专利名称：辐射检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使用波长范围在厘米到亚毫米之间的电磁频 谱来检测物体的辐射检测器。
背景技术：
本发明的实施例与电磁频谱的微波到太赫段相关。然而，太赫端对 于在小系统中提供高分辨率的许多应用特别有利，并且下面描述的本发 明的特定实施例工作在太赫段。本文中的"太赫"表示波长范围在毫米 到亚毫米之间的电磁频谱。
采用本机振荡器的装置包括例如超外差的、外差的、零差的或者直
接IF (中频)检测以及用于检测的直接放大的使用，其中放大器被配置 为再生型或者自振荡混频器。本发明的实施例特别适合与超外差以及外 差谐波混频器一起使用，并且甚至更适于与分谐波混频器之类的平衡谐 波混频器一起使用。
(在波长范围在厘米到亚毫米之间的外差检查中，本机振荡器相对 于将要检测的输入信号发生频移，而在零差检测中它具有相同的频率)。
上述的范围在此处通常被称作太赫频谱。业已发现太赫辐射对成像 以及其他的用途来说是非常有用的工具，这是因为不透射可见频谱的材 料对其透射。这允许这些材料在不能利用可见光辐射看见它们的地方， 利用太赫辐射可以将其"看透，，。例如，太赫波长已经被用于穿过大气 对地球表面成像并且用于改进恶劣天气下的可见度(例如用于飞行或者 驾驶)。由于某些材料的透射率或者反射率不同，因此它们在太赫辐射 下可以被区分开，并且这已经用在例如食品或者化学成分的检测中。此 外，包括人体在内的物体本身可发射太赫辐射。这已经用在例如用于检 测皮肤癌的医学中。由于衣服一般对于太赫辐射是透明的，但武器不是 透明的，因此另 一 个应用是检测以不同的方式隐藏在人体周围的武器。
使用太赫(THz)频语来对物体成像的照相机是公知的。例如，以 Agence Spatiale Europeenne的名义的国际专利申请WO2004038854中 描述了一种装置。在该装置中，照相机基于分别拾取太赫辐射的双排喇叭天线，在使用中，太赫辐射被导入到混频器通道中以使用本机振荡器 来提取中频信号。这种已知的外差技术允许在室温下在太赫范围内使用 比别的方式所必须的检测器更小的检测器，并因此支持较好的分辨率。
WO2004038854的检测器采用一对衬底来构造，对于每个检测器，这 对衬底中的至少一个衬底被图案化(pattern),以容纳天线，混频器 通道以及通过衬底到信号输出端的通孔。波导结构被耦合到混频器通道 以从本机振荡器传送信号。在最终的照相机中，这两个衬底以夹层结构 的形式面对面放置，使得容纳检测器结构的图案化结构处于衬底之间并 因此而被保护。
发明内容
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种电磁辐射检测器，包括 i)至少一个衬底；
i i)用于接收将要被检测的射频信号的射频输入； i i i)用于接收本机振荡器信号的本机振荡器输入；
iv) 混频器，该混频器由所述衬底支撑，并且与所述射频输入和本 机振荡器输入耦合，用于通过将所接收的射频信号与本机振荡器信号混 频而产生中频信号；以及
v) 滤波器通道，用于控制在所述检测器中的射频信号的通路
(passage)并且用于提取中频信号，其中所述衬底配备有孔径，该孔 径具有延伸到衬底中的轴线方向，并且至少部分滤波器通道容纳在所述 孔径中。
例如，该衬底可以具有第一和第二相对表面，并且该孔径可从第一 表面朝向第二表面延伸或者可从第一表面延伸通过第二表面。该混频器 以及可选的射频输入和本机振荡器输入各自可以方便地由所述第 一表 面支撑，并且所述至少部分滤波器通道在使用中可传送所述混频器的输 出信号。
在基于混频器的辐射检测器中，众所周知可以提供一种滤波器通 道，该滤波器通道首先可以阻断射频的通路以便控制检测器中所接收的 辐射信号的传输路径，并且其次该滤波器通道可以提取中频信号以提供 例如成像中所用的IF输出。工作在射频的滤波器通道的已知形式被构
7装在衬底的表面上，其中该衬底也支持所述混频器及其射频信号输入路 径，因为这为制造提供了便利。在本发明的实施例中，已认识到可在延 伸进入或者穿过所述村底而不是沿着所述衬底的表面布置的通道中进 行至少某些滤波，并且就与所述衬底相关的检测器的组装密度而言这可 以提供显著优点，因而改善了整个检测或成像能力的分辨率。
在用于在RF和IF频率区域中滤波的滤波器通道的已知布置中，滤
波器通道被构造为例如在石英载体上的图案化金属化(patterned metallisation),所述石英载体又安装在所述衬底表面上。毫无1€问， 作为单个平面构造这是相对容易制造的。然而，已认识到滤波执行多于
一个的任务，例如阻止射频在检测器中的不适当传播以及从混频腔的混 频产物中提取中频(IF)信号以传送给IF输出，并且认识到分开用于 执行这两个任务的物理构造具有明显的好处。用于执行第二个任务的从 混频产物中提取IF信号的物理构造具有相对较低的频率通带，并且物 理尺寸往往相对较大。该物理构造在提供检测器的部件序列中通常位于 朝向监测器的IF输出的位置。在本发明的优选实施例中，滤波器通道
如该通带可为从0. 1GHz到60GHz。
尽管可以提供具有低频通带的滤波器构造作为载体上的金属化，并 且可以将通道中的滤波器构造容纳到所述衬底中，但是本发明特别便利 的实施例将该IF通带滤波器构造提供为大致为圆柱形形状的异形 (profiled)共轴管脚。这种管脚的外形可以与载体上成形金属化相类 似的方式提供滤波动作所必须的物理尺寸。这种管脚可便利地容纳在例 如圆形截面的通孔中，导引到衬底中并通过例如钻孔而构造。此外，以 认识到异形管脚有助于通过使用安装在该通孔中的套圈进行安装，其中 该通孔还用于提供密封IF输出。优选的是，该通孔在沿着其长度的位 置处配备有横截面的台阶状变化，以提供至少一个邻接(abutment)表 面，可以靠着该邻接表面固定所述套圈。
公知形式的滤波器是1/4波长滤波器，其可被提供为相对于被滤波 的电磁辐射的1/4波长间隔的尺寸变化。通过使用1/4波长间隔的直径 变化而将异形管脚构造成1/4波长滤波器是方便的。然后该滤波器可安 装在通孔的大致圆柱形截面中。管脚以及通孔上的导电涂层以及管脚的 绝缘材料可 一起提供共轴滤波器。在本发明实施例中使用的适当的通用形式的构造是衬底上微波传 输带图案化的已知技术。微波传输带是用于传送高频信号的传输线形 式，并且通常包括由绝缘层或者气隙与地平面隔开的薄的平坦电导体。 它们被用做印刷电路设计的形式，该印刷电路设计用于以最小信号损失 来路由高频信号，该损失是由辐射引起的。同样可适用于本发明的实施 例但是制造更复杂的类似技术使用具有两个地平面的带状线并且电导 体被夹在两个相应的绝缘层或者气隙之间。通过选择性的图案化，微波 传输带和带状线还可以用来将电磁波传送到空间并从空间接收电磁波， 并且用来提供射频滤波。在本发明的实施例中，用于接收电磁辐射检测 信号的输入以及用于本机振荡器信号的输入中的一个或两个输入可由 线电路来提供。 " 、、'、、、、乙、，S 、 、 土 、、
根据本发明实施例的第二方面，提供一种电磁辐射检测器，包括
i)用于接收将要被检测的射频信号的射频输入； i i)用于接收射频本机振荡器信号的本机振荡器输入； i i i)连接到该射频输入并连接到该本机振荡器输入的混频器，该混频 器用于通过将所接收的射频信号与所述本机振荡器信号混频而产生 中频信号；以及
i v)用于提取所述中频信号的中频滤波器， 其中提供了用于将所述中频信号从混频器传送到该滤波器的电连接，该 连接的长度被选择为使滤波器表现的电负载与在检测器中传播的射频 辐射失配，使得该滤波器在检测器的使用过程中对射频辐射表现为至少 基本上开路。
本发明第二方面的实施例尤其涉及本机振荡器输入和/或射频输入 被至少部分构造成诸如微波传输带之类的传输线。
优选地，电连接与本机振荡器输入连接，因为这是提供检测器的中 频输出的良好位置。
在检测器的使用中，射频输入以及本机振荡器输入每一个可能包括 至少一个电导体，并且每个所述电导体的长度优选为明显小于中频信号 的波长。这样可以在不考虑对中频信号的任何效果的情况下选择这些导 体的长度。例如，在检测器的使用过程中，每个所述电导体的长度优选 为不超过中频信号波长的1/10。根据本发明实施例的第三方面，提供一种电磁辐射检测器，包括 i)用于接收将要被检测的射频信号的射频输入； i i)用于接收射频本机振荡器信号的本机振荡器输入； i i i)与所述射频输入以及所述本机振荡器输入耦合的混频器，该混频 器用于通过将所接收的射频信号和本机振荡器信号进行混频来产生 中频信号；以及
i v)用于提取所述中频信号的中频滤波器； 其中该混频器通过相应的传输线与所述本机振荡器输入以及所述射频 输入耦合，并且该检测器还包括连接到射频输入的传输线的短线调谐器 (stub tuner),在使用中该短线调谐器以及所述传输线的长度一起将 被选择以最优化所述本机振荡器信号与的混频器的耦合，并且短线调谐
器的长度将被选择为对所接收的射频信号表现出中间有效阻抗 (intermediate virtual impedance)。
在根据本发明的第三方面的实施例中， 一 个短线调谐器可从多个方 面来最优化检测器的性能。例如，在基于分谐波混频器的检测器中，短 线调谐器的长度可被选择为表现成(present)等效于小于所述本机振荡 器信号波长的一半并大于所接收的射频信号波长的一半(但是小于整个 波长)的距离。然后可以选择所述射频输入以及本机振荡器输入的传输 线长度，使得短线调谐器对本机振荡器信号表现为接近虛短路并且对所 接收的射频信号表现为中间有效阻抗。由于其与所述射频输入的传输线 连接的位置，该短线调谐器可起到优化射频输入和本机振荡器输入两者 到所述混频器的耦合的作用。
在根据本发明实施例第三方面的检测器的构造的便利形式中，混频 器由主衬底支撑，该主衬底具有导电表面，并且所述短线调谐器的端部 连接到所述导电表面。射频输入、本机振荡器输入以及混频器可全部安 装在次衬底上，所述次村底又由主衬底所支撑。例如，该次衬底可承载 作为连接到混频器的印刷电路的两个输入。同样在根据本发明实施例第 一方面的检测器中，主村底可配备有通过其中的孔径，并且中频滤波器 安装在该孔径中。
应该理解，关于任何一个实施例而描述的任何特征可单独使用，或 者与描述的其他特征结合使用，并且还可与任何其他实施例的一个或多 个特征结合使用，或者与其他任何实施例的任何组合结合使用。
10
现参考附图，仅作为示例，描述作为本发明实施例的THz的辐射检
测器，其中
图1示出了使用中的检测器的示意图2示意性地示出了连同检测器的本机振荡器馈送和IF输出一起 提供的 一 组检测器的部分结构的平面图3示出了图2示出的该组检测器中的检测器的混频部分的平面
图4示出了图3的混频部分的基于石英的滤波器部件的平面图5a示出了以箭头所示的方向观察的沿通过图3示出的混频部分 的线"A-A"截取的垂直截面图5b示出了以箭头所示方向观察的沿通过图3示出的混频部分的 线"B-B"截取的垂直截面图6, 7和8示出了与图3示出的混频部分一起使用的中频输出管 脚以及密封的变型；
图9示出了与图3示出的混频部分一起使用的从下面观看的偏置 "T，，电路；
图10示出了根据本发明实施例构造的用于接收输入RF辐射并且将 其传送给图3所示的混频部分阵列的双排检测喇叭天线；
图11示出了用在双排才全测喇叭天线中以容纳IF输出的可替换衬底
布置；
图12示出了可在图6, 7和8的输出管脚布置中使用的1/4波长滤 波器构造的低阻抗和高阻抗部分；以及
图13示出了图6, 7和8示出的管脚和密封布置的优选方案的横截面。
应该注意，这些附图没有一个是按比例画出的，这些附图仅仅是示 意性的。相同的附图标记用于表示不同附图中的相同部分。
具体实施例方式
参考图1,检测器通常包括混频器部分100和用于混频器部分100 的IF输出150的放大部分105。该放大部分105还提供^f莫数转换器(ADC )140。通过接收喇叭天线115,从一见场(field of view)输入到混频器 部分100的太赫辐射("RF信号")110被馈送到基于二极管的混频器 120中，并且与参考信号("L0信号")145进行混频，该参考信号由 本机振荡器(L0) 125提供。
混频器120合并了诸如一对肖基特二极管的非线性元件，并且该混 频器将所接收的RF信号110与L0信号145组合以产生包括中频(IF) 信号150的和信号以及差信号。IF信号150相对于所接收的RF辐射110 和LO信号145通常频率较低，其关系是
參IF信号150典型为0. 1-40GHz
參RF辐射信号110典型为200-10000GHz
參LO信号145典型为1 00-1 0000GHz
由于IF信号150是低频率，因此它很容易被放大，并且如果需要 该IF信号可以被整流以产生电压，该电压在强度上与所接收的RF信号 110直接成比例，并且该电压随后可以被用来形成与视场相关的图像。
尽管这里被称为LO信号，但是应该理解，该LO信号145还可以是 射频信号，并且术语"射频"还包括频率在LO信号145的频率范围的 较低端的信号，除非上下文中另外示出。
喇叭天线/混频器阵列
参考图2,喇叭天线115和混频器120实际上可以作为喇叭天线阵 列的一部分被制作在共用的主衬底210上，每个喇叭天线有其自己的混 频器。 一个本机振荡器(未在图2中示出)可沿着分支路径205为几个 混频器120提供LO信号145。在衬底210中，沿远离喇叭天线115的方 向提供来自每个混频器的IF输出的路径205。
图2示出的P车歹iJ的一4殳构造可通以Agence Spatiale Europeenne 的名义申请的国际专利申请WO2004038854中所述的外延法来制造。也 就是说，形成三层结构，中间层也就是共用衬底210的两个面被蚀刻， 并且上层和下层都仅有一面以互补的形式被蚀刻。图2仅示出这种构造 的中间层的平面图，并未示出上层和下层。当使上层和下层与中间层(喇 叭天线115的双阵列)配准时，形成了用于LO信号的混频器120和输 入通道205的位置。虛线"M，，表示具体容纳(housing)检测器的混频 器120及其输入和输出的区域。
实际上，层的数量可增加到所需的任何数量，支持喇叭天线阵列的
12200780024040.8 宽范围设计，只要满足层的表面以必须的互补形式进行蚀刻即可。下面 还参考图10和11来进一步描述。
这三层衬底的任何一层的材料例如可以是诸如硅的半导体或金属， 只要该表面的材料具有高的导电性。例如，可用金或银来金属化硅层。 形成互补图案化的可替换方法是机械加工而不是蚀刻。
信号输入和输出单个混频器120
参考图3,容纳混频器120的区域"M"更详细地包括传送输入RF 信号110的波导300的端部和传送本机振荡器信号145的第二波导345 的端部。延伸在这两个波导端部300、 345之间的有浅通道305,该浅通 道305容纳镀金的石英衬底315。将石英衬底315的金镀层图案化以提 供
參两个天线320、 335,衬底310的任一端各有一个天线，其用于耦 合来自波导端部300、 345的RF信号IIO和LO信号145
參到二极管芯片310的支撑和连接，该二极管芯片用于将天线传送 的相应RF信号110和LO信号145进行混频
參高频滤波器314( "RF滤波器")，以阻断输入RF信号IIO进
一步传播。
天线320、 335以及高频滤波器314的这些形式是公知的，因此这 里并没有详细描述。每个都可以采用其他的7>知形式。
与混频器120相关的滤波器通道包括上述的高频滤波器314以及IF 输出滤波器350。来自二极管芯片310的IF输出信号150由一对接线器 325从传送LO信号145的微波传输带天线335的端部拾取(pick of f ), 并且该IF输出信号被传送给IF输出滤波器350。 IF输出滤波器350的 形式是异形管脚，安装该IF输出滤波器使得其纵轴通过通孔340延伸 进入共用村底210中。因此，输出滤波器350的纵轴既横向于 (transverse to)承载天线320、 335和二极管芯片310的石英衬底315 的平面，又横向于支撑石英衬底315的共用衬底210的表面。IF输出滤 波器35Q的该定向允许混频器120在共用衬底21Q上相对紧密的堆积 (packing),并且因此潜在地提高了所得图像的分辨率。
应该注意，尽管二极管芯片310未直接安装在共用的主衬底210上， 但是主衬底210通过插入的(次)石英衬底315来支撑二极管芯片310。
在共用的主衬底210本身不是金属材料的情况下，共用衬底210以
13及两个波导300和345在图3所示的表面上被金属化并接地(earthed )。 金属化包括至少一微米厚的电镀金或者其他具有类似的抗腐蚀材料性 质的高导电材料。IF输出通孔340的表面同样被金属化。下面将关于用 在本发明实施例中的短线调谐器并关于IF输出滤波器350的性能进一 步描述金属化。
参考图4,镀金的次石英衬底315的厚度约为75微米。其宽度"W" 约为350微米，长度"L"约为2. 5毫米。采用真空沉积以及照相平版 印刷技术的公知方式来涂覆金涂层，以形成用于从RF波导300拾取输 入RF信号110的RF天线320、用于从LO波导345拾取LO信号145的 LO天线335以及用于阻断输入RF信号IIO到达LO天线335的RF滤波 器314。
此外参考图3, 二极管芯片310首先被安装在镀金石英衬底315上 的RF天线320以及RF滤波器400之间。RF天线在其端部配备有横向的 "T条，，405,部分用于此目的。采用标准焊接技术安装二极管芯片310, 以便与RF天线320以及RF滤波器400电连接。然后通过使用诸如 Norland 61 (Norland Products Inc.的注册商标)的紫外线(UV)固 化环氧材料将包括二极管芯片310以及镀金石英衬底315的组件安装在 共用衬底210的浅通道305中。
参考图5a所示的横截面，可以看出，二极管芯片310将RF天线320 的端部和RF滤波器400之间的间隙进行桥接，在这两者之间提供了电 路径。因此输入的RF信号110以及LO信号145都传送到二极管芯片310 上的二极管(未示出)。使用中的二极管芯片310可以将输入的RF信 号110以及LO信号145进4亍混频，以形成用于4全测的IF信号150。这 种类型的二极管芯片是公知的，例如在共同未决的英国专利申请 GB0603193. 4中进行了讨论，该专利申请公开了 一种反并联配置的包括 一对肖基特二极管的非线性混频元件的使用。在本发明的实施例中使用 的合适的二极管在下面的公开文件中进行了描述1984年9月13日发 表的Electronics Letters第20巻第19期第787页的"Glass Reinforced GaAs Beam Lead Schottky Diode with Airbridge for Millimetre Wavelengths"。
IF滤波器
参考图3和5b,共用衬底210具有穿过其形成的通孔340，该通孔340中容纳IF输出滤波器管脚350。 IF输出管脚350由玻璃支撑珠 (bead) 330支撑在适当的位置。管脚350本身由铍铜合金加工并镀金， 然后由载银环氧树脂525附接到该玻璃珠330的中心导体510上。在连 接器和微电路之间的适合于提供用于外壳壁的密封馈通的玻璃珠由诸 如Anritsu公司的制造商来提供。珠330反过来具有与中心导体510处 于共轴配置的外导体515,并使用基于铟的焊接材料520固定到通孔 340。外导体515通过通孔340内的金属化接地。
管脚350以及具有其中心导体510的玻璃支撑珠330至少具有三个 功能
參根据公知原理形成管脚350的横截面的轮廓，以仅通过来自二极 管芯片310的IF输出信号150,阻断LO信号145和RF信号110
參珠330的中心导体510以及管脚350的镀金可用于传送偏置电流 或电压给二极管芯片310
參玻璃珠330在IF输出的周围提供密封，从而保护了最终产品中 容纳混频器120的区域"M"的环境。
参考图6、 7和8,管脚350和支撑珠330可以多于一种的方式布置。 图6示出了参考图5b的上述布置的横截面。图7示出了玻璃珠"0没 有自己的外导体但却使用UV固化环氧树脂材料700安装在金属化的通 孔340中的布置。这种布置避免使用焊接并且因而简化了制造。图8示 出了略微不同的布置，在该布置中首先再次使用载银环氧树脂525将管 脚350附接到中心导体510上，然后通过使用UV固化环氧树脂材料805 将这两者都安装在石英套圏(quartz ferrule) 800中。石英套圏800 也通过使用UV固化环氧树脂材料810而安装在通孔340中。
参考图12,形成管脚350的横截面的轮廓的基本原理在例如由G Matthaei, L Young和EMT Jones撰写的SBN 0-89006-099-1 "Microwave Filters, Impedance Matching Networks and Coupling Structures" 以及由McGraw Book />司，纽约&伦敦，1947年出版的"Very High Frequency Techniques"第II巻第668页中有所描述。总的来说，这 种类型的共轴滤波器已经被使用了许多年并且它们的设计已被公知并 且在给出的参考文献中有所解释。它们的基本操作基于高或低阻抗的交 替部分取决于与具有导电内表面的共轴通道1215相比的具有导电外表 面的大致为圆柱形的中心结构1210的直径。在图6, 7和8所示的布置中，中心结构1210由管脚350表示，通道由其中安装有管脚350的通 孔340表示。中心结构1210和共轴通道1215 —起提供其中高阻抗部分 1220和低阻抗部分1225串联级联的"1/4波长滤波器，，。每个部分1220 和1225的长度约为入/4,其中入是共轴线中电磁波的波长。因此，这 里使用术语"l/4波长滤波器"。在图12中，中心结构1210的具有小 直径部分的高阻抗部分1220被示出与中心结构1210的具有较大直径部 分的低阻抗部分1225级联。在高阻抗部分1220中，中心结构1210的 直径120(M皮最小化。在^^阻抗部分1225中，中心结构1210和通道1215 之间的空隙1205被最小化。为了实现较大的抑制，或者增加级联部分 1220、 1225的数量，这样的缺点是增加了插入损耗，或者减小中心结构 1210的直径1200和/或所述空隙1205，这样的缺点是使得构造更加困 难。
在例如图6、 7和8所示的本发明的实施例中，整个管脚350的长 度相对于IF信号是两个入/4距离，并且每个入/4部分内的管脚35 0的 轮廓成台阶状，而不是平滑的，使得管脚350在其周围具有两个"肋" 710和715，这两个肋的一个大于另一个。在图13中该构造被更清楚显 示。该构造的目的是最小化在具有较小肋710的第一 入/4部分中产生的 不期望的模式，同时通过大体上增加与管脚350的第二入/M部分相关的 尺寸尽可能地减小制造的机械要求。
参考图7和13,为了减小可能通过共轴滤波器管脚结构传播的不期 望模式的出现，重要的是高频本机振荡器 一 侧的滤波器的入口有小的尺 寸，典型地是该入口的直径小于关于本机振荡器波长的人/4("入/4")。 ("滤波器的入口"是附接到接线器325的管脚350的第一部分。)然 而，如果这个区域中管脚350的直径减小到关于本机振荡器波长的入/4， 从抑制角度来看这样会带来物理上鲁棒结构的要求和滤波器的最佳操 作之间的沖突。本机振荡器的波长远小于IF信号150的波长，因此管 脚350在滤波器入口处的直径不得不非常小。为了减轻这个问题，管脚 350在其第一入/4部分的轮廓具有"肋"710，同时通孔340的内径在 该部分变窄以提供非常靠近肋710的颈部705 。通孔340的颈部705和 管脚350上的肋710之间的空隙减小到最小可行，这提供了滤波器入口 处所要求的小尺寸，同时保持管脚350的直径处于比本机振荡器波长的 入/4更容易制造的尺寸。与图6和图8所示的构造相比，在通孔340中引入颈部705的这种构造使加工需求更复杂了，但是提供了与结构刚度结合的最佳滤波器响应。
管脚350具有带有较大的第二肋715的第二入/4部分。这里，尺寸总的来说不是关键的，并且通孔340和第二肋715之间的空隙较大，同时第二肋715本身可大于管脚350上的第一肋710。可以在本机振荡器信号到达该第二入/4部分之前实现对本机振荡器信号的高达1 0dB丄的抑制，这样在第二入/4部分中将没有模式产生。采用通常增加的通孔340和管脚350第二入/4部分的尺寸减小了制造难度并且保持了机械强度。
参考图13，在图7所示的布置的变型中，管脚350不变，但是340的横截面更复杂。包括通孔340的颈部705的滤波器的入口和该滤波器的第一入/4部分，与图7所示的方案相同。在该滤波器的第二入/4部分的通孔340的内表面更复杂。在图7所示的方案中具有通孔340,该通孔34(H又是从颈部705到衬底210的另一表面的圆柱形孔，而在图13所示的方案中，通孔340的内表面具有直径仍然小于玻璃支撑珠330的台阶状轮廓。在玻璃支撑珠330,在通孔340的内表面上存在另外的台阶，这个台阶为玻璃支撑珠330的凸缘(shoulder)提供了邻接表面1 300。这种布置有助于组装该滤波器，这是因为管脚350可以首先安装在玻璃珠330的中心导体510上，然后在通孔340中靠着邻接表面1300定位珠330。
这里应该注意的是，玻璃珠330的中心导体510的端部可以略微伸出到管脚350中，这样还可能更精确地将通孔340中的管脚350对准，并且管脚350的安装机械性更加稳定。
参考图3,包括管脚350和通孔340的IF滤波器的性能中的一个要素是IF信号到管脚350的传送。这可以通过一对导线325来完成，这些导线325的性质将在下面的标题为"短线调谐器"的部分中进一步描述。
已滤波的IF输出
参考图5b和9,由中心导体510运送的混频器的IF输出通过金接合线(gold bond wire ) 500和偏置传送电3各(bias del i very circuit )500传送，例如用于在成像中使用。该偏置传送电路500对于IF输出信号150是透明的，因此该IF输出信号150通过它被传送到放大和成像
17设备。偏置传送电路500的强度是它可用于沿"另一个方向"传送直流
("DC")偏置电压或电流给二极管芯片310。
更详细地，该偏置传送电路500包括用于承载一黄^,电^各500的IF信号150的输电线连接900的氧化铝衬底505。总的来说，偏置传送电路500的作用是公知的类型，这里不进行详细描迷。在输电线900中提供DC阻塞电容器905,该电容器905阻断DC偏置信号，而对IF输出信号150是透明的。偏置电感器910以"T"型配置连接到输电线900,用于传送DC偏置信号并阻断IF信号1—5Q。 DC偏置信号通过金接合线500传输到玻璃珠330的中心导体510,以便向前传输给二极管芯片310。
偏置传送电路500根据工业标准组装程序制造。电容器905可以例如由诸如Presidio Components 乂>司之类的公司#是供，电感器910由诸如Piconics公司之类的公司提供。
短线调谐
如在大多数检测中 一样，本发明实施例的重要方面是所检测的信号的信噪比。已知通过采用短线调谐器来改进诸如输入到负载的显著点的功率耦合来改进工作在射频的设备的性能。短线调谐器可提供成输电线的短路或开路长度(shorted or open circuit lengths of transmissionline),其在它们的附接点产生纯电抗。通过将短线调谐器的长度从零到半波长的改变可以形成任何的电抗值，但是每个短线调谐器只能以一个频率有效工作。还知道，为了拓宽设备有效工作的频谱可以采用一个以上的短线调谐器。
更详细地，参考图3和5b,将微波功率耦合到诸如二极管芯片310的二极管之类的负载要求在负载和微波功率传送部件之间的相应复阻抗匹配。在上述实施例中，存在为包括二极管芯片310的电路传送微波功率的两个功率传送部件，这些部件是分别传送RF信号110和L0信号145的波导300和345。
实现诸如二极管芯片310的容性电抗阻抗(reactive impedance)和诸如RF和LO波导300、 345的实阻抗之间的阻抗匹配的^^知方法是将额外的输电线元件插入到电路中，以"调谐，，电路行为，从而提供正确的相移(right shift in phase)，以补偿二极管的电抗。然而，由于二极管芯片310中的二极管的阻抗具有相位和幅值分量，因此匹配输电元件的位置和尺寸都影响结果。在本发明的实施例中，RF和L0信号110、 145到二极管芯片310本身的传送通过微波传输带天线320、 335来完成。天线320、 335、石英衬底315上的所有图案化的金涂层以及二极管芯片310 —起构成混频器电路。在用于处理高频信号的微波传输带电路的情况中，多短线调谐器是已知的，其以插入到电路中的一个或多个输电线或"短线，，的形式来实现位置和插入调节。可以使用多个输电线短线调谐器来增加混频器电路"匹配"的带宽。
在本发明的实施例中，认识到短线调谐器能以导线355、 325的形式来提供，并且它们能够执行多个任务。提供附接到RF信号微波传输带天线320端部的两个金接合线355,并且另外两个金接合线325被用于拾取LO信号微波传输带天线335的端部的IF信号以便传送到输出管脚350。第一对金接合线355仅用于短线调谐，而第二对导线325具有多个角色，这是因为它们的作用如下
參有助于相对于LO信号解调(tune out) IF电3各的效果
參形成从石英衬底315上的电路到IF管脚350的鲁棒的机械接口
*将IF输出信号150传送到管脚350。("IF电路，，将在下面进一步描述。)
在将要被耦合的辐射的波长范围内，目前的任何调谐短线的设计对于最优地匹配进入混频器二极管中的所有入射功率是非常重要的。 一个因素是与波长范围相关的短线长度，这意味着单个短线调谐器将仅在非常窄的带宽上很好地工作。因此众所周知的是使用多于一个的短线调谐器来增加工作带宽。在本发明的实施例中，发现通过选择适当的尺寸，使用已经存在于检测器中的在调谐中扮演次要角色的元件来改进检测器的整个性能是可能的并且是适当的。
本发明实施例中存在的调谐短线的确切长度受二极管芯片310中使用的肖基特二极管的类型的影响，因为这影响了二极管芯片310所呈现出的负载。它们受到影响的准确方式是复杂的并且难于计算，因此对于任何一个实施例来说最好凭经验来选择调谐短线的长度。通过最大化信号功率传送并且最小化所产生的噪声来发现最佳布置。可接受的精确平衡也可以变化，这取决于系统中其他部件的特性，如滤波以及可用的信号功率水平。
参考图3,存在两个耦合点，在该耦合点处射频功率耦合到负载中，并且这在二极管芯片310的传送RF信号IIO和LO信号145进行混频的任一端处。这些信号的频率分别是120-130GHz和220-280GHz。为了将来自每个天线320、 335的所有功率耦合到二极管芯片310中，重要的是相应信号离开二极管芯片310去向相对的天线的潜在向前路径表现出开路。这可以采用下面描述的方式非常满意地实现。
这里应该注意的是，当调谐器的长度相对于其正处理的信号增加一个波长"人"时，短线调谐器的调谐行为重复。因此，如果发现实现特定效果的调谐器的适当长度是1/4入，那么对于l 1/4入的长度可实现相似的行为。(然而，如果输电线是耗散的，那么由于输电线的额外长度的欧姆电阻以及带宽限制，损耗会增加。)这意味着一个短线调谐器可用于具有与许多不同波带中的信号相关的不同作用，而不必正好是具有分谐波关系的波带，这是因为可以调节长度以在每种情况下呈现出波长的合适部分，而不管该长度还包括与一个或两个波带相关的整数个波长。
在图3的布置中，信号的整体优选通路是
1. LO信号145从L0波导345传送到二极管芯片310并且不再进一步传送("L0电路")
2. RF信号IIO从RF波导300传送到二极管芯片310并且不再进一步传送("RF电路，，)
3. 混频的LO/RF信号从二极管芯片310传送到IF输出管脚350("IF电路，，)
同样也希望凭经验采用短线调谐来调谐电路的性能。这些所希望的信号路径以及调谐按照如下的方式实现1、 L0电路
通过超声地将两个接合线335的自由端接合到混频器衬底210的金属化表面而使所述自由端接地。每个接合线与衬底21G结合的点形成射频上的物理短^各，该短^各有效地在该物理点上将L0和RF电^各的行为锁定为短路。然后所有其他长度都相对于该位置。就相位和幅值而言是这样的。由于是物理短路而不是虛短^^,因此该短^^为RF和LO频率所共有。
对于该实施例，接合线355的长度"S"是1 039微米，近似为LO频率下的3/8人，因此不能在二极管上提供理想的虛短路。如果它们的长度为l/2入，则可以在二极管芯片310上获得理想的短路。这种情形
可以将大多数LO信号145耦合到二极管，但是在RF信号IIO处为入可以使所有的输入RF信号IIO短接到地。接合线335的长度"S，，以及RF波导300和接合线335之间的微波传输带的长度"X"实际上一起影响LO信号145与二极管芯片310的耦合。将长度"S"设定为中间长度，可以改变长度"X"以提供LO频率处的最优耦合。然而改变长度"X"对RF信号IIO影响最小。
2、 RF电路
同时，两个接合线355的长度"S"在RF频率处约为3/4入，该接合线对二极管芯片310表现出中间有效阻抗(也就是说，RF频率处开路和短路之间的某些状态)。现在可以改变二极管芯片310和RF滤波器314之间的微波传输带部分的长度"Y",以在RF频率提供到二极管芯片310的最优耦合。改变长度"Y"对LO信号145的影响最小。
3、 IF电路
期望IF信号输出对LO电路是不可见的。到滤波器管脚350的连接由第二对金接合线325来提供，该第二对金接合线325的远端被连接到镀金的滤波器管脚350。上述与RF电路中的接合线355相关的相同原理可以应用。这种情况下，当第二对金接合线325附接到阻断RF信号110的高频滤波器314之外时仅考虑LO频率。然后选择到滤波器管脚350的导线325的长度(图3所示的"T"),使得当与IF滤波器管脚组件组合时，IF输出的整体效果相对于到二极管芯片310的LO耦合被最小化。通过选择解调或者失调由IF输出在LO频率处所呈现的负载的长度，可以基本上使导线325对LO信号145不可见。实际上，考虑与接合线325和管脚350之间的互连相关的寄生电抗以及管脚350的第一部分的长度来凭经验选择长度"T"，以为滤波器的LO信号145尽可能提供射频开路。如果这些因素组合起来表现出LO频率处的入/4或者X/2长度，那么将存在同相反射(in phase reflection)以及期望的开^各。在上述实施例中，合适的长度"T"是570微米。
因为IF频率远小于RF信号IIO或者LO信号145,与短线调谐器接合线355的尺寸相比IF信号150的波长是长的。因此，导线325的长度对IF电路的影响非常小，并且可以只为它们对LO电路的影响而进行最优化。在这方面使长度"T"实际上尽可能地短，使得对IF信号路径
21的影响最小。短线调谐器接合线355和L0波导345之间的微波传输带的长度"Z"因为相同的原因也被最小化。为了使得任一个对IF电路的影响最小，优选的是使"T"和"Z"低于IF波长的十分之一。因此如果IF频率是20GHz，那么IF波长是15毫米，因此如果可能的话，"T"和"Z"应该不超过1. 5毫米。
关于短线调谐的已知原理的信,l例如可在以下文献中获得由Wiley-IEEE Press在2004年1月出版的Joseph F. White编写的"HighFrequency Techniques: An Introduction to RF and MicrowaveEngineer ing，'
尽管为了实现最大带宽的混频器设计，要求将给二极管芯片310传送功率的短线调谐器定位在尽可能接近二极管芯片的位置，但实际上可以进行许多变化。发现沿着长度被标记为图3中的"X"或"Y"的微波传输带的其他位置添加一个或多个短线调谐器，从而为RF信号110或者L0信号145提供某种附加的微调是有益的，但另一方面，这可能在LO调谐电路和RF调谐电路之间引入更多的干扰。应理解，尽管在石英衬底315上示出的电路的各个部件(特别是那些具有标注为"X" , "Y"和"Z"的距离的部件)在同一条直线上，但这不是必需的。短线调谐器正交也不是必需的。
如上所述实施的设计有效地提供了彼此隔离的两个电路，即RF和L0电路。这允许调节每个电路，以在LO频率或者RF频率上提供最优的性能，同时对另一个的扰乱最小。允许这样做的关键是在RF信号110到二极管芯片310的耦合处使用附加的一对接合线355。
也可以在每个LO和IF电路中仅使用一个接合线355、 325,但是在每种情况下两个接合线355、 325使得可能通过改变长度以致于它们略微不同且提供冗余来凭经验微调电路。
参考图2、 lO和ll,上面提到通过堆积(build up)多个衬底层210可以构造喇叭天线115的阵列。这在原理上是可行的，只要可以沿着远离喇叭天线115并正交于滤波器管脚350和其通孔340的方向向后从该阵列中取出IF输出215。实际上，如图2所示，这与将LO信号145传送到下一层的混频器120的分支路径205相沖突。图11示出了这种冲突的解决方案，其中共用衬底210实际为两个子层，这两个子层一起提供接口 1000,同时也提供了可以容纳IF输出215的接口 1100,其中
22承载二极管芯片310的石英衬底315可容纳在该接口 1 000中。
本发明的实施例在优化基于工作在二次谐波的分谐波混频器的检 测器的性能方面特别有用，但也可以用在更高次谐波的操作中。
权利要求
1、一种电磁辐射检测器，包括i)至少一个衬底；ii)用于接收将要被检测的射频信号的射频输入；iii)用于接收本机振荡器信号的本机振荡器输入；iv)由所述衬底支撑的并耦合到所述射频输入和本机振荡器输入的混频器，用于通过将所接收的射频信号和所述本机振荡器信号混频而产生中频信号；和v)滤波器通道，用于控制射频信号在所述检测器中的通路并且提取所述中频信号，其中该衬底配备有孔径，所述孔径具有延伸到所述衬底中的轴线方向，并且至少部分滤波器通道容纳在所述孔径中。
2、 根据权利要求1所述的检测器，其中所述衬底具有第一和第二 相对表面，并且所述孔径的轴线方向从所述第一表面延伸到所述第二表 面。
3、 根据权利要求2所述的检测器，其中所述混频器由所述衬底的 所述第一相对表面支撑。
4、 根据前述任意一项权利要求所述的检测器，其中所述孔径容纳 用于从所述检测器提取所述中频信号的滤波器通道的中频提取部分。
5、 根据权利要求4所述的检测器，其中所述中频提取部分包括共 轴滤波器，选择所述共轴滤波器的物理尺寸以提供所述中频信号的提 取。
6、 根据权利要求5所述的检测器，其中所述共轴滤波器包括1/4 波长滤波器。
7、 根据权利要求5或6中的任意一项权利要求所述的检测器，其 中所述共轴滤波器包括所述孔径的大致为圆柱形部分以及具有大致圆 柱形横截面的管脚，该管脚被共轴地安装在所述圆柱形部分中。
8、 根据权利要求7所述的检测器，其中所述孔径的圆柱形部分具 有导电材料表面，并且所述管脚包括电绝缘材料，所述电绝缘材料具有 在其圆柱形表面或多个圆柱形表面上的导电涂层，这些一起提供所述共轴滤波器。
9、 根据权利要求6、 7或8中的任意一项权利要求所述的检测器，其中所述共轴滤波器包括具有大致圆柱形横截面的管脚，所述管脚具有各自直径不同的至少两个部分以提供所述1/4波长滤波器。
10、 根据前述任意一项权利要求所述的检测器，还包括将所述孔径 中的所述至少部分滤波器通道封住的密封。
11、 根据权利要求7、 8或9中的任意一项权利要求所述的检测器， 其中所述管脚借助于环形构件安装在所述圆柱形部分中以为所述孔径 提供密封。
12、 根据权利要求11所述的检测器，其中所述孔径的所述圆柱形 部分在横截面上具有台阶状变化，以提供至少一个邻接表面，靠着该邻 接表面固定所述环形构件。
13、 一种电磁辐射检测器，包括i) 用于接收将要被检测的射频信号的射频输入；ii) 用于接收射频本机振荡器信号的本机振荡器输入；iii )连接到所述射频输入并连接到所述本机振荡器输入的混频器， 该混频器用于通过将所接收的射频信号与本机振荡器信号混频而产生 中频信号；以及iv)中频滤波器，用于提取该中频信号， 其中提供了用于将所述中频信号从所述混频器传送到所述滤波器 的电连接，选择该连接的长度以使由所述滤波器呈现出的电负载与在所 述检测器中传播的射频辐射失配，使得在所述检测器的使用中所述滤波 器对射频辐射表现为至少基本开路。
14、 根据权利要求13所述的检测器，其中所述电连接被连接到本 机振荡器输入。
15、 根据权利要求13或14中的任意一项权利要求所述的检测器， 其中所述射频输入和本机振荡器输入的每一个包括至少一个电导体，并 且在所述检测器的使用中，每个所述电导体的长度明显小于所述中频信 号的波长。
16、 根据权利要求15所述的检测器，其中在所述检测器的使用中，每个所述电导体的长度不超过所述中频信号的波长的十分之一。
17、 根据权利要求15或16中的任意一个权利要求所述的检测器，其中每个所述电导体包括输电线。
18、 根据权利要求13到17中的任意一个权利要求所述的检测器，其中用于将所述中频信号从所述混频器传送到所述滤波器的电连接包括至少一个导线。
19、 一种电；兹辐射;f全测器，包括i)用于接收将要被检测的射频信号的射频输入；H)用于接收射频本机振荡器信号的本机振荡器输入；iii) 耦合到所述射频输入以及所述本机振荡器输入的混频器，该混频器用于通过将所接收的射频信号与所述本机振荡器信号进行混频而产生中频信号；以及iv) 中频滤波器，用于提取所述中频信号；其中该混频器通过相应的输电线耦合到所述本机振荡器输入和所述射频输入，并且该检测器还包括连接到所述射频输入的输电线的短线调谐器，在使用中，所述输电线和所述短线调谐器的长度一起被选择以优化所述本机振荡器信号到所述混频器的耦合，并且所述短线调谐器的长度被选择为对所接收的射频信号呈现出中间有效阻抗。
20、 根据权利要求19所述的检测器，其中在所述检测器的使用中，短线调谐器的长度表现为等效于小于所述本机振荡器信号的半波长的距离。
21、 根据权利要求20所述的检测器，其中在所述检测器的使用中，短线调谐器的长度等于小于所述本机振荡器信号的半波长的长度。
22、 根据权利要求19到21中的任意一项权利要求所述的检测器，其中所述本机振荡器输入包括射频滤波器，用于限制所接收的射频信号在所述检测器中的传播。
23、 根据权利要求22所述的检测器，其中所述本机振荡器输入包括将射频滤波器连接到混频器的输电线，并且在使用中，和短线调谐器的长度一起选择所述输电线的长度，以优化所接收的射频信号到所述混频器的耦合。
24、 根据权利要求19到23中的任意一项权利要求所述的检测器，其中，在所述检测器的使用中，短线调谐器的长度表现为等效于大于所接收的射频信号的半波长但小于所接收的射频信号的整个波长的距离。
25、 根据权利要求19到24中的任意一项权利要求所述的检测器，其中，在所述检测器的使用中，短线调谐器的长度等于大于所接收的射频信号的半波长但小于所接收的射频信号的整个波长的长度。
26、 根据权利要求19到25中的任意一项权利要求所述的检测器，其中混频器由衬底支撑，该衬底具有导电表面，并且短线调谐器的端部连接到所述导电表面。
27、 根据权利要求26的检测器，其中所述射频输入、本机振荡器输入以及混频器全部安装在共用衬底上，所述共用衬底又由具有导电表面的该衬底支撑。
28、 根据权利要求26或27中的任意一项权利要求所述的检测器，其中，具有导电表面的所述衬底配备有通过其中的孔径，并且所述中频滤波器被安装在所述孔径中。
29、 根据权利要求19到28中的任意一项权利要求所述的检测器，其中所述短线调谐器包括至少一个导线。
30、 根据权利要求19到29中的任意一项权利要求所述的检测器，其中所述短线调谐器包括具有不同长度的至少两个导电元件。
31、 根据上述任意一项权利要求所述的检测器，其中所述混频器包括分谐波混频器。
32、 根据上述任意一项权利要求所述的检测器，其中所述混频器包括一对平衡二极管。
33、 一种太赫辐射照相机，包括根据上述任一权利要求所述的检测器。
全文摘要
在如太赫照相机之类的太赫辐射检测系统中，喇叭天线阵列将检测的辐射馈送给基于二极管的混频器，该混频器用于将检测的辐射与本机振荡器进行混频，以产生在成像中能放大并使用的调制中频(“IF”)信号。混频器容纳在衬底表面上，并且多个衬底可以层叠起来以支撑喇叭天线的二维阵列。为了改进组装密度因此可能改进照相机的分辨率，用于提取调制IF信号的IF滤波器被容纳在通过该衬底的通孔中。此外，提供与微波传输带的信号传送部分共同工作的短线调谐器，以改进所检测的辐射和本机振荡器信号到混频器的耦合。尽管短线调谐器对于每个混频器中的所检测的辐射和本机振荡器信号来说是共用的，但是微波传输带的加入意味着对于所检测的辐射和本机振荡器信号来说可以独立地优化调谐。
文档编号H03D9/06GK101479931SQ200780024040
公开日2009年7月8日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者C·M·曼, D·J·库姆布斯 申请人:思拉视象有限公司