基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端制造技术

本发明专利技术公开了基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔、混频器腔和本振输入腔，低噪声放大器输入腔与混频器腔连接，在混频器腔y轴延伸线上还垂直横穿本振输入腔，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔。本发明专利技术通过上述结构，将低噪声放大器和混频器在同一个GaAs衬底和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收前端电路可同时实现低噪声放大和混频的功能，可有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。

【技术实现步骤摘要】
基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端
本专利技术涉及辐射计领域，具体涉及基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端。
技术介绍
太赫兹(THz)科学技术是近二十年来迅速发展的一个新兴交叉学科和研究热点，它是电磁频谱家族中的重要成员，介于红外光波和微波之间，长波段与毫米波亚毫米波相重合，短波段与红外线相重合，其基础理论、研究方法和技术也与微波、光波两个学科领域相互衔接和兼容，具有很高的知识密集性和技术密集性。太赫兹频段覆盖电磁频谱的0.1THz～10THz频率范围，是一个蕴含着丰富物理内涵的宽频段电磁辐射区域。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和检测方法，形成了电磁波谱中的太赫兹应用“空隙”。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。其中，星载微波辐射计以其独有的特点和从卫星高度获取全球资料的便利性，成为从卫星上观测地球的一种重要手段。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。对微波辐射计而言，如何在系统电路类型上有所突破性改进比较困难。如何在电路结构上提高微波辐射计的性能，是微波辐射计研究的一个重要发展方向。这对微波辐射计的应用也显得尤为重要。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单一功能，并在单一模块的基础上进行级联来实现太赫兹系统电路。设计中每个单独模块需要一个基片和腔体来承载电路，因此在整体电路中需要多个基片和腔体，且需要连接波导。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的内部传输损耗。实现固态太赫兹辐射计系统的前提，首先需要研究高性能太赫兹接收前端系统。在现有的辐射计系统中，低噪声放大器、混频器均作为单独的模块进行加工设计，然后用波导把两者连接起来。低噪声放大器在一个电路腔体中进行设计，混频器在另外一个电路腔体内设计，然后将低噪声放大器的输出波导和混频器的射频输入波导相连接，低噪声放大器接收到的信号经过放大后，进入混频器对信号进行处理。在这种设计中，需要两个单独的电路腔体分别容纳低噪声放大器电路和混频器电路。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是让低噪声放大器和混频器集成在同一个GaAs衬底和腔体内，目的在于提供基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端，将低噪声放大器和混频器在同一个GaAs衬底和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收前端电路可同时实现低噪声放大和混频的功能，可有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。本专利技术通过下述技术方案实现：基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔、混频器腔和本振输入腔，低噪声放大器输入腔与混频器腔连接，在混频器腔y轴延伸线上还垂直横穿本振输入腔，在混频器腔内的分谐波混频器电路上的本振过渡段位于本振输入腔，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导-微带线过渡结构连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝与微带线电路连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底上表面的上层接地金属，两块上层接地金属位于传输线的两侧，在两块上层接地金属之间桥接多根平行设置的地-地空气桥，在两块上层接地金属之间水平横穿传输线，传输线的一端连接射频-共面波导输入探针，传输线另一端连接共面波导-微带线过渡结构,在传输线上还安装多个晶体管，多个晶体管的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘供电，多个晶体管的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘供电，多个晶体管的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘和晶体管漏极供电焊盘均通过直流供电金丝与微带线电路连接，在每块上层接地金属上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔，过孔布满整个上层接地金属。工作原理：射频信号从低噪声放大器上的低噪声放大器输入腔上的输入端口进入，经过低噪声放大器将信号放大后进入分谐波混频器电路的射频端口；其中本振信号从分谐波混频器上的本振输入腔顶部的本振端口进入，为混频器提供本振驱动，然后本振信号和经过低噪声放大器放大后的信号经分谐波混频器处理后输出。本方案中低噪声放大器的输入输出端口采用标准波导WR2.2，混频器射频端口采用标准波导WR2.2，本振端口采用标准波导WR5.1，其中低噪声放大器的共面波导结构可实现整体电路接地，直流地可为因分谐波混频器中二极管对的不对称性引起的非平衡电流提供回路，从而提升了混频器的性能；其中共面波导-微带线过渡结构对电路进行良好的匹配使能量更好的传输。低噪声放大器电路的工作原理：射频-共面波导输入探针将340GHz射频信号电磁耦合到低噪声放大器电路所在芯片上，射频-共面波导输入探针与低噪声放大器电路所在芯片集成在一块衬底上，既避免金丝键合带来的寄生参量，又减小了总体装配难度。地-地空气桥连接信号主路两侧的上层接地金属，消除太赫兹频段带来的寄生参数；晶体管连接上下供地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔，由于太赫兹频段高，容易在基片形成高次模式，从而影响信号的传输；上层接地金属，为太赫兹芯片提供接地平面；GaAs衬底，与InP衬底相比，GaAs衬底上的mHEMT技术更便宜，有更高的结晶质量，更高的机械强度和大直径的可用GaAs晶片。晶体管栅极供电焊盘，整块芯片中晶体管栅极供直流供电电路由同一块焊盘提供，由于直流焊盘在芯片上占据了较大的面积，从而减小了多块焊盘带来的芯片面积浪费；晶体管漏极供电焊盘，整块低噪声放大器电路芯片中晶体管漏极供直流供电电路由同一块焊盘提供；直流供电金丝，通过金丝键合的方式，将直流供电电路与低噪声放大器电路芯片直流焊盘形成电气连接，给整块低噪声放大器电路芯片提供直流；微带线电路，采用普通的5880基片，通过PCB提供稳压后电压，给低噪声放大器电路芯片的栅极和漏极焊盘提供直流电压；与后级混频器连接的共面波导-微带线过渡结构，完成芯片输出到后级下变频输入的共面波导-微带线过渡结构。本专利技术基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器和混频器在同一个以砷化镓为衬底的单片上和金属腔体内进行加工，主要由两部分组成，一是太赫兹低噪声放大器，二是太赫兹分谐波混频器，以GaAs为衬底，将太赫兹低噪放与谐波混频器集成在同一块GaAs衬底上，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹辐射计前端的小型化，设计出的太赫兹接收前端电路可同时实现低噪声放大和混频的功能，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。本方案中多功能模块在一个电路中实现相比现有单模块级联组成的电路加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少，减少了多模块电路的体积，实现了电路小型化，同时也降低了加工腔体和基片的成本。优选的，所述分谐波混频器电路包括依次沿x轴方向串联连接的单片集成二极管对、本振低通滤波器、本振过渡段、中频低通滤波器和中频输出端口，中频低通滤波器包括x轴传输线和三个纵向传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端，其特征在于，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底(2)上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔(1)、混频器腔和本振输入腔(15)，低噪声放大器输入腔(1)与混频器腔连接，在混频器腔(21)y轴延伸线上还垂直横穿本振输入腔(15)，在混频器腔(21)内的分谐波混频器电路上的本振过渡段(16)位于本振输入腔(15)，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔(1)，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导‑微带线过渡结构(12)连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底(2)上表面的上层接地金属(3)，两块上层接地金属(3)位于传输线(6)的两侧，在两块上层接地金属(3)之间桥接多根平行设置的地‑地空气桥(5)，在两块上层接地金属(3)之间水平横穿传输线(6)，传输线(6)的一端连接射频‑共面波导输入探针(19)，传输线(6)另一端连接共面波导‑微带线过渡结构(12),在传输线(6)上还安装多个晶体管(7)，多个晶体管(7)的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘(9)供电，多个晶体管(7)的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘(10)供电，多个晶体管(7)的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘(9)和晶体管漏极供电焊盘(10)均通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接，在每块上层接地金属(3)上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔(4)，过孔(4)布满整个上层接地金属(3)。...

【技术特征摘要】
1.基于单片集成技术的太赫兹低噪声辐射计前端，其特征在于，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路和金属腔体，所述低噪声放大器电路和分谐波混频器电路均位于金属腔体内的GaAs衬底(2)上，所述金属腔体包括低噪声放大器输入腔(1)、混频器腔和本振输入腔(15)，低噪声放大器输入腔(1)与混频器腔连接，在混频器腔(21)y轴延伸线上还垂直横穿本振输入腔(15)，在混频器腔(21)内的分谐波混频器电路上的本振过渡段(16)位于本振输入腔(15)，所述低噪声放大器电路位于低噪声放大器输入腔(1)，分谐波混频器电路位于混频器腔内，低噪声放大器电路和分谐波混频器电路之间通过共面波导-微带线过渡结构(12)连接，低噪声放大器电路还通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接；所述低噪声放大器电路包括两块设置在GaAs衬底(2)上表面的上层接地金属(3)，两块上层接地金属(3)位于传输线(6)的两侧，在两块上层接地金属(3)之间桥接多根平行设置的地-地空气桥(5)，在两块上层接地金属(3)之间水平横穿传输线(6)，传输线(6)的一端连接射频-共面波导输入探针(19)，传输线(6)另一端连接共面波导-微带线过渡结构(12),在传输线(6)上还安装多个晶体管(7)，多个晶体管(7)的栅极通过同一块晶体管栅极供电焊盘(9)供电，多个晶体管(7)的漏极通过同一块晶体管漏极供电焊盘(10)供电，多个晶体管(7)的源极均接地，晶体管栅极供电焊盘(9)和晶体管漏极供电焊盘(10)均通过直流供电金丝(8)与微带线电路(11)连接，在每块上层接地金属(3)上还均匀设置两排连接两块上层接地金属并用于抑制GaAs衬底平板模式并镀Au\Pt的过孔(4)，过孔(4)布满整个上层接地金属(3)。2.根据权利要求1所述的基于单片集成技术的太赫...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，吴三统，
申请(专利权)人：四川众为创通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51