本發(fā)明涉及一種固態(tài)太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)，具體涉及一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端。

背景技術(shù)：

太赫茲(thz)波是指頻率在0.1thz～10thz(波長為0.03mm～3mm)范圍內(nèi)的電磁波。它是電磁頻譜家族中的重要成員，介于紅外光波和微波之間，長波段與毫米波亞毫米波相重合，短波段與紅外光相重合，其基礎(chǔ)理論、研究方法和技術(shù)也與微波、光波兩個學(xué)科領(lǐng)域相互銜接和兼容，是上世紀(jì)末和本世紀(jì)初迅速發(fā)展起來而形成的一門綜合性學(xué)科分支。太赫茲技術(shù)具有很高的知識密集性和技術(shù)密集性，是現(xiàn)代高科技促進了它的發(fā)展，它的研究成果和技術(shù)又為現(xiàn)代物理學(xué)、信息科學(xué)、微電子學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科提供了重要研究手段，反過來又促進了這些學(xué)科的發(fā)展。

近年來，美、英、日等發(fā)達國家投入大量的人力和物力進行太赫茲技術(shù)的研究，隨著研究的深入，太赫茲波在傳播、穿透、吸收等方面的特殊性質(zhì)被不斷地揭示出來。太赫茲技術(shù)的應(yīng)用主要有：(1)宇宙背景輻射在太赫茲頻段存在豐富信息，使得太赫茲頻譜技術(shù)成為天文學(xué)研究的重要手段之一。如通過研究冷分子云的太赫茲頻段頻譜特性，可探究宇宙的起源；分析宇宙背景的頻譜信息，可研究距離我們非常遙遠的新生星系的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，及其空間分布信息。(2)太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級，典型應(yīng)用為采樣技術(shù)及精確時間分辯技術(shù)；此外，因太赫茲脈沖信噪比較遠紅外頻率脈沖信噪比高幾個數(shù)量級，因此易于區(qū)分，可有效抑制遠紅外背景噪聲干擾。(3)生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級輻射，以及多數(shù)半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料及特殊薄膜材料其聲子振動能級輻射頻率處于太赫茲波段，因此基于時域光譜技術(shù)，可在太赫茲頻段定性鑒別材料。(4)太赫茲光子能量低，不容易對檢測物造成輻射效應(yīng)(為幾毫電子伏特數(shù)量級)，因此太赫茲檢測對比傳統(tǒng)x光等檢測方式可實現(xiàn)人體無傷檢測；此外，太赫茲技術(shù)可以作為傳統(tǒng)x光檢查的補充，用于機場、車站等場所的安全監(jiān)測。與傳統(tǒng)毫米波成像技術(shù)相比，太赫茲成像的分辨率顯著增強。(5)太赫茲波穿透部分非金屬或非極性材料時衰減較小，結(jié)合相關(guān)技術(shù)，可實現(xiàn)材料內(nèi)部太赫茲成像探測。

固態(tài)太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)首先需要研究高性能太赫茲接收前端系統(tǒng)，而在接收機系統(tǒng)前端中，由于太赫茲低噪聲放大器的缺乏，混頻器通常作為接收機的第一級，它的性能會影響到整機噪聲性能。系統(tǒng)靈敏度取決于接收機噪聲系數(shù)的好壞，而本振信號經(jīng)過放大倍頻所引入的噪聲對混頻器整體噪聲影響較大。在實際工作中，本振信號中的幅度調(diào)制，甚至本振鏈路中放大器的熱噪聲，都會被引入到接收機系統(tǒng)中，惡化噪聲系數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度降低；同時，目前大多數(shù)超外差接收機多采用諧波混頻器，諧波混頻器需要較高的本振驅(qū)動功率，本振功率引入的噪聲功率也隨之升高，而且，功率需求的升高還會造成電路功耗升高，導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重，減小器件的壽命。然而，現(xiàn)有的太赫茲全固態(tài)接收機中并沒有抑制本振噪聲的設(shè)計方案。另一方面，現(xiàn)有的接收機電路由于受制于加工條件的限制，在有多個端口輸入輸出的情況下多采用多級電路排布，整體電路中需要多個基片和腔體，且需要連接波導(dǎo)或探針，加工復(fù)雜，成本高，傳輸損耗大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對背景技術(shù)存在的缺陷，提出了一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端。本發(fā)明接收機前端可有效抑制全固態(tài)太赫茲接收機中本振信號引入的噪聲，提高系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和靈敏度，進而提升系統(tǒng)的整體性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端，包括射頻e面波導(dǎo)功分器1、本振h面波導(dǎo)功分器6、中頻耦合環(huán)9、直流偏置10、中頻信號11和兩個太赫茲基波混頻器，所述太赫茲基波混頻器包括射頻波導(dǎo)-微帶過渡、肖特基二極管、本振波導(dǎo)-微帶過渡、中頻濾波器；其中，兩個太赫茲基波混頻器中的肖特基二極管的排布方向相反；

射頻信號和本振驅(qū)動信號分別經(jīng)射頻波導(dǎo)-微帶過渡、本振波導(dǎo)-微帶過渡進入肖特基二極管進行混頻處理，混頻產(chǎn)生的各次諧波分量被相應(yīng)的中頻濾波器濾掉后，得到的中頻信號分別經(jīng)由相應(yīng)的中頻濾波器輸出，進入中頻耦合環(huán)9，經(jīng)180°相位變換后，輸出中頻信號11。

一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端，包括射頻e面波導(dǎo)功分器1、本振h面波導(dǎo)功分器6、中頻耦合環(huán)9、直流偏置10、中頻信號11、第一太赫茲基波混頻器2-1和第二太赫茲基波混頻器2-2，所述第一太赫茲基波混頻器2-1包括第一射頻波導(dǎo)-微帶過渡3-1、第一肖特基二極管4-1、第一本振波導(dǎo)-微帶過渡7-1、第一中頻濾波器8-1，所述第二太赫茲基波混頻器2-2包括第二射頻波導(dǎo)-微帶過渡3-2、第二肖特基二極管4-2、第二本振波導(dǎo)-微帶過渡7-2、第二中頻濾波器8-2；其中，所述第一肖特基二極管4-1和第二肖特基二極管4-2均由兩個同向串聯(lián)的二極管組成，且第一肖特基二極管4-1和第二肖特基二極管4-2中二極管的排布方向相反，如圖3所示；

射頻信號經(jīng)射頻e面波導(dǎo)功分器1平分為等幅同向的兩路信號后，分別進入第一太赫茲基波混頻器2-1和第二太赫茲基波混頻器2-2，進入第一太赫茲基波混頻器2-1的信號經(jīng)第一射頻波導(dǎo)-微帶過渡3-1進入第一肖特基二極管4-1，進入第二太赫茲基波混頻器2-2的信號經(jīng)第二射頻波導(dǎo)-微帶過渡3-2進入第二肖特基二極管4-2；

本振驅(qū)動信號經(jīng)本振h面波導(dǎo)功分器6平分為等幅同向的兩路信號后，分別進入第一太赫茲基波混頻器2-1和第二太赫茲基波混頻器2-2，進入第一太赫茲基波混頻器2-1的信號經(jīng)第一本振波導(dǎo)-微帶過渡7-1進入第一肖特基二極管4-1，進入第二太赫茲基波混頻器2-2的信號經(jīng)第二本振波導(dǎo)-微帶過渡7-2進入第二肖特基二極管4-2；

第一肖特基二極管4-1將射頻信號和本振驅(qū)動信號進行混頻處理，混頻產(chǎn)生的各次諧波分量被第一中頻濾波器8-1濾掉，得到的中頻信號經(jīng)第一中頻濾波器8-1的輸出端口輸出；第二肖特基二極管4-2將射頻信號和本振驅(qū)動信號進行混頻處理，混頻產(chǎn)生的各次諧波分量被第二中頻濾波器8-2濾掉，得到的中頻信號經(jīng)第二中頻濾波器8-2的輸出端口輸出；第一中頻濾波器8-1和第二中頻濾波器8-2輸出的中頻信號進入中頻耦合環(huán)9，經(jīng)180°相位變換后，輸出中頻信號11。

進一步地，所述第一中頻濾波器8-1和第二中頻濾波器8-2為cmrc低通濾波器，其輸出端采用50歐姆微帶阻抗線實現(xiàn)，具有寬頻帶抑制寄生通帶的特性，可以有效阻止諧波信號、本振信號、射頻信號由中頻段輸出并將其反射回去，提高了倍頻和混頻效率。

進一步地，所述本振h面波導(dǎo)功分器6采用3d打印技術(shù)得到，將信號由縱向加載到微帶基片上。

進一步地，所述全固態(tài)太赫茲接收機前端采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3，其具有抑制低頻信號的作用，從而使得中頻信號、本振信號、基波信號均不會從射頻端輸出。

進一步地，所述直流偏置10通過探針加載于中頻耦合環(huán)9的其中一條分支線上，為兩個太赫茲基波混頻器提供直流偏置。

本發(fā)明的工作原理如下：

本發(fā)明提供的全固態(tài)太赫茲接收機前端中兩個太赫茲基波混頻器中的肖特基二極管的排布方向相反，使得輸出的兩路中頻信號相位相反，由于噪聲是隨機分布的，對噪聲進行相位變換沒有實際意義，而經(jīng)過混頻器混頻，中頻濾波器濾波后，因為本振引入的噪聲被功率放大器放大，此時在新的噪聲基底下可認(rèn)為本振引入的噪聲為一個小信號，通過180度相位變換后，本振噪聲反向被抑制，使得兩路中頻信號同向疊加，最終輸出經(jīng)過噪聲抑制的中頻信號11，實現(xiàn)了抑制本振噪聲的目的。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提供的全固態(tài)太赫茲接收機前端中兩個太赫茲基波混頻器中的肖特基二極管的排布方向相反，使得輸出的兩路中頻信號相位相反，通過180度相位變換后，本振噪聲反向被抑制，而兩路中頻信號同向疊加，最終輸出經(jīng)過噪聲抑制的中頻信號；本發(fā)明可有效抑制全固態(tài)太赫茲接收機中本振信號引入的噪聲，提高系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和靈敏度，進而提升系統(tǒng)的整體性能。

2、本發(fā)明全固態(tài)太赫茲接收機前端中的本振h面波導(dǎo)功分器采用3d打印技術(shù)得到，不僅可以極大地減小傳統(tǒng)微機械加工切斷壁電流導(dǎo)致的傳輸損耗，還可以使電路從傳統(tǒng)平面電路轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw電路結(jié)構(gòu)，這種立體電路結(jié)構(gòu)使得中頻耦合環(huán)和混頻器的微帶線結(jié)構(gòu)可構(gòu)建在同一個平面上直接連接，避免了多級電路排布的繁瑣，合理利用了模塊內(nèi)部的空間，減少了電路內(nèi)部的損耗。

3、本發(fā)明提供的全固態(tài)太赫茲接收機前端中采用兩個太赫茲基波混頻器，構(gòu)成了平衡式混頻電路，不僅有效抑制了本振噪聲，提升了接收機靈敏度，同時，基波混頻器與諧波混頻器相比，還具有雜散信號少、變頻損耗小、壓縮點高等優(yōu)點，且其對本振功率需求較低，也降低了系統(tǒng)的功耗。

4、本發(fā)明提供的全固態(tài)太赫茲接收機前端中直流偏置加載于中頻耦合環(huán)的其中一條分支線上，無需額外引入電路，簡化了結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明肖特基二極管的三維模型；

圖3為本發(fā)明全固態(tài)太赫茲接收機前端中的太赫茲基波混頻器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明太赫茲基波混頻器中的中頻濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明射頻e面波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)及仿真結(jié)果圖(b)；

圖6為本發(fā)明本振h面波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)及仿真結(jié)果圖(b)；

圖7本發(fā)明中頻耦合環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端的整體結(jié)構(gòu)示意圖；包括射頻e面波導(dǎo)功分器1、本振h面波導(dǎo)功分器6、中頻耦合環(huán)9、直流偏置10、中頻信號11和兩個太赫茲基波混頻器，所述太赫茲基波混頻器包括射頻波導(dǎo)-微帶過渡、肖特基二極管、本振波導(dǎo)-微帶過渡、中頻濾波器；其中，兩個太赫茲基波混頻器中的肖特基二極管的排布方向相反；

該結(jié)構(gòu)腔體采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3，射頻信號從射頻e面波導(dǎo)功分器1進入，本振驅(qū)動信號從本振h面波導(dǎo)功分器6進入；射頻信號經(jīng)射頻e面波導(dǎo)功分器1平分成兩路等幅同向的信號后，經(jīng)波導(dǎo)減高耦合到微帶線進入兩個二極管排布方向相反的太赫茲基波混頻器中；本振驅(qū)動信號經(jīng)本振h面波導(dǎo)功分器6平分成兩路等幅同向信號后，經(jīng)波導(dǎo)減高耦合到微帶線進入兩個二極管排布方向相反的太赫茲基波混頻器中；

射頻信號和本振驅(qū)動信號經(jīng)太赫茲基波混頻器的本振和射頻端口饋入同向串聯(lián)的肖特基二極管中進行混頻處理，混頻產(chǎn)生的各次諧波分量被中頻濾波器濾掉，僅有中頻分量輸出，得到的中頻信號分別經(jīng)由各自的中頻濾波器輸出，進入中頻耦合環(huán)9，經(jīng)180°相位變換后，輸出中頻信號。

其中，中頻耦合環(huán)9實現(xiàn)了180°相位變換和施加直流偏置的作用，所述直流偏置通過探針加載于中頻耦合環(huán)9的其中一條分支線上，為兩個太赫茲基波混頻器提供直流偏置。

其中，射頻波導(dǎo)-微帶過渡和本振波導(dǎo)-微帶過渡采用波導(dǎo)減高的形式，可以使匹配更加良好；射頻和本振輸入信號在對應(yīng)的波導(dǎo)中以te10模式饋入到對應(yīng)的肖特基二極管中，而由二極管產(chǎn)生的諧波分量會沿著微帶線以tem模式傳播，由于這兩種模式的正交性，信號不會相互泄露，從而實現(xiàn)了本振端口和射頻端口間的隔離。

其中，中頻濾波器為cmrc低通濾波器，其輸出端采用50歐姆微帶阻抗線實現(xiàn)，具有寬頻帶抑制寄生通帶的特性，可以有效阻止諧波信號、本振信號、射頻信號由中頻段輸出并將其反射回去，提高了倍頻和混頻效率。

如圖2所示，為本發(fā)明肖特基二極管的三維模型；二極管是混頻器的核心器件，它的性能直接關(guān)系到變頻損耗的高低和混頻器的工作帶寬。在太赫茲頻段波長很小，二極管的封裝尺寸會對其性能造成很大的影響，應(yīng)盡量選取級聯(lián)電阻、結(jié)電容都比較小的二極管，但隨著頻率的升高，需要同時降低級聯(lián)電阻、結(jié)電容，這在半導(dǎo)體工藝上實現(xiàn)具有較大的難度。本發(fā)明混頻器中的肖特基二極管為同向串聯(lián)的二極管，根據(jù)常用的太赫茲二極管技術(shù)建立的三維二極管封裝模型如圖2所示。

如圖3所示，為本發(fā)明全固態(tài)太赫茲接收機前端中的太赫茲基波混頻器的結(jié)構(gòu)示意圖；所述太赫茲基波混頻器包括射頻波導(dǎo)-微帶過渡、肖特基二極管、本振波導(dǎo)-微帶過渡、中頻濾波器；其中，兩個太赫茲基波混頻器中的肖特基二極管4-1和4-2的排布方向相反。

其中，在射頻輸入端，微帶線與上腔體接觸，實現(xiàn)了射頻信號和直流偏置的接地。

其中，射頻和本振輸入信號在對應(yīng)的波導(dǎo)中以te10模式饋入到對應(yīng)的肖特基二極管中，而由二極管產(chǎn)生的諧波分量會沿著微帶線以tem模式傳播，由于這兩種模式的正交性，使得該結(jié)構(gòu)中本振端口和射頻端口具有非常高的隔離度，有效阻止了信號的相互泄露。

如圖4所示，為本發(fā)明太赫茲基波混頻器中的中頻濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明中頻濾波器采用cmrc(compactmicrostripresonantcell，緊湊微帶諧振單元)低通濾波器，在單元cmrc的基礎(chǔ)上增加cmrc單元個數(shù)并級聯(lián)，通過不同單元對不同頻段的阻帶作用級聯(lián)后消除高頻段的寄生通帶，達到阻止基波信號、本振信號、射頻信號的目的。該結(jié)構(gòu)中去掉cmrc中的帶內(nèi)小微帶線耦合結(jié)構(gòu)，使濾波器結(jié)構(gòu)更加簡單，且可通過調(diào)節(jié)不同單元的長度來控制每個單元的抑制頻段，實現(xiàn)寄生通帶的消除。

如圖5所示，為本發(fā)明射頻e面波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)及仿真結(jié)果圖(b)；該波導(dǎo)功分器基于標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，承載功率高，其頻率范圍由該波導(dǎo)te10模式截止頻率確定。其中，矩形波導(dǎo)輸入部分采用了部分減高漸變的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可避免不連續(xù)性所導(dǎo)致的電路性能的惡化；在矩形波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)處增加了一個三角楔形結(jié)構(gòu)，控制該楔形結(jié)構(gòu)的長和高可實現(xiàn)功分器在寬頻帶內(nèi)良好的匹配特性，提升整體電路性能。由仿真結(jié)果可以看出，本發(fā)明射頻e面波導(dǎo)功分器的回波損耗在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3的全頻帶內(nèi)(170ghz～260ghz)優(yōu)于20db，插入損耗小于0.1db，其良好的傳輸性能使得在較寬的頻帶范圍內(nèi)射頻信號都能以較小的損耗加載到兩個混頻器上，為實現(xiàn)寬頻帶低損耗混頻電路奠定了良好基礎(chǔ)。

如圖6所示，為本發(fā)明本振h面波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)及仿真結(jié)果圖(b)；該波導(dǎo)功分器基于標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3構(gòu)成，采用3d打印技術(shù)加工，不僅可以極大地減小傳統(tǒng)微機械加工切斷壁電流導(dǎo)致的傳輸損耗，還可以使電路從傳統(tǒng)平面電路轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實現(xiàn)功分器在寬頻帶內(nèi)良好的匹配特性，提升整體電路性能，仍在矩形波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)處使用三角楔形結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)-微帶激勵方式不同，本發(fā)明為了簡化結(jié)構(gòu)，避免多級電路加工的復(fù)雜性，使用3d打印技術(shù)將本振端口于縱向加載，采用了波導(dǎo)從基片正面激勵的新型方式，仿真結(jié)果顯示這種加載方法并不會影響信號的傳輸特性。由仿真結(jié)果可以看出，本振h面波導(dǎo)功分器的回波損耗在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3的全頻帶內(nèi)(170ghz～260ghz)實現(xiàn)了良好的傳輸性能，為實現(xiàn)寬頻帶低損耗混頻電路奠定了良好基礎(chǔ)。

如圖7所示，為本發(fā)明中頻耦合環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明采用經(jīng)典混合環(huán)模型，2端口接匹配負載，中頻信號分別由端口1和端口3進入耦合環(huán)電路，4端口輸出為兩個信號的差，即信號反向疊加，而由于耦合環(huán)電路與混頻器基片相連接，在2端口接外部直流偏置，即可為基波混頻器提供所需的偏置電流。

本發(fā)明新型的全固態(tài)太赫茲接收機前端中，射頻功分器、基波混頻器、本振功分器均集成在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)wr-4.3腔體內(nèi)，其中，射頻功分器、基波混頻器的腔體部分在水平方向上加工，而本振功分器則利用3d打印技術(shù)在垂直方向上加工，同時，在垂直方向上遠離本振功分器的一端打孔，通過探針將直流偏置加載到中頻耦合環(huán)的環(huán)臂上。本發(fā)明采用3d打印技術(shù)加工本振波導(dǎo)功分器，不僅可以極大地減小傳統(tǒng)微機械加工切斷壁電流導(dǎo)致的傳輸損耗，還可以使電路從傳統(tǒng)平面電路轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw電路結(jié)構(gòu)。