太赫兹小型化多功能集成接收机前端制造技术

本实用新型专利技术公开了太赫兹小型化多功能集成接收机前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，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、混频器腔和混频器本振输入腔；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔内的GaAs衬底上，本振驱动源腔垂直安装在混频器本振输入腔上。本实用新型专利技术通过上述结构，将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个基片和腔体内进行加工，可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。

The front end of the terahertz miniaturized and multi-function integrated receiver

The utility model discloses a terahertz miniaturized multifunction integrated receiver front end, which includes a low noise amplifier circuit, a harmonic mixer circuit, a local oscillator driving source circuit and a metal cavity. The low noise amplifier circuit and the sub harmonic mixer circuit are located on the GaAs substrate of the metal cavity. The metal cavity includes the metal cavity. The input cavity of the low noise amplifier, the mixer cavity and the mixer local oscillator input cavity; the local oscillator drive source circuit is located on the GaAs substrate in the source cavity of the local oscillator, and the local oscillator drive source cavity is vertically mounted on the mixer local oscillator input cavity. By using the above structure, the low noise amplifier, mixer and local oscillator drive source are processed in the same substrate and cavity, and the functions of low noise amplification, frequency doubling and mixing can be realized at the same time, and the cost and complexity of the terahertz receiver are greatly reduced, and the miniaturization of the front end of the terahertz receiver is realized. Effective simplification of circuit design and processing, saving cost and reducing internal consumption.

【技术实现步骤摘要】
太赫兹小型化多功能集成接收机前端
本技术涉及接收机领域，具体涉及太赫兹小型化多功能集成接收机前端。
技术介绍
在电磁频谱家族中，频率在0.1THz至10THz范围的太赫兹(Terahertz，THz)波处在电子学和光子学研究频段之间的特殊位置。在科学技术的发展进程中，对这一频段的研究和开发利用曾受制于彼时科学研究手段和技术条件的限制而发展较晚，一度被称为电磁频谱中的“间隙”，对它的研究和技术开发仅局限在天体物理学和射电天文学领域中，在这些领域需要研究太赫兹频段的分子谱学(molecularspectroscopy)从而探索宇宙的物质构成。随着科学技术的进步，同时也正是由于太赫兹频段位置的特殊性以及对该频段的探索和利用相对较少，在最近二三十年来，在学术界甚至工业界都掀起了一股太赫兹科学与技术研究的热潮，众多科技前沿学科纷纷进入该研究处女地，使得太赫兹科学技术目前已成为国际学术界的一大热点研究领域。由于太赫兹频段处于宏观经典理论向微观量子理论的频谱过渡区，太赫兹波的产生、探测、调控等机制与传统电子学和红外光子学的机制有所相似，又有所不同，现有成熟的一些理论和技术方法难以完全适用于太赫兹频段，这就需要探索研究适应这一频段的新理论和新方法，也就是说，为更好地探索和利用太赫兹波，需要相关理论的创新和技术的突破。这一切吸引了诸如微纳电子学、非线性光学、晶体材料学、生命科学等相关学科向太赫兹频段渗透和延伸，逐渐形成了许多全新的交叉研究方向和研究领域，同时这些研究方向还在不断延伸。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。实现固态太赫兹应用系统的前提，首先需要研究高性能太赫兹接收前端系统。在现有的接收机系统中，低噪声放大器、混频器、本振驱动源均作为单独的模块进行加工设计，然后将本振驱动源的输出波导和混频器的本振波导相连接，使本振驱动源为混频器提供能量，同时混频器的射频端口与低噪声放大器的波导相连接，组成一个前端，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，需要三个单独的电路腔体分别容纳低噪声放大器电路、混频器电路和本振驱动源电路。现有结构存在损耗高、太赫兹接收机的成本高及复杂度高等缺陷。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是让低噪声放大器、本振驱动源和混频器集成在同一个GaAs衬底和腔体内，目的在于提供太赫兹小型化多功能集成接收机前端，基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本振驱动源在同一个以GaAs砷化镓为衬底的基片和腔体内进行加工，设计出的太赫兹接收机前端可同时实现低噪声放大、倍频和混频多个功能，极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度，实现了太赫兹接收机前端的小型化，有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。本技术通过下述技术方案实现：太赫兹小型化多功能集成接收机前端，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，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、混频器腔和混频器本振输入腔，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混频器本振输入腔，在混频器腔内的分谐波混频器电路上的本振过渡段位于混频器本振输入腔，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；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔内的GaAs衬底上，本振驱动源腔垂直安装在混频器本振输入腔上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段插入混频器本振输入腔内，在本振驱动源腔上还垂直横穿倍频器本振输入腔，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔。工作原理：天线接收到外界的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；其中本振信号从倍频器本振输入腔的倍频器本振输入端进入，经过本振驱动源电路倍频后的信号进入分谐波混频器上的混频器本振输入腔的本振端口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为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。本技术基于单片集成技术，在太赫兹频段将低噪声放大器、混频器和本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，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(21)和混频器本振输入腔(15)，低噪声放大器输入腔(1)与混频器腔(21)连接，在混频器腔(21)y轴延伸线上还垂直横穿混频器本振输入腔(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)位于混频器本振输入腔(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)；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔(22)内的GaAs衬底上，本振驱动源腔(22)垂直安装在混频器本振输入腔(15)上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段(27)插入混频器本振输入腔(15)内，在本振驱动源腔(22)上还垂直横穿倍频器本振输入腔(26)，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔(26)。...

【技术特征摘要】
1.太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，包括低噪声放大器电路、分谐波混频器电路、本振驱动源电路和金属腔体，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(21)和混频器本振输入腔(15)，低噪声放大器输入腔(1)与混频器腔(21)连接，在混频器腔(21)y轴延伸线上还垂直横穿混频器本振输入腔(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)位于混频器本振输入腔(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)；所述本振驱动源电路位于本振驱动源腔(22)内的GaAs衬底上，本振驱动源腔(22)垂直安装在混频器本振输入腔(15)上，本振驱动源电路上的倍频器射频过渡段(27)插入混频器本振输入腔(15)内，在本振驱动源腔(22)上还垂直横穿倍频器本振输入腔(26)，带有本振驱动源电路的GaAs衬底垂直横穿倍频器本振输入腔(26)。2.根据权利要求1所述的太赫兹小型化多功能集成接收机前端，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗岳，赵小松，
申请(专利权)人：四川众为创通科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川,51