本發(fā)明屬于主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種集成片上天線的太赫茲主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)。

背景技術(shù)：

太赫茲頻段為0.1THz～10THz，其波長(zhǎng)在3um～300um的范圍內(nèi)。由于其波長(zhǎng)的特殊性，太赫茲頻段具有獨(dú)特的性質(zhì)：與紅外直至可見(jiàn)光頻段相比，太赫茲電磁波在煙、霧、云、沙塵暴等環(huán)境中衰減非常小。因此在許多紅外和可見(jiàn)光成像設(shè)備不能正常工作的場(chǎng)景下，太赫茲電磁波依然可以正常工作，從而可以大大提高太赫茲電磁波成像設(shè)備對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性；與毫米波微波相比，太赫茲電磁波的波長(zhǎng)較短，因此成像精度更高，成像設(shè)備體積更小。由于太赫茲電磁波的這些特性，其在成像應(yīng)用方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。

可見(jiàn)光、射線、電子束、中紅外、近紅外和超聲波是在醫(yī)學(xué)診斷、材料分析以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的主要成像信號(hào)源。與以上的光源相比，太赫茲電磁波對(duì)于某些電介質(zhì)材料具有很強(qiáng)的穿透效果。除了可測(cè)量由材料吸收而反映的空間密度分布外，還可以通過(guò)相位測(cè)量得到折射率的空間分布。從而獲得與材料相關(guān)的更多信息,這是太赫茲時(shí)域光譜的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。太赫茲電磁波的光子能量極低(1THz約4.1meV)，沒(méi)有X射線的電離性質(zhì)(光子能量在KeV量級(jí))，不會(huì)對(duì)材料造成破壞。太赫茲電磁波可以穿過(guò)衣服和皮膚，透視整個(gè)人體，但是它不會(huì)像X射線一樣對(duì)人體構(gòu)成傷害。利用太赫茲電磁波可以檢查機(jī)場(chǎng)通關(guān)的旅客與行李，檢查郵件中是否藏有毒品、炭疽熱粉或炸彈等違禁物品。太赫茲成像的非破壞性和非接觸性對(duì)研究珍貴藝術(shù)作品和研究古生物化石等樣品很有價(jià)值。例如透過(guò)藝術(shù)品的表面對(duì)內(nèi)部可視化，無(wú)需接觸或破壞易損的紙張而確定書(shū)籍的內(nèi)容等。另外，對(duì)諸如火焰的熱分析、塑料封裝集成電路的引線圖成像、聚合物內(nèi)部的氣泡以及陶瓷中的裂縫探測(cè)等，太赫茲成像都是極有前途的技術(shù)。

目前已有的太赫茲成像系統(tǒng)，均采用傳統(tǒng)光電方法實(shí)現(xiàn)，其體積較大以及價(jià)格昂貴，限制了太赫茲成像設(shè)備的廣泛使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種集成片上天線的太赫茲主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)。

一種集成片上天線的太赫茲主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)，所述收發(fā)機(jī)包括：片上天線模塊，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊，功率檢測(cè)器模塊，可編程增益放大器模塊，斬波器模塊，低通濾波器模塊；

所述片上天線模塊的TX_PORT端和所述兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊的TX_PORT端相連，所述片上天線模塊的RX_PORT端和所述功率檢測(cè)器模塊的輸入端相連，所述功率檢測(cè)器模塊的輸出端和所述可編程增益放大器模塊的輸入端相連，所述可編程增益放大器模塊的輸出端和所述斬波器模塊的第一輸入端相連，所述斬波器模塊的輸出端和低通濾波器模塊的輸入端相連，所述低通濾波器模塊的輸出端通過(guò)片上管腳DC_OUT連接到片外輸出，所述斬波器模塊的第二輸入端和所述兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊的輸入端相連，并通過(guò)片上管腳VCHOP連接到片外。

所述片上天線模塊采用折疊漏波天線結(jié)構(gòu)；天線信號(hào)線由片上頂層金屬構(gòu)成，天線地平面由底層金屬構(gòu)成。

所述折疊漏波天線有兩個(gè)端口，兩個(gè)所述端口分別連到所述TX_PORT端和所述RX_PORT端。

所述片上天線模塊包括：第一傳輸線，第二傳輸線，第三傳輸線，第一漏波天線，第二漏波天線，第一電容，第二電容，第三電容，第四電容；

其中，所述第一漏波天線和所述第二漏波天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所述第一傳輸線用于連接所述第一漏波天線和所述第二漏波天線；所述第二傳輸線、第一電容和第二電容用于將所述第一漏波天線的阻抗匹配到50歐姆；所述第三傳輸線、第三電容和第四電容用于將所述第二漏波天線的阻抗匹配到50歐姆。

所述兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊包括：第四傳輸線，第五傳輸線，第六傳輸線，第七傳輸線，第八傳輸線，第九傳輸線，第十傳輸線，第五電容，第六電容，第七電容，第一NMOS管，第二NMOS管，第一電阻，第二電阻，第一容抗二極管，第二容抗二極管；

第一電阻與第六電容串聯(lián)，再與第五電容并聯(lián)，構(gòu)成無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)；所述無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)的一端與端口VDD連接，另一端接地；第四傳輸線與連接節(jié)點(diǎn)A和端口VDD連接，第七電容與節(jié)點(diǎn)A和TX_PORT端連接；

第五傳輸線與節(jié)點(diǎn)A和第一NMOS管的D極連接，第七傳輸線與第一NMOS管的S極和接地點(diǎn)連接，第九傳輸線與第一NMOS管的G極和第二電阻連接，第一容抗二極管與第一NMOS管的S極和第二容抗二極管連接；第五傳輸線與第六傳輸線、第七傳輸線與第八傳輸線、第九傳輸線與第十傳輸線、第一NMOS管與第二NMOS管、第一容抗二極管與第二容抗二極管對(duì)稱布置，第二電阻一端連接第九傳輸線和第十傳輸線，另一端連接所述管腳VCHOP；第五傳輸線，第六傳輸線，第七傳輸線，第八傳輸線，第九傳輸線，第十傳輸線，第一NMOS管，第二NMOS管，第二電阻，第一容抗二極管，第二容抗二極管共同構(gòu)成震蕩頻率為f0的差分考畢茲振蕩器。

通過(guò)改變所述第一容抗二極管和所述第二容抗二極管的電容值控制振蕩器的振蕩頻率；所述差分考畢茲振蕩器產(chǎn)生頻率為f0的震蕩信號(hào)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率為2倍f0的震蕩信號(hào)2f0，所述震蕩信號(hào)2f0在所述節(jié)點(diǎn)A從考畢茲振蕩器輸出，經(jīng)過(guò)所述第七電容在發(fā)射機(jī)的所述TX_PORT端輸出。

端口VDD提供的直流電源電壓經(jīng)過(guò)所述第四傳輸線從節(jié)點(diǎn)A給所述差分考畢茲振蕩器供電；所述無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)用于耦合端口VDD上的電源噪聲。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明提出了一種采用單芯片集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的太赫茲主動(dòng)成像系統(tǒng)，此系統(tǒng)單片集成了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)片上天線，節(jié)約了芯片面積。該系統(tǒng)可在發(fā)射和接收模式下進(jìn)行切換，可適用于透射式成像和反射式成像應(yīng)用。同時(shí)該系統(tǒng)采用幅度(AM)調(diào)制和解調(diào)方式，有效提高了系統(tǒng)的靈敏度。該系統(tǒng)具有低功耗，小尺寸，低成本的優(yōu)勢(shì)，可以作為民用太赫茲成像設(shè)備被推廣使用。

附圖說(shuō)明

圖1是集成片上天線的太赫茲主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)系統(tǒng)成像原理示意圖。

圖3是兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊示意圖。

圖4是片上天線模塊示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提出一種單片集成天線，接收機(jī)以及發(fā)射機(jī)的太赫茲主動(dòng)成像系統(tǒng)，如圖1所示，包括：片上天線模塊，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器(Push-Push VCO)模塊，功率檢測(cè)器(DET)模塊，可編程增益放大器(PGA)模塊，斬波器(Chopper)模塊，低通濾波器(LPF)模塊。所述片上天線模塊的TX_PORT端和所述Push-Push VCO模塊的TX_PORT端相連，所述片上天線模塊的RX_PORT端和所述DET模塊的輸入端相連，所述DET模塊的輸出端和所述PGA模塊的輸入端相連，所述PGA模塊的輸出端和所述Chopper模塊的第一輸入端相連，所述Chopper模塊的輸出端和LPF模塊的輸入端相連，所述LFP模塊的輸出端通過(guò)片上管腳DC_OUT連接到片外輸出，所述Chopper模塊的第二輸入端和所述Push-Push VCO模塊的輸入端相連，并通過(guò)片上管腳VCHOP連接到片外。其中：

片上天線模塊，采用折疊漏波天線結(jié)構(gòu)。天線信號(hào)線由片上頂層金屬構(gòu)成，天線地平面由底層金屬構(gòu)成。如圖4所示，折疊漏波天線共有兩個(gè)端口，這兩個(gè)端口分別連到發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)端口(TX_PORT)和接收機(jī)射頻信號(hào)端口(RX_PORT)。包括：第一傳輸線(TL1)，第二傳輸線(TL2)，第三傳輸線(TL3)，第一漏波天線(ANT1)，第二漏波天線(ANT2)，第一電容(C1)，第二電容(C2)，第三電容(C3)，第四電容(C4)。其中，第一漏波天線和第二漏波天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱，第一傳輸線用于連接第一漏波天線和第二漏波天線，第二傳輸線、第一電容和第二電容用于將第一漏波天線的阻抗匹配到50歐姆，第三傳輸線、第三電容和第四電容用于將第二漏波天線的阻抗匹配到50歐姆。

兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊，以下簡(jiǎn)稱Push-Push VCO，如圖3所示，包括：第四傳輸線(TL4)，第五傳輸線(TL5)，第六傳輸線(TL6)，第七傳輸線(TL7)，第八傳輸線(TL8)，第九傳輸線(TL9)，第十傳輸線(TL10)，第五電容(C5)，第六電容(C6)，第七電容(C7)，第一NMOS管(M1)，第二NMOS管(M2)，第一電阻(R1)，第二電阻(R2)，第一容抗二極管(VAR1)，第二容抗二極管(VAR2)。其中，第五傳輸線(TL5)，第六傳輸線(TL6)，第七傳輸線(TL7)，第八傳輸線(TL8)，第九傳輸線(TL9)，第十傳輸線(TL10)，第一NMOS管(M1)，第二NMOS管(M2)，第一容抗二極管(VAR1)，第二容抗二極管(VAR2)以及第二電阻(R2)構(gòu)成了一個(gè)震蕩頻率為f0的差分考畢茲振蕩器，通過(guò)改變第一容抗二極管(VAR1)和第二容抗二極管(VAR2)的電容值可以有效的控制振蕩器的振蕩頻率。該差分考畢茲振蕩器不僅會(huì)產(chǎn)生頻率為f0的震蕩信號(hào)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率為2倍f0的震蕩信號(hào)2f0，震蕩信號(hào)2f0在節(jié)點(diǎn)A從考畢茲振蕩器輸出，經(jīng)過(guò)第七電容(C7)在發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)端口(TX_PORT)輸出。端口VDD提供直流電源電壓經(jīng)過(guò)第四傳輸線(TL4)從節(jié)點(diǎn)A給差分考畢茲振蕩器供電。第一電阻(R1)，第五電容(C5)，第六電容(C6)構(gòu)成的無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)用于耦合端口VDD上的電源噪聲。

實(shí)施例2

在圖1中給出了此主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例由片上天線模塊，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊，功率檢測(cè)器模塊，可編程增益放大器模塊，斬波器模塊，低通濾波器模塊組成。該實(shí)施例共具有兩個(gè)工作模式，分別為發(fā)射模式和接收模式。當(dāng)該實(shí)施例處于發(fā)射模式下，只有片上天線模塊，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊參與工作。具體工作過(guò)程可描述如下：方波信號(hào)通過(guò)管腳VCHOP從芯片外輸入到芯片上，該方波信號(hào)控制兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)方波信號(hào)處于低電位時(shí)，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊停止工作，不向片上天線模塊輸出功率，當(dāng)方波信號(hào)處于高電位時(shí)，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊開(kāi)始工作，向片上天線模塊輸出功率，因此當(dāng)用該方波信號(hào)控制兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊時(shí)，兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊可以對(duì)片上天線模塊輸出幅度調(diào)制的載波信號(hào)，片上天線模塊將該幅度調(diào)制的載波信號(hào)輻射出去。上述即為該實(shí)施例的發(fā)射模式。當(dāng)該實(shí)施例處于接收模式下，只有片上天線模塊，功率檢測(cè)器模塊，可編程增益放大器模塊，斬波器模塊，低通濾波器模塊參與工作。具體工作過(guò)程可描述如下：空間中的幅度調(diào)制的載波信號(hào)被片上天線模塊接收并輸出給功率檢測(cè)器模塊，功率檢測(cè)器模塊將該幅度調(diào)制的載波信號(hào)解調(diào)，得到解調(diào)信號(hào)并輸出給可編程增益放大器模塊，可編程增益放大器模塊將解調(diào)信號(hào)進(jìn)行放大并將放大后的解調(diào)信號(hào)輸出給斬波器模塊，斬波器模塊將該解調(diào)信號(hào)進(jìn)一步解調(diào)為直流信號(hào)，該直流信號(hào)的值與解調(diào)信號(hào)的幅度成正比，該直流信號(hào)進(jìn)過(guò)低通濾波器模塊的進(jìn)一步濾波后從管腳DC_OUT輸出到片外。上述即為該實(shí)施例的接收模式。

本主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的成像原理解釋如下：

在圖2中給出了此主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的成像原理示意圖。該成像過(guò)程需要兩個(gè)主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)分別處于發(fā)射模式和接收模式。其中，處于發(fā)射模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)向外輻射幅度調(diào)制的電磁波，經(jīng)過(guò)衰減P_L被處于接收模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)接收。衰減P_L由兩部分構(gòu)成，分別為電磁波在空間中的傳播衰減P_L1以及電磁波穿過(guò)成像目標(biāo)的透射衰減P_L2。其中電磁波在空間中的傳播衰減P_L1可表示為：

$P_{L1}=20log\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}R}\right)$

其中，λ表示載波頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，R表示處于發(fā)射模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)和處于接收模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)之間的距離。該成像系統(tǒng)的功能是分辨出成像目標(biāo)的透射衰減P_L2的值，透射衰減P_L2可表示為：

P_L2＝P_t-P_L1-P_r+2G_ANT

其中，P_t表示處于發(fā)射模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的輸出功率，P_r表示處于接收模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的接收功率，G_ANT表示片天天線模塊的增益。對(duì)透射衰減P_L2的分辨精度ΔP_L2可表示為：

${\mathrm{\ΔP}}_{L2}=\frac{\sqrt{4{\mathrm{kTFB}}_{LPF}}}{Rv}$

其中，k為開(kāi)爾文常數(shù)，T表示溫度，F(xiàn)表示處于接收模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，B_LPF表示低通濾波器模塊的帶寬，Rv表示處于接收模式的主動(dòng)成像單片收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的功率到電壓的轉(zhuǎn)化增益。

本發(fā)明的集成片上天線的太赫茲主動(dòng)成像收發(fā)機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)第一在于單片同時(shí)集成了接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，并且接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共用一個(gè)片上天線，系統(tǒng)的尺寸小而且成本低，其優(yōu)點(diǎn)第二在于采用無(wú)源倍頻的電路結(jié)構(gòu)，有效的提高了電路的工作頻率，使電路的工作頻率可以在晶體管的截止頻率以上，其優(yōu)點(diǎn)第三在于將發(fā)射機(jī)的斬波器模塊合并到兩倍頻輸出信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器模塊中，提高了發(fā)射機(jī)的輸出功率，提高了該主動(dòng)成像系統(tǒng)的有效工作距離。

此實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。