專利名稱：太赫茲準(zhǔn)光混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲準(zhǔn)光混頻器。
背景技術(shù)：
太赫茲波指的是頻率在O. ITHz IOTHz (波長(zhǎng)3mm 30 μ m)范圍內(nèi)的電磁輻射，位于電磁波譜中介于毫米波和紅外輻射之間。太赫茲信號(hào)的檢測(cè)可以通過太赫茲天線將太赫茲信號(hào)從空間中耦合成導(dǎo)行波，并通過混頻器將太赫茲信號(hào)變換成中頻，并進(jìn)一步進(jìn)行A/D變換、數(shù)字信號(hào)處理，從而獲取期望的信息。太赫茲信號(hào)探測(cè)器廣泛引用于通信(寬帶通信)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像(無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像)、無損檢測(cè)、安全檢查(生化物的檢查)等領(lǐng)域。由于一些應(yīng)用背景的特殊需求，如星 載設(shè)備、手持設(shè)備等，對(duì)太赫茲信號(hào)探測(cè)器的體積和重量提出了一定的約束條件。因此，作為太赫茲前端的小體積、輕重量的混頻器一直是研究熱點(diǎn)之一。另外，作為應(yīng)用系統(tǒng)的第一級(jí)，太赫茲前端的的混頻器的性能(包括噪聲性能和增益)能起著至關(guān)重要的作用。因此，如何提高太赫茲前端的的混頻器性能也是研究人員關(guān)注的主要問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)問題，提供一種太赫茲準(zhǔn)光混頻器，該太赫茲準(zhǔn)光混頻器具有小體積、輕質(zhì)量、高性能的特點(diǎn)。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種太赫茲準(zhǔn)光混頻器，包括混頻天線、高阻介質(zhì)透鏡、中頻電路以及背面短路器，太赫茲頻段本振信號(hào)由高阻介質(zhì)透鏡耦合到混頻天線上以提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號(hào)，待檢測(cè)信號(hào)也通過高阻介質(zhì)透鏡耦合至混頻天線上；耦合到混頻天線上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由中頻電路濾波和放大后輸出；位于混頻天線背瓣方向的背面短路器沿混頻天線法線方向移動(dòng)，改變與混頻天線的距離。所述太赫茲準(zhǔn)光混頻器中的混頻天線包括平面天線、二極管以及中頻引線，混頻天線中的二極管位于平面的射頻饋電端口處并且分別與平面天線的兩極相連，耦合到混頻天線上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線上的二極管混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由中頻引線引出。混頻天線中的二極管可以為肖特基二極管?；祛l天線緊貼高阻介質(zhì)透鏡?；祛l天線襯底材料的介電常數(shù)與高阻介質(zhì)透鏡材料的介電常數(shù)接近。中頻電路包括扼流電感、帶通濾波器和低噪聲放大器，直流偏置通過扼流電感加載在混頻天線上，中頻信號(hào)由帶通濾波器選頻輸出后，再由低噪聲放大器放大后輸出。混頻天線與中頻電路通過金絲壓焊或者倒裝焊的方式連接。高阻介質(zhì)透鏡采用電阻率為5000 Ω · m的硅材料，高阻介質(zhì)透鏡的形狀為擴(kuò)展半球透鏡。
背面短路器包括短路面柱和螺旋調(diào)節(jié)桿，短路面柱的截面形狀為圓形，直徑不小于透鏡的直徑，面向混頻天線的一面是金屬面，短路面柱通過螺旋調(diào)節(jié)桿控制短路面柱與混頻天線之間的距離，短路面柱的材料為銅、鋁、或聚四氟乙烯等復(fù)合材料。本發(fā)明的太赫茲準(zhǔn)光混頻器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、變頻效率高的特點(diǎn)，可以作為太赫茲探測(cè)器的常溫前端，為太赫茲探測(cè)器提供一個(gè)常溫太赫茲準(zhǔn)光混頻器，用于空間探測(cè)器中探測(cè)與檢測(cè)信號(hào)，以及應(yīng)用于星載或者手持設(shè)備等對(duì)體積重量約束較高的設(shè)備中。


應(yīng)說明的是，下面描述中的附圖僅示意地示出了一些實(shí)施例，并沒有包括所有可能的實(shí)施例。圖I為準(zhǔn)光混頻器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為混頻天線結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為混頻天線芯片結(jié)構(gòu)剖面圖；圖4為背面短路器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(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。圖I為本發(fā)明實(shí)施例的太赫茲準(zhǔn)光混頻器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該準(zhǔn)光混頻器包括混頻天線I、高阻介質(zhì)透鏡2、中頻電路3以及背面短路器4。太赫茲頻段本振信號(hào)(頻率為Oho)從空間由高阻介質(zhì)透鏡2耦合到混頻天線上，提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號(hào)，而待檢測(cè)信號(hào)(頻率為ωκρ)或射頻信號(hào)也通過高阻介質(zhì)透鏡2耦合到混頻天線上。耦合到混頻天線I上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)(頻率為ωιρ)，中頻信號(hào)由中頻電路3濾波和放大后輸出；位于混頻天線I的背瓣方向的背面短路器4沿混頻天線I的法線方向移動(dòng)，改變與混頻天線I的距離。高阻介質(zhì)透鏡2例如采用電阻率為5000 Ω · m的硅材料，其形狀例如為擴(kuò)展半球透鏡。中頻電路3包括扼流電感31、帶通濾波器32和低噪聲放大器33。直流偏置通過扼流電感31加載在混頻天線上，中頻信號(hào)由帶通濾波器選頻輸出后，再由低噪聲放大器放大后輸出。為了抑制交流信號(hào)，尤其是中頻信號(hào)，扼流電感31的電感值例如為47uF。帶通濾波器33的中心頻率與中頻頻率一致，帶寬為20%。低噪聲放大器的噪聲系統(tǒng)為2dB，增益為20dB。輸出接頭例如使用SMA(Sub-Miniature-A)轉(zhuǎn)接頭。直流偏置通過扼流電感加載在混頻天線上，存在一個(gè)使得準(zhǔn)光混頻模塊在固定的本振頻率和本振功率條件下獲得最小變頻損耗的最佳直流偏置條件，以及存在一個(gè)可以在保持變頻損耗不惡化的情況下降低本振功率的最佳直流偏置條件或者存在當(dāng)本振功率不足時(shí)變頻損耗最小的最佳直流偏置條件?；祛l天線與中頻電路例如通過金絲壓焊或者倒裝焊的方式連接，顯然，混頻天線與中頻電路也可以通過其他現(xiàn)有技術(shù)的方式連接。圖2為混頻天線I的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，混頻天線I包括平面天線11、肖特基二極管12以及中頻引線13。肖特基二極管12位于平面天線11的射頻饋電端口處，并且分別與平面天線11的兩極相連?；祛l天線I采用半導(dǎo)體工藝制作，平面天線與肖特基二極管可以使用同一半導(dǎo)體襯底，例如平面天線與肖特基二極管均制作在砷化鎵外延材料上。中頻信號(hào)由混頻天線I的中頻引線13輸出?；祛l天線I緊貼高阻介質(zhì)透鏡2，參見圖I和圖2。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的混頻天線芯片結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖3所示，混頻天線I采用半導(dǎo)體工藝制作，采用半導(dǎo)體工藝制作的芯片精度高、體積小并且一致性好?；祛l天線制作在砷化鎵外延片上?！?br> 如圖3所示，在半絕緣砷化鎵襯底111上形成有高摻雜濃度砷化鎵層112。肖特基二極管12包括形成在高濃度摻雜砷化鎵層112上的低濃度摻雜砷化鎵層113、第一歐姆接觸電極122、第二歐姆接觸電極123、二氧化硅層114、肖特基陽極延伸壓點(diǎn)124、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)125、肖特基接觸陽極121、懸空電鍍橋126和溝道128。第一歐姆接觸電極122形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上；歐姆接觸陰極壓點(diǎn)125形成在歐姆接觸陰極122上。第二歐姆接觸電極123形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，肖特基陽極延伸壓點(diǎn)124形成在第二歐姆接觸電極123上。低濃度摻雜砷化鎵層113位于第一歐姆接觸電極122和第二歐姆接觸電極123之間。二氧化硅層114形成在低濃度摻雜砷化鎵層113上，在二氧化硅層114開有小孔，肖特基接觸陽極121位于小孔中，肖特基接觸陽極121與低濃度摻雜砷化鎵層113接觸形成肖特基結(jié)；懸空電鍍橋126形成在二氧化硅層114和肖特基接觸陽極121上；肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124通過懸空電鍍橋126與肖特基接觸陽極121相連。溝道128形成在高濃度摻雜砷化鎵層112、低濃度摻雜砷化鎵層113和二氧化硅層114中，溝道28中的高濃度摻雜砷化鎵層112、低濃度摻雜砷化鎵層113和二氧化硅層114被除去?？蛇x地，溝道128形狀為反錐形，參見附圖3。溝道128的下表面與砷化鎵半導(dǎo)體襯底111接觸，溝道128的上表面與懸空電鍍橋126接觸，溝道128的側(cè)面從溝道128的下表面相對(duì)于砷化鎵半導(dǎo)體襯底111成預(yù)定的角度延伸到上表面，溝道128的上表面大于溝道128的下表面，溝道128在二氧化硅層114層的部分位于肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124與肖特基接觸陽極121之間并且不與肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124和肖特基接觸陽極121接觸。平面天線11包括第三歐姆接觸電極132、第四歐姆接觸電極134、第一天線壓點(diǎn)131和第二天線壓點(diǎn)133。平面天線11的第三歐姆接觸電極132形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，第一天線壓點(diǎn)131形成在第三歐姆接觸電極132上；第四歐姆接觸電極134形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，第二天線壓點(diǎn)133形成在第四歐姆接觸電極134上。第一天線壓點(diǎn)131與肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124連接，第二天線壓點(diǎn)133與歐姆接觸陰極壓點(diǎn)125連接?；祛l天線中的中頻引線13由第五歐姆接觸電極142、第六歐姆接觸電極144、第一引線壓點(diǎn)141和第二引線壓點(diǎn)143組成。第五歐姆接觸電極142形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，第一引線壓點(diǎn)141形成在第五歐姆接觸電極142上；第六歐姆接觸電極144形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，第二引線壓點(diǎn)143形成在第六歐姆接觸電極144 ;第一引線壓點(diǎn)141與第一天線壓點(diǎn)131連接，第二引線壓點(diǎn)143與第二天線壓點(diǎn)133連接?？蛇x擇地，肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)125、第一天線壓點(diǎn)131、第二天線壓點(diǎn)133、第一引線壓點(diǎn)141、以及第二引線壓點(diǎn)143的厚度相同，肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)124、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)125、第一天線壓點(diǎn)131、第二天線壓點(diǎn)133、第一引線壓點(diǎn)141、以及第二引線壓點(diǎn)143的上平面在同一平面。 圖4為背面短路器的結(jié)構(gòu)示意圖。背面短路器4是一種調(diào)諧器。位于混頻天線背瓣方向的背面短路器4包括短路面柱41和螺旋調(diào)節(jié)桿42。短路面柱41的截面形狀為圓形，直徑不小于透鏡2的直徑，面向混頻天線的一面必須是金屬面。短路面柱41的材料可以是銅、鋁；也可以是聚四氟乙烯等復(fù)合材料，但是其面向混頻天線的一面是金屬面。短路面柱41通過螺旋調(diào)節(jié)桿42控制短路面柱41與混頻天線I之間的距離。以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的描述僅用于說明本發(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
1.一種太赫茲準(zhǔn)光混頻器，包括混頻天線、高阻介質(zhì)透鏡、中頻電路以及背面短路器，太赫茲頻段本振信號(hào)由高阻介質(zhì)透鏡耦合到混頻天線上以提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號(hào)，待檢測(cè)信號(hào)也通過高阻介質(zhì)透鏡耦合至混頻天線上；耦合到混頻天線上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由中頻電路濾波和放大后輸出；位于混頻天線背瓣方向的背面短路器沿混頻天線法線方向移動(dòng)，改變與混頻天線的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于所述準(zhǔn)光混頻器中的混頻天線包括平面天線、二極管以及中頻引線，混頻天線中的二極管位于平面的射頻饋電端口處并且分別與平面天線的兩極相連，耦合到混頻天線上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線上的二極管混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由中頻引線引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于混頻天線中的二極管為肖特基二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于 混頻天線(I)采用半導(dǎo)體工藝制作，混頻天線(I)的平面天線(11)與肖特基二極管使用同一半絕緣砷化鎵襯底(111)，在半絕緣砷化鎵襯底(111)上形成高摻雜濃度砷化鎵層(112)； 肖特基二極管(12)包括低濃度摻雜砷化鎵層(113)、第一歐姆接觸電極(122)、第二歐姆接觸電極(123)、二氧化硅層(114)、肖特基陽極延伸壓點(diǎn)(124)、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)(125)、肖特基接觸陽極(121)、懸空電鍍橋(126)和溝道(128);低濃度摻雜砷化鎵層(113)和第一歐姆接觸電極(122)分別形成在高摻雜濃度砷化鎵層(112)上；歐姆接觸陰極壓點(diǎn)(125)形成在第一歐姆接觸陰極(122)上；第二歐姆接觸電極(123)形成在高摻雜濃度砷化鎵層112上，肖特基陽極延伸壓點(diǎn)(124)形成在第二歐姆接觸電極(123)上；低濃度摻雜砷化鎵層(113)位于第一歐姆接觸電極(122)和第二歐姆接觸電極(123)之間；二氧化硅層(114)形成在低濃度摻雜砷化鎵層(113)上，在二氧化硅層(114)開有小孔，肖特基接觸陽極(121)位于小孔中，肖特基接觸陽極(121)與低濃度摻雜砷化鎵層(113)接觸形成肖特基結(jié)；懸空電鍍橋(126)形成在二氧化硅層(114)和肖特基接觸陽極(121)上；肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)通過懸空電鍍橋(126)與肖特基接觸陽極(121)相連；溝道(128)形成在高濃度摻雜砷化鎵層(112)、低濃度摻雜砷化鎵層(113)和二氧化硅層(114)中，溝道(128)中的高濃度摻雜砷化鎵層(112)、低濃度摻雜砷化鎵層(113)和二氧化硅層(114)被除去； 平面天線(11)包括第三歐姆接觸電極(132)、第四歐姆接觸電極(134)、第一天線壓點(diǎn)(131)和第二天線壓點(diǎn)(133);第三歐姆接觸電極(132)形成在高摻雜濃度砷化鎵層(112)上，第一天線壓點(diǎn)(131)形成在第三歐姆接觸電極(132)上；第四歐姆接觸電極(134)形成在高摻雜濃度砷化鎵層(112)上，第二天線壓點(diǎn)(133)形成在第四歐姆接觸電極(134)上；第一天線壓點(diǎn)(131)與肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)連接，第二天線壓點(diǎn)(133)與歐姆接觸陰極壓點(diǎn)(125)連接； 中頻引線13由第五歐姆接觸電極(142)、第六歐姆接觸電極(144)、第一引線壓點(diǎn)(141)和第二引線壓點(diǎn)(143)組成；第五歐姆接觸電極(142)形成在高摻雜濃度砷化鎵層(112)上，第一引線壓點(diǎn)(141)形成在第五歐姆接觸電極(142)上；第六歐姆接觸電極(144)形成在高摻雜濃度砷化鎵層(112)上，第二引線壓點(diǎn)(143)形成在第六歐姆接觸電極(144);第一引線壓點(diǎn)(141)與第一天線壓點(diǎn)(131)連接，第二引線壓點(diǎn)(143)與第二天線壓點(diǎn)(133)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于 肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)(125)、第一天線壓點(diǎn)(131)、第二天線壓點(diǎn)(133)、第一引線壓點(diǎn)(141)以及第二引線壓點(diǎn)(143)的厚度相同，肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)、歐姆接觸陰極壓點(diǎn)(125)、第一天線壓點(diǎn)(131)、第二天線壓點(diǎn)(133)、第一引線壓點(diǎn)(141)以及第二引線壓點(diǎn)(143)的上平面在同一平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于 溝道(128)形狀為反錐形，溝道(128)的下表面與砷化鎵半導(dǎo)體襯底(111)接觸，溝道(128)的上表面與懸空電鍍橋(126)接觸,溝道(128)的側(cè)面從溝道(128)的下表面相對(duì)于砷化鎵半導(dǎo)體襯底(111)成預(yù)定的角度延伸到上表面，溝道(128)的上表面大于溝道(128)的下表面，溝道(128)在二氧化硅層(114)層的部分位于肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)與肖特基接觸陽極(121)之間并且不與肖特基接觸陽極延伸壓點(diǎn)(124)和肖特基接觸陽極(121)接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于所述準(zhǔn)光混頻器中的混頻天線緊貼高阻介質(zhì)透鏡；所述準(zhǔn)光混頻器中的混頻天線襯底材料的介電常數(shù)與高阻介質(zhì)透鏡材料的介電常數(shù)接近；高阻介質(zhì)透鏡采用電阻率為5000 Ω · m的硅材料，高阻介質(zhì)透鏡的形狀為擴(kuò)展半球透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于所述準(zhǔn)光混頻器中的中頻電路包括了扼流電感、帶通濾波器和低噪聲放大器，直流偏置通過扼流電感加載到混頻天線上，中頻信號(hào)由帶通濾波器選頻輸出后，再由低噪聲放大器放大后輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于所述準(zhǔn)光混頻器中的混頻天線與中頻電路通過金絲壓焊或者倒裝焊的方式連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所述的太赫茲準(zhǔn)光混頻器，其特征在于位于混頻天線背瓣方向的背面短路器包括短路面柱和螺旋調(diào)節(jié)桿，短路面柱的截面形狀為圓形，直徑不小于透鏡的直徑，面向混頻天線的一面是金屬面，短路面柱通過螺旋調(diào)節(jié)桿控制短路面柱與混頻天線之間的距離，短路面柱的材料為銅、鋁、聚四氟乙烯之一。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太赫茲準(zhǔn)光混頻器，包括混頻天線、高阻介質(zhì)透鏡、中頻電路以及背面短路器。太赫茲頻段本振信號(hào)由高阻介質(zhì)透鏡耦合到混頻天線上以提供超外差混頻的太赫茲頻段本振信號(hào)，待檢測(cè)信號(hào)也通過高阻介質(zhì)透鏡耦合至混頻天線上；耦合到混頻天線上的待檢測(cè)信號(hào)以及本振信號(hào)通過混頻天線混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)，中頻信號(hào)由中頻電路濾波和放大后輸出；位于混頻天線背瓣方向的背面短路器沿混頻天線法線方向移動(dòng)，改變與混頻天線的距離。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、變頻效率高的特點(diǎn)，可以作為太赫茲探測(cè)器的常溫前端。
文檔編號(hào)H04B1/00GK102946256SQ20121038296
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者胡延安 申請(qǐng)人:胡延安