三層結(jié)構(gòu)，自底向上依次為半絕緣GaAs層、N+層GaAs和N-層GaAs，其中，N+層GaAs和N-層GaAs均為在GaAs中慘雜Si形成。
7.如權(quán)利要求5或6所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:第一肖特基二極管包括第一肖特基接觸和第一歐姆接觸；第二肖特基二極管包括第二肖特基接觸和第二歐姆接觸； 半絕緣GaAs層上具有兩塊N+層，兩塊N+層之間形成溝道，兩塊N+層上均分別覆蓋一層歐姆接觸金屬，分別為右側(cè)的第一歐姆接觸金屬和左側(cè)的第二歐姆接觸金屬；第一歐姆接觸金屬靠近溝道的一邊有第一大半圓豁口，第一大半圓豁口內(nèi)留有第一 N-層，第一 N-層形成在N+層上，在第一 N-層上形成第一肖特基金屬，第二歐姆接觸金屬靠近溝道的一邊有第二大半圓豁口，第二大半圓豁口內(nèi)留有第二 N-層，第二 N-層形成在N+層上，在第二 N-層上形成第二肖特基金屬，第一肖特基金屬不與第一歐姆接觸金屬連通，第二肖特基金屬不與第二歐姆接觸金屬連通；第一肖特基金屬與第一 N-層接觸后形成右側(cè)的第一肖特基接觸，第二肖特基金屬與第二 N-層接觸后形成左側(cè)的第二肖特基接觸，所述歐姆接觸金屬通過(guò)合金工藝與其下的N+層分別形成右側(cè)的第一歐姆接觸和左側(cè)的第二歐姆接觸；第一電橋連接第一肖特基接觸金屬和第二歐姆接觸金屬，第二電橋連接第二肖特基接觸金屬和第一歐姆接觸金屬，實(shí)現(xiàn)第一肖特基二極管的陽(yáng)極與第二肖特基二極管的陰極連接以及第二肖特基二極管的陽(yáng)極與第一肖特基二極管的陰極連接。
8..如權(quán)利要求7所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:第一肖特基接觸與第二肖特基接觸是通過(guò)在N-層GaAs上依次生長(zhǎng)T1、Pt、Au形成，第一歐姆接觸和第二歐姆接觸是通過(guò)在N+層GaAs上依次生長(zhǎng)Au、Ge、N1、Au并經(jīng)過(guò)高溫快速退火形成。
9..如權(quán)利要求5-8的任一權(quán)利要求所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于: 片上天線包括片上天線第一電極、片上天線第二電極、第一天線橋和第二天線橋，材料為Au ； 片上天線第一電極和片上天線第二電極均位于半絕緣GaAs層上，片上天線第一電極通過(guò)第一天線橋與第一歐姆接觸金屬連接；片上天線第二電極通過(guò)第二天線橋與第二歐姆接觸金屬連接。
10..如權(quán)利要求6-9的任一權(quán)利要求所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:N-層GaAs摻雜Si的濃度為lE17cm_3~2E17cm_3，N-層GaAs的厚度為不大于肖特基結(jié)零偏置時(shí)耗盡層厚度的1.1倍，N+層GaAs的摻雜濃度為7E18cnT3~9E18Cn_3，N+層GaAs的厚度X2不小于本振頻率下的趨膚深度，X2滿足:
11.如權(quán)利要求7-10的任一權(quán)利要求所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，其特征在于:肖特基接觸的面積≤3.14 μ m2。
12.一種便攜式太赫茲被動(dòng)式彩色照相機(jī)，包括如權(quán)利要求1-11中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器。
【文檔編號(hào)】H01Q21/00GK104038707SQ201310073496
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】呂昕, 牟進(jìn)超, 郭大路, 馬朝輝, 郝海東, 盧宏達(dá), 朱思衡, 劉埇, 司黎明, 孫鈺, 王志明 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)