高频外差混频器的制作方法

文档序号:30003423发布日期:2022-05-11 15:00阅读:170来源:国知局
高频外差混频器的制作方法

1.本公开涉及高频电子设备和检测系统,并且具体地涉及外差混频器和其制作方法。


背景技术:

2.混频器是一种可以用于生成频率与所接收到的信号的频率不同的输出信号的电子设备。例如,在两个输入信号被施加到混频器的情况下,所述混频器可以生成频率为所述输入信号的和及差或其谐波的输出信号。以这种方式,混频器可以用于将检测到的信号下变频到更低的频率,例如,以简化后续处理。
3.在wo 2007/125326中示出了一种接收传入的射频(rf)信号、接收本地振荡器(lo)信号、并且从二极管芯片产生中频(if)信号的混频器。这种设计使用分开的rf、lo和if电路通路以及基于导线的短截线调谐器来优化转换效率并且进行功率匹配。
4.然而,仍然需要一种在整个宽频率范围内(例如,在非常高的频率下)有效、并且与针对小型部件(诸如当电路元件随着给定系统的信号波长减小而按比例缩放时所需要的小型部件)所使用的制作和组装技术兼容的混频器设计。


技术实现要素:

5.根据实施方案,公开了一种混频器装置,诸如外差混频器。所述混频器可以包括:第一输入,诸如本地振荡器(lo)输入;第二输入,诸如射频(rf)输入;输出,诸如中频(if)信号输出;悬挂式信号传输元件,包括多个抑制槽和滤波器元件;以及二极管电路,被安装在所述悬挂式信号传输元件上。所述悬挂式信号传输元件可以是例如波导。在某些方面中,所述悬挂式信号传输元件是波导,所述波导包括:基板,具有第一表面和第二表面;以及传输线路,位于所述第一表面上,其中所述基板是石英基板并且所述传输线路是图案化金属微带线(也称为带状线)传输线路。进一步地,所述第一输入(例如,lo)可以位于所述第二输入(rf)与所述输出(例如,if)之间,并且所述传输元件可以被配置成将在所述二极管电路中生成的if信号沿着所述传输元件的纵向轴线从所述二极管电路传输到所述输出。
6.根据实施方案,一种外差混频器装置具有波导部件,其中所述波导部件包括滤波构件、传输构件和抑制构件。一个或多个半导体器件可以被安装在所述波导部件的表面上。
7.根据实施方案,提供一种具有一个或多个开槽滤波器元件的混频器。在某些方面中,与自由空间波长相比较,所述滤波器中的槽相对较小。例如,所述槽可以小于λ/10。
8.根据实施方案,提供一种具有在第一端处的rf信号输入、在第二端处的if信号输出和在两个端之间(例如,在中间)的lo信号输入的混频器。在某些方面中,波导传输元件从所述第一端行进到所述第二端。所述传输元件可以是悬挂式的,并且还可以具有多个抑制槽和滤波器元件。进一步地,二极管电路可以被安装在所述混频器的所述第一端处并且接近所述rf信号输入。在一些实施方案中,在所述二极管电路中产生的if信号沿着所述传输元件传播到在所述混频器的另一端处的所述if信号输出。所述混频器可以被布置在检测器
块中,所述检测器块具有沿着第一轴线的rf和lo输入通道、以及沿着垂直于所述第一轴线的第二轴线的if输出。
9.根据一些实施方案,提供了一种检测器,诸如太赫兹相机。所述检测器可以包括例如:本文中描述的混频器中的一个或多个;一个或多个号角形馈电器,耦合到所述混频器中的至少一个的输入(例如,提供rf信号);本地振荡器,耦合到所述混频器中的至少一个的另一输入;同轴线路(或其他传输元件),耦合到所述混频器中的至少一个的输出(例如,if);以及低噪声放大器(lna)、功率检测器和模拟转数字转换器(adc)电路元件中的一个或多个,连接到所述同轴线路并且被配置成处理所述输出if信号。所述检测器可以进一步包括附加的滤波和图像处理,例如,以生成从其接收输入辐射的物体或场景的图像。在某些方面中,所述一个或多个混频器包括在250ghz处进行优化的多个混频器和在375ghz处进行优化的多个混频器。所述混频器的组可以进一步包括在125ghz处进行优化的多个混频器。
10.根据一些实施方案,提供了一种操作混频器的方法。所述方法可以包括例如以下步骤:在具有悬挂式传输线路元件、多个抑制元件和二极管电路的混频器装置的第一输入处接收rf信号;向所述混频器提供本地振荡器信号;以及输出由所述二极管电路生成的if信号,其中输出所述if信号包括将所述信号沿着所述混频器的纵向方向传播穿过多个滤波器。
11.根据一些实施方案,提供了一种制作混频器装置(诸如本文中描述的混频器中的一个或多个)的方法。所述方法可以以机械加工步骤开始,包括:(1)对包括第一射频通道部分、第一本地振荡器部分、第一中频通道部分、第一空腔部分、第一安装架部分和第二安装架部分的第一壳体部件进行机械加工;以及(2)对包括第二射频通道部分、第二本地振荡器部分、第二中频通道部分、第二空腔部分、第三安装架部分和第四安装架部分的第二壳体部件进行机械加工。信号传输元件(例如,波导)可以,通过将所述波导元件安装在所述第一安装架部分和所述第二安装架部分和/或所述第三安装架部分和所述第四安装架部分上,而被悬挂在所述第一空腔部分和/或所述第二空腔部分中。另外地,可以将所述第一壳体部件附接到所述第二壳体部件以形成块。例如,所述块可以是检测器(诸如太赫兹相机)的接收阵列块。
12.根据实施方案,提供了一种检测器块,其包括壳体和被安装在所述壳体中的一个或多个混频器。所述壳体可以包括:一个或多个号角形馈电器,耦合到所述混频器中的至少一个的rf输入;一个或多个本地振荡器通道,耦合到所述混频器中的至少一个的lo输入;以及一个或多个输出通道,耦合到所述混频器中的至少一个的if输出。所述混频器中的一个或多个可以包括被安装在所述壳体的第一安装结构和第二安装结构上的悬挂式信号传输元件。在一些实施方案中,所述一个或多个号角形馈电器和所述一个或多个本地振荡器通道沿着所述壳体的第一轴线延伸,所述一个或多个输出通道沿着所述壳体的第二轴线延伸,并且所述第一轴线和所述第二轴线是垂直的。另外地,所述悬挂式信号传输元件可以包括:基板,具有第一表面和第二表面;以及传输线路,位于所述第一表面上,其中所述传输线路是包括一个或多个抑制槽和滤波器元件的图案化金属微带线传输线路。
13.根据实施方案,提供了一种太赫兹相机,包括:一个或多个混频器,包括if输出、lo输入和rf输入;一个或多个号角形馈电器,耦合到所述混频器中的至少一个的rf输入;本地振荡器,耦合到所述混频器中的至少一个的lo输入;以及低噪声放大器、功率检测器和模拟
转数字转换器中的一个或多个,连接到if输出并且被配置成处理来自所述混频器中的至少一个的输出if信号。另外地,所述混频器中的至少一个可以进一步包括:悬挂式信号传输元件,包括多个抑制槽和滤波器元件;以及二极管电路,被安装在所述悬挂式信号传输元件上,并且被配置成基于在所述号角形馈电器中的一个或多个上接收的辐射以及来自所述本地振荡器的功率信号而生成所述if输出信号。在一些实施方案中,接收到的所述辐射在以125ghz、250ghz或375ghz为中心的频带中。
附图说明
14.并入本文中并且形成说明书的一部分的附图图示了各种实施方案。
15.图1图示了根据一些实施方案的混频器装置。
16.图2a和图2b图示了根据一些实施方案的混频器装置。
17.图3a和图3b图示了根据一些实施方案的混频器装置的细节。
18.图4是图示了根据一些实施方案的过程的流程图。
19.图5是根据一些实施方案的检测系统的示意图。
20.图6a至图6c图示了根据实施方案的检测器块。
21.图7是图示了根据一些实施方案的过程的流程图。
22.图8a和图8b图示了根据一些实施方案的微带线场和电流。
23.图9图示了根据实施方案的诸如太赫兹相机的检测系统。
具体实施方式
24.对来自物体或场景的微波、毫米和/或亚毫米信号的感测可能需要极其灵敏的检测器。例如,接收到的信号的功率电平可能在毫微微瓦范围内。
25.在某一例子中,例如在某些微波频率下,可以使用低噪声放大器来将信号的功率电平增加几个数量级(例如,100至1000倍),使得所述信号可以然后被处理以产生dc电压。这个dc电压可以然后被进一步放大,直到它足够强,以至于它可以被转换为数字值,所述数字值可以然后用于创建图像数据。可以使用其他检测方案,诸如辐射热测量计,所述辐射热测量计是用于产生与场景的功率电平成正比的电压的有效高度灵敏的温度计。在功率电平相当低的情况下,辐射热测量计可能需要冷却到非常低的温度,通常小于20开氏度,使得接收到的微弱信号针对辐射热测量计本身的固有噪声(由通过用于辐射热测量计的材料中的原子/分子的热振动引起的电子的随机移动所引起)而增强。这种冷却要求可能需要复杂的低温技术,这不仅会增加显著的成本、体积和质量,而且还可能需要显著的功率电平。因此,基于辐射热测量计的成像的应用可能受到限制。例如,许多安全和材料检验应用需要所述系统具有高度的便携性,这又需要低质量、体积和功率。
26.在更高频率(诸如毫米和亚毫米波长)处,高增益、低噪声放大器可能难以在室温下以足够高的性能来操作以实现实时被动成像。另外地,随着频率增加,放大器门的路径长度因此也增加,从而需要越来越小的器件。这又导致高电阻以及增加的信号损耗和噪声,而且减少增益。如果工作频率增加两倍,那么电路的面积通常减少四倍,并且体积减少八倍。因此,即使是频率的适度增加也可能带来制作和组装挑战,这又降低再现性和产出率,由此增加成本。此类频率增加还可能降低常规组装工具对于高频部件的机械加工的实用程度。
27.通过示例方式,用于分离rf、lo和if信号的石英滤波器可能变得极其小并且很难在超过250ghz的频率处进行处理。而且,如果需要接合线来“调谐”外差混频器的所述三个信号,那么这些线和连接很难以常规方式来实现,并且接合线需要被正确地定尺寸才能使所有三个信号都得到优化。另外地,如果诸如if滤波器的滤波器由在if输出引脚上实现的高和低四分之一波阻抗区段所形成,那么它可能使组装复杂化,从而增加成本和组装时间。
28.根据实施方案,现有系统的某些问题是通过使用混频器将检测到的信号下变频到更低(例如,更低微波)频率使得所述信号可以然后被放大和处理来解决的。根据实施方案,混频器可以实现从rf信号到if信号的高下变频效率,同时使用最少量的lo信号功率。在某些方面中,所公开的设计可以最大程度减少在if输出处反射的信号量(即,存在良好的if匹配)。在某些方面中,良好的if匹配可能意味着在lo泵浦条件下(即,在操作期间)的混频器电路处于大约50欧姆。在某些实例中,这可能是与一个或多个if放大器相同的阻抗。
29.根据实施方案,可以利用通过将电路元件对彼此的影响相隔离、同时为电路优化提供增加的范围而同时地提供改进性能的电路,来常规地制造和组装在更高频率下的设计。通过增加在滤波器基板上可用的尺寸,,可以减小滤波器金属化物的欧姆电阻。这转而可以减少如果不以这种方式则会在较小电路中丢失的信号量。
30.在一些实施方案中,在lo微带线结和rf微带线结两者处使用宽带横向波导,以提供简化的电路布局和拓扑。奇模和横模抑制槽可以连同具有一个或多个滤波器电路的低阻抗区段的空气悬浮式微带线滤波器拓扑一起使用。在某些方面中,这允许使用宽的滤波器通道,从而放宽机械加工容差,提高制作产出率,并且降低组装复杂性。
31.石英滤波器电路可以使用微带线电路配置来实现。根据实施方案,信号以基阶横向电磁模(tem-00)在纵向方向上传播,其中即使所有功率传送都在纵向方向上,在该纵向方向上也不存在电磁场的分量。为了传播tem-00模,并且在一些实施方案中,微带线配置由两个足够小以防止更高阶模的传播的导体组成。这些导体可以包括滤波器通道的外壁和内滤波器金属化物。在这种几何形状中,可以针对每个横截面和它们的组合使用有限元分析来计算场。随着外导体的尺寸相对于信号波长增加,这可能是出于本文中强调的原因所期望的,可以生成更高阶tem-nn模,诸如奇模(例如,tem-01和tem-10)。随着信号沿着滤波器通道向下传播,此类更高阶奇模可以在滤波器横截面之间形成阻塞共振,其降低了宽带性能。在横向方向上的波传播也可能导致在混频器电路元件之间的功率传送损耗。此外,使用尽可能宽的横截面可以增加奇阶模和横向波传播的可能性。然而,为了发生奇阶tem模和横向波传播,需要跨过所述几何形状(例如,滤波器导体几何形状)的侧向表面电流。因此,通过例如在第一滤波器元件中并入纵向槽,可以抑制不需要的模式和传播。
32.根据一些实施方案,使用宽纵向滤波器共同中心线路馈电可以最大程度减少所有三个信号(lo、rf、if)的欧姆损耗。另外地,与物理dc接地相结合地使用电容式电感调谐的短路焊盘可以在最短长度内将所有三个信号路径锁定到接地,由此增加整个电路的固有带宽。例如,这可以消除对每个频率的各自调谐接合件/导线的需要,从而进一步最大程度减少欧姆损耗。
33.现在参考图1,提供根据一些实施方案的混频器100的横截面图示。混频器100可以是例如外差混频器,包括超外差混频器、谐波混频器和/或次谐波混频器。在一些实施方案中,可以使用平衡混频器设计。
34.混频器100可以包括诸如lo输入的第一输入102、诸如rf输入的第二输入104、和诸如用于if信号的输出的信号输出106。根据实施方案,第一输入102可以是混频器100的被配置成经由lo波导114耦合来自本地振荡器的信号的部分,所述lo波导将lo信号递送到混频器100。在一些实施方案中,波导高度降低和匹配元件可以用于将lo信号阻抗匹配到混频器。另外地,第二输入104可以是混频器100的被配置成经由rf波导116耦合来自射频源的信号的部分。在某些方面中,rf波导116作为检测系统的一部分来递送rf信号,例如,经由高频相机的一个或多个号角形馈电器。在某些方面中,输入102、104可以是天线。在图6a中提供耦合到混频器输入和输出的经机械加工信号路径的示例。尽管被图示为具有波导输入和天线,但可以使用诸如同轴线路或共面线路的其他传输元件来将lo和rf信号中的一个或多个递送到混频器100。如在图1的示例中所示出的,混频器配备有在一个端处的rf输入、在相反端处的if输出和在两个端之间(例如,在混频器的中央部分中)的lo输入。
35.信号输出106提供来自诸如二极管电路110的混频器电路的输出信号。在一些实施方案中,二极管电路110包括以反并联配置的两个肖特基二极管。然而,可以使用其他电路。在一些实施方案中,来自二极管电路110的if信号经由同轴连接(例如,在输出通道中的连接元件118)从混频器100输出。可替换地,if信号可以是通过使用取决于频率的波导或其他有线连接中的一个或多个来输出的。if信号可以沿着悬挂式传输线路元件108的长度从二极管电路110传输到输出106,如由方向箭头134所图示的。在这个布置中,lo输入102被插置在rf输入104与if信号输出106之间。根据实施方案,rf输入104位于混频器100和波导元件108的第一远端处,if输出106位于混频器100和波导元件108的第二远端处,并且lo输入102位于混频器100和波导元件102的中心区域中。
36.根据实施方案,混频器100包括悬挂式元件108,所述悬挂式元件是波导、并且经由基板座架120a和120b被安装在混频器壳体132的空腔中。以这种方式,空气间隙130被设置在悬挂式波导元件108的至少两个侧边上(例如,上面和下面)。作为另一示例,并且如图2a中所图示的,悬挂式波导元件108可以在所有四个侧边上具有空气间隙130。基板座架中的一个或多个可以是平坦的(诸如座架120a)或阶梯式的(诸如座架120b)。波导元件108可以包括基板部分和图案化金属表面部分。例如,基板可以是石英(或另一种合适的电介质,诸如氮化铝),具有用于形成微带线传输线路的图案化金层。其他合适的传输线路材料可以包括其他金属材料或以其他方式导电的材料。二极管电路110可以被安装在波导元件108的图案化金属表面上,例如,至少部分地在rf输入104内。在一些实施方案中,悬挂式波导元件108包括抑制槽,所述抑制槽被配置成抑制不需要的传输模式和共振模式。在一些实施方案中,壳体132可以包括块或块的部分,诸如检测阵列块。例如,块514、600、620和650可以包括图1至图3中所图示的壳体。
37.根据实施方案,信号可以通过一个或多个滤波器沿着传输线路在悬挂式波导元件108的表面上传播。例如,悬挂式波导元件108可以包括lo滤波/抑制部分124、rf滤波/抑制部分126和rf接收元件(例如,天线)128,所述rf接收元件可以是rf输入104的一部分。lo滤波/抑制部分124可以对到达if输出106的lo信号进行滤波。在一些实施方案中,这可以实现消除对分别机械加工的lo和/或if同轴滤波器引脚的需要。rf滤波/抑制部分126可以对到达if输出106的rf信号进行滤波和/或对到达二极管电路110的杂散信号进行滤波。另外地,rf接收元件128可以配置有多个槽(例如,抑制槽)。在一些实施方案中,沿着悬挂式波导元
件108的表面使用的抑制槽在纵向方向上延伸并且抑制奇模传播。例如,在带状线内的开槽特征可以抑制电流流过悬挂式波导元件108的宽度,由此防止不想要的奇模沿着带状线朝向if输出106传播。根据实施方案,if信号的所需偶模传播不受抑制槽影响。
38.在一些实施方案中,槽具有小于λ/10的宽度和至少1/4λ的长度。
39.根据实施方案,在微带线电路内的开槽特征抑制电流流过微带线金属的宽度并且防止不想要的奇模沿着微带线电路传播。然而,所需偶模传播可以不受槽影响。
40.如图1中所图示的,混频器100包括用于悬挂式波导元件108的一个或多个安装结构120a、120b。因此,并且根据实施方案,混频器的滤波器被悬挂在带状线的端处而非侧上。因此,在空腔内可以存在更少的介电基板,使得使更高模在混频器的工作频率以上移动。此外,并且在一些实施方案中,通道空腔的侧是平坦的并且不太可能扰乱滤波器特性。
41.根据实施方案,混频器100的滤波器中的一个或多个耦合到在其中安装所述混频器的壳体空腔的顶部和/或底部。例如,悬挂式带状线滤波器可以被设计成使得滤波器区段主要耦合到所述空腔的顶部或底部,而非所述空腔的侧边。这改进了混频器的可制造性,因为滤波器特性更多地取决于滤波器特征的尺寸而非机械加工的通道的尺寸(或在所述通道内的组装位置)。滤波器特征可以更容易准确地控制,因为它们是通过(例如)光刻而界定的。在一些实施方案中,悬挂式波导的宽度包括壳体132空腔的宽度的90%或更多。在某些方面中,在金属化物的边缘下方存在电介质可以致使滤波器区段主要耦合到空腔的侧边。根据实施方案,通过将基板悬挂而将空腔壁移动为更远离滤波元件。然而,电介质将场线吸到在金属化物的边缘处的侧壁。因此,相关联的电流密度在没有槽的边缘处更高,从而最大程度减少它们如果不以这种方式则会导致的欧姆损耗。例如,滤波器区段124具有宽的中心带线204,所述中心带线具有与悬挂式传输线路108的边缘间隔开的槽,如图2a的示例中所图示的。
42.根据实施方案,通过在微带线石英电路与波导之间的过渡段(例如,二极管跨过间隙的地方)附近使用一个或多个开槽特征,提供了对可以沿着微带线电路向下纵向地传播的更高阶横向电磁(tem)模的抑制。根据实施方案,这是通过以下方式来实现的:通过引入间隙来断开跨过中心导体的横向表面电流路径。然而,所需基模的纵向传播不受影响,因为基模不存在横向电流。这个特征的各方面在图8a和图8b中进行图示。在一些实施方式中,在没有这些特征的情况下,更高阶模会将共振引入到滤波器的通带的低阻抗区段中,这可能限定带宽,从而限制滤波器的工作带宽并且由此限制整个混频器的带宽。
43.在一些实施方案中,混频器100进一步包括接地连接112a和112b。这可以是例如经由有线连接进行的。混频器100可以进一步包括调谐短路焊盘122。在一些实施方案中,接地连接112b被制成为从焊盘122到壳体132。另外地,二极管电路110的一侧可以被安装到焊盘122。
44.关于调谐短路焊盘122,并且根据一些实施方案,带状线电路的一个端经由矩形金属焊盘而电容耦合到接地、穿过带状线基板、到达它所在的金属架。这通过电容耦合在检测到的信号(rf)和lo毫米波频率下将所述电路连接到接地作为有效短路。这种电容耦合可以减少接合线组装变化对用于lo和rf信号的接地点的影响。从这个焊盘到金属台阶的接合线在较低频率(低微波)和dc下将所述电路连接到接地。这允许短得多的线路长度,因此提供可以以最小接合长度和数量来实现的更宽带宽。
45.根据实施方案,不需要分别机械加工的lo和/或if同轴滤波器引脚。
46.在某些方面中,为了实现尽可能最宽的带宽,为所有信号提供接近二极管电路110的接地侧具有最小长度的接地连接。这样的连接传统上是使用“虚拟”反应连接来实现的,包括使用在lo和信号频率处是1/4λ的倍数的接合线的调谐短截线。然而,并且根据实施方案,if信号还具有短接地长度以便实现宽带匹配,其可能与传统技术不兼容。为了在所有频率处(包括在足够高的lo和信号频率处)实现理想的接地,在一些实施方案中,通过使用接合线焊盘的电容与短接合线的电感的组合,而在两个频率处实现虚拟宽带短路。在这个实施方案中,if信号的频率太低而不会受接合焊盘的电容或接合线的电感所影响,并且因为物理长度与if波长相比较是非常短的(例如,小于λ/10)、以及实现了宽带物理短路。
47.图2a和图2b示出了在混频器100的壳体132内的悬挂式波导108的上表面。例如,这些图图示了在基板上用以在混频器内为信号形成波导路径的图案化金属层。在图2b中,省略二极管电路110以图示焊盘结构。
48.如图2a中所示出的,悬挂式波导108的上表面可以包括微带线传输线路202,所述微带线传输线路包括宽的中心带线204。在这个示例中,壳体132中的空气间隙130在四个侧边上设置在悬挂式波导108周围以形成空腔。所述空腔的侧边被示出为例如空腔侧壁206a至206d。在图2b中所示出的混频器100的俯视图中,进一步示出了波导114和116的耦合以及同轴连接118。虽然同轴连接被示出为示例,但可以使用其他输出通道。根据实施方案,输入通道可以沿着第一方向延伸,而输出沿着垂直方向延伸,如例如在图6a中所示出的。波导114和116可以在第一平面中,而输出通道(例如,具有同轴连接118)在第二正交平面中。在这个示例中,lo输入波导114将混频器二等分。在一些实施方案中,图2a和图2b中所图示的开槽特征可以对应于lo滤波/抑制部分124、rf滤波/抑制部分126和rf接收元件(例如,天线)128。
49.图3a和图3b图示了根据实施方案的波导元件108的表面的进一步细节。
50.图3a图示了根据一些实施方案的在lo波导输入114的两侧上的lo滤波部分124和rf滤波部分126的示例。如图3a的示例中所示出的,在悬挂式波导108的表面上的图案化传输线路包括多个槽,所述槽可以提供不想要的模的抑制、滤波和匹配中的一个或多个。例如,抑制槽可以同时地提供抑制和滤波。在一些实施方案中,可以使用锤头状滤波器302并且使所述锤头状滤波器在纵向方向上延伸以对到达if输出106的lo信号进行滤波。类似地,半锤头状结构304提供对杂散rf的滤波。在某些方面中,锤头状(或半锤头状)结构可以是用作间距为λ/2的有效虚拟短路的感应电容组合,所述感应电容组合阻止信号通过,由此提供滤波。
51.根据实施方案,包括开槽抑制特征实现了穿过传输线路的宽中心路径,这又减少当if信号从二极管电路110传递到if信号输出106时沿着悬挂式波导元件的长度的欧姆损耗。根据实施方案,金属化层的厚度是趋肤深度的至少3倍。
52.图3b图示了根据一些实施方案的rf接收元件(例如,天线)128的放大视图,所述rf接收元件可以是rf输入104的一部分。在这个示例中,接收元件128包括第一组槽和第二组槽,其中提供第一组306以对杂散rf进行滤波,并且第二组308有助于通过为更高阶信号提供电流断路来抑制不想要的传输模式。根据实施方案,第一槽306比第二槽308更宽。进一步地,并且在一些实施方案中,第一组306和第二组308两者均足够窄以至于接收元件128可以
提供与rf输入波导116的宽带耦合。在图3b的视图中,未示出二极管电路110,这使诸如焊盘122的各种金属化层(例如,焊盘)可见。
53.根据实施方案,混频器100可以针对特定频率范围进行优化。例如,在波导元件108的表面上的图案化金属特征的宽度(例如,滤波器宽度)可以被设定到大约0.3λ至0.4λ,其中λ是自由空间波长。例如,对于在375ghz处进行操作,滤波器通道宽度可以是大约0.3mm。在一些实施方案中,混频器在125ghz、250ghz和375ghz中的一个处进行优化。虽然在这个示例中提供了特定频率/波长,但所公开的混频器的设计和制造可以在整个宽频率/波长带中进行优化。例如,混频器100可以适用于作为在微波、毫米和亚毫米范围内的混频器。
54.根据实施方案,lo和rf滤波器布置的中心部分被设计成尽可能的宽,以便最大程度减少欧姆损耗。在一些实施方案中,中心线路的宽度是在其中安装所述混频器的空腔的宽度的30%至50%。在一些实施方案中,中心线路的宽度是波导基板的宽度的50%或更多。在一些实施方案中,线路的宽度在操作频率处介于0.1λ与0.2λ之间。例如,对于在375ghz处进行优化,从信号端行进到if输出端的中心线路的宽度可以是大约100微米宽。
55.在一些实施方案中,图案化金属微带线传输线路包括从二极管电路延伸到输出并且穿过一个或多个滤波器元件的中心线路,所述中心线路的宽度等于或大于0.1λ且小于或等于0.2λ,悬挂式波导元件的宽度是大约0.2λ,并且基板的厚度是0.04λ。壳体空腔可以具有大约0.35λ(例如,介于0.3λ与0.4λ之间)的宽度(例如,在横向方向上),并且图案化微带线传输线路被布置在空腔中以将传输偶模耦合到壳体132空腔的侧壁。
56.根据实施方案,混频器100可以在没有分开的调谐短截线(例如,导线)或机械加工的lo滤波器引脚的情况下实施。这可以例如与wo2007/125326的设计形成对比,wo 2007/125326的设计需要呈额外导线形式的一个或多个短截线调谐器以及在if输出处的正交同轴滤波器以处理lo信号滤波。
57.根据实施方案,并且为了实现在rf和lo输入电路中的最高带宽,使用开路波导探针。这可以提供改进,因为短路波导是本质地窄带的,通常导致在整个所需频带中的功率耦合不良。
58.现在参考图4,提供了根据一些实施方案的操作混频器的方法400。所述混频器可以是例如混频器100或任何其他混频器,其具有关于图1、图2a、图2b、图3a、图3b和图6a所示出的特征。
59.方法400可以从步骤s410开始,步骤s410包括在具有悬挂式波导元件、多个抑制元件和二极管电路的混频器装置的第一输入处接收rf信号。在步骤s420中,向混频器提供本地振荡器信号。在步骤s430中,输出由二极管电路生成的中频(if)信号。根据实施方案,输出所述if信号包括将信号沿着混频器(例如,混频器100)的纵向方向传播穿过多个滤波器。滤波器可以是例如所述多个抑制元件的一部分。根据一些实施方案,沿着相对于混频器的第一轴线接收和提供rf信号和lo信号,而沿着不同的垂直轴线输出所述if。
60.现在参考图5,提供根据一些实施方案的检测系统500。在这个示例中,号角形馈电器502的阵列向一个或多个混频器504(诸如在上文描述的混频器100)提供rf信号。所述rf信号可以与来自诸如一个或多个耿式振荡器源的源508的lo信号512进行混频。所得到的if可以然后被馈送到处理电路506以进行后续处理,包括放大、滤波、模拟转数字转换和图像生成中的一个或多个。在一些实施方案中,所述输出if被经由同轴线路从混频器提供到处
理电路506中的一个或多个。在一些实施方案中,号角形馈电器502、混频器504和信号路径(例如,512)可以被容纳在块514中。例如,关于图6a至图6c图示了供与本文中描述的一个或多个混频器一起使用的块。
61.根据实施方案,混频器504的组包括至少三个类型的混频器,其中第一混频器在第一频率处进行优化,第二混频器在第二频率处进行优化,并且第三混频器在第三频率处进行优化。在这个示例中,所有类型的混频器遵循如图1至图3中所展示的混频器100的设计和配置。在一些实施方案中,频率是125ghz、250ghz和375ghz。在一些实施方案中,包括使用在500ghz处进行优化的混频器100的设计和配置的第四类型的混频器。
62.现在参考图6a,图示了根据一些实施方案的检测器块600的两个机械加工的半部。在这个示例中,第一机械加工部分602可以与第二机械加工部分604组合以形成检测器块。所述块可以包括例如混频器100的壳体132和块514。如图6a中所示出的,所述半部中的每一个都可以包括一个或多个号角形馈电器部分606,所述号角形馈电器部分可以用作将rf信号递送到混频器100的通道。所述半部中的每一个还可以包括输入信号(例如,lo)递送部分608,而且包括以细节610示出的混频器空腔。另外地,并且在一些实施方案中,混频器可以将其输出耦合到信号输出612(例如,含有同轴或其他传输线路)中,所述信号输出可以形成在相应块半部中,使得同轴电缆可以行进穿过混频器壳体132。例如,输出612可以携带由混频器生成的if信号。根据实施方案,可以沿着同一轴线(例如,x轴)或在同一平面(例如,由x轴和z轴形成的平面)中对号角形馈电器606和lo输入608进行机械加工。另外地,在一些实施方案中,可以以垂直/正交方式(例如,沿着y轴)对混频器输出612进行机械加工。在这方面,可以在与接收输入信号的方向不同的方向上递送来自混频器的输出信号。例如,可以在与接收信号的平面垂直的方向上输出信号。
63.现在参考图6b和图6c,根据一些实施方案图示了一个或多个检测器阵列块。这些检测器阵列块可以对应于例如阵列502和块514。检测器元件(诸如具有号角形馈电器阵列502的块514)可以形成为单个块(例如,如图6a和图6b中所示出的)。此外,它可以由多个块(例如,具有如图6c中所示出的两个子块)形成,以形成具有多行号角形馈电器和多列号角形馈电器的组合检测块。另外地,并且根据实施方案,每个子块可以由如关于图6a所图示的两个零件形成,图6a示出了将半块部分602附接到另一半块部分604以形成块600。
64.现在参考图6b,提供根据一些实施方案的块620。在某一例子中,检测器阵列502和块514中的一个或多个可以包括块620。块620包括一个或多个信号输入622、一个或多个二次输入624和一个或多个输出626。例如,信号输入622可以对应于如图2、图5、图6a和图9中所图示的多个检测器号角形馈电器。类似地,二次输入624可以是诸如关于图2、图5、图6a和图9所描述的lo信号输入。例如,输出626可以是检测到的信号输出,诸如来自混频器100的一个或多个if信号,如结合图9所描述的。根据实施方案,所述输入被设置在同一平面中,而输出被设置在横向平面中。在图6b的示例中,输入622、624沿着x轴设置,而输出626沿着y轴设置。根据实施方案,处理电路可以连接到输出626。例如,多个处理电路单元可以堆叠在z轴方向上以处理从块620输出的信号。同样地,附加块可以堆叠在z轴方向上以扩展所述检测器。类似布置在图6c中被示出为具有元件660a至660n。这样的电路可以包括例如一个或多个lna、宽带功率检测器和/或adc,如关于图9所图示的。在一些实施方案中,功率检测器用于通过热构件(例如,辐射热测量计)或通过使用振幅调制(am)检测器来将宽带微波功率
转换为基带信号。另外地,处理电路可以包括一个或多个滤波器,例如,在lna或adc的两侧上。根据实施方案,诸如921a、921b、921c的功率检测器检测跨过整个频带的功率,并且输出与所述功率有关的电压。
65.现在参考图6c,并且根据实施方案,第一块(例如,块620)可以与第二块(例如,650)组合以形成单个检测阵列块,诸如具有阵列502的块514。在这个示例中,块650的输入652和654沿着x轴被设置在单个平面中,并且输出656被设置成在垂直方向上沿着y轴延伸。鉴于所述输入和输出的布置,处理电路660a至660n可以在z轴方向上堆叠在块620、650的外表面处而不干扰由输入652从源进行信号捕获,或阻止将lo递送到输入654。尽管电路660a至660n被示出为在阵列的块620侧边上,但所述堆叠还可以被设置在阵列的另一侧边(例如,块650侧边)上。在这方面,处理电路的第一堆叠660a至660n可以被设置在阵列的一个侧边上,处理电路的第二堆叠660a至660n可以被设置在阵列的第二侧边上,输入信号(例如,rf输入)可以被设置在阵列的第三侧边上,并且在一些实施方案中,另一输入信号(例如,lo)可以被设置在阵列的第四侧边上。电路660a至660n可以包括例如一个或多个lna、am(包络)功率检测器和/或adc,并且在一些情况下包括滤波器。
66.尽管图6c的阵列被描绘为具有两个连接的块,但实施方案并不如此受限制。例如,根据实施方案,检测器阵列可以由不直接连接的块形成,并且具有两个以上的块。例如,处理电路660a至660n可以被插置在阵列的两个子块之间(例如,块620与块650之间)。在一些例子中,可以使用三个子块,其中电路被插置在第一块与第二块之间以及在第二块与第三块之间。在这样的布置中,位于第一块与第二块之间的电路可以处理来自第一块或第二块中的一个或两个的信号,而位于第二块与第三块之间的电路可以处理来自第二块和第三块中的一个或两个的信号。另外地,另一电路堆叠可以被设置在所述阵列的外侧中的一个或多个上,例如,以处理来自第一块或第三块的信号。虽然使用三个块进行描述,但根据实施方案,可以重复这种布置以将所述阵列的宽度扩展为超出三个块。还可以在z方向上扩展检测阵列,例如,通过堆叠附加的块620、650。根据实施方案,阵列块620、650的上表面和下表面上不存在输入或输出,并且因此,所述阵列块可以与另一块堆叠在一起而无干扰。一些实施方案包括具有六个初级侧的块620、650,其中输入和/或输出暴露在外侧上(例如,输入和/或输出在x方向和y方向上穿过块),而非暴露在顶部或底部上(例如,在z方向上)。
67.根据实施方案,检测系统可以针对多达四个检测频带进行优化。根据实施方案,频带的宽度可以由混频器、if放大器和/或包络检测器的组合来设定。在一些实施方案中,频带是所述波导的中心频率的+/-20%。
68.现在参考图7,根据一些实施方案提供制作混频器装置的方法700。这个方法可以用于例如制作如关于图1至图3所图示的混频器100,以及用于形成图6a中所示出的机械加工部分602、604。
69.方法700可以以步骤s710开始,步骤s710包括对包括第一射频通道部分、第一本地振荡器部分、第一中频通道部分、第一空腔部分、第一安装架部分和第二安装架部分的第一壳体部件(例如,602)进行机械加工。在步骤s720中,对包括第二射频通道部分、第二本地振荡器部分、第二中频通道部分、第二空腔部分、第三安装架部分和第四安装架部分的第二壳体部件(例如,604)进行机械加工。所述方法可以进一步包括,通过将波导元件安装在第一安装架部分和第二安装架部分和/或第三安装架部分和第四安装架部分上,而将所述波导
元件悬挂(s730)在第一空腔部分和/或第二空腔部分中。这可以是例如波导元件108。方法700可以进一步包括将第一壳体部件附接(s740)到第二壳体部件以形成块。例如,这个方法可以用于形成如图6b和图6c中所图示的块(或多个块)。
70.根据实施方案,使用外圆角切割器和五轴机器在块的每个半部中对完整号角形馈电器的两个半部进行机械加工。这允许使用号角形几何形状的灵活性,诸如椭圆形截面的号角形。这可以允许调整号角形馈电器射束图案以实现最优光学耦合。例如,圆形号角形状提供椭圆形射束,所述椭圆形射束必须在光学器件中进行校正,否则图像可能具有不适当的散光。然而,椭圆形的号角形馈电器可以实现不需要校正的圆形射束。因此,并且根据一些实施方案,号角形馈电器(例如,用以将接收到的rf递送到混频器100)可以具有椭圆形形状。
71.现在参考图8a和图8b,图示了电场和磁场。例如,图8a图示了横向电磁模802。在微带线外通道小于波导波长的二分之一的情况下,通常可以仅存在基本横向电磁模(tem-00)模式。在这个例子中,电场线和磁场线是横向的,并且分别从内导体在相同方向上传播到金属通道的外部或在相同方向上环绕在滤波器金属化物上,如由802所示出(在这个示例中,导体在空气中)。在基本tem-00模中操作可以产生非常平滑的阻抗与频率响应,例如,如在描绘传输通带的804处所示出的。这种布置进一步由808进行图示,其中电路线路(例如,金)810位于石英基板812上。
72.有效微带线滤波器金属化物宽度和外通道宽度尺寸是与频率成反比地缩放的,并且因此在更高频率处,滤波器金属化物图案和其所在的通道的宽度变得非常小,且滤波器金属化物图案和通道两者的制造变得具有挑战性,由此在尺寸条件为通道的外宽度保持低于二分之一波导波长的情况下增加了成本。如果无法满足这个条件(例如,任一者超过二分之一波导波长),更高阶横模和纵模可能被激发(例如,由通道或滤波器中的不连续性所激发)且传播。这种情景由814图示。电场线和磁场线然后不再均匀并且可以创建共振条件,从而导致随频率变化的不均匀行为并且导致反射功率,如由806所示出的,其中共振出现在通带中。这些共振可能减少混频器的平滑宽带操作。
73.通常,微带线滤波器会将四分之一波长的低阻抗区段和高阻抗区段级联。当高阻抗区段与低阻抗区段的比率最大时,滤波器的精细度最好,这是使用最窄线路和最宽线路实现的。这分别由图8b中的822和824图示。当考虑更高阶模的生成时,此类滤波器的性能因此从根本上受限制,因为在激发更高阶模并且将共振反射引入到滤波器频率响应中之前存在有限宽度。本公开的各方面可以提供更宽线路的益处(例如,更低的阻抗和改进的滤波)而没有更高阶模传播的负面影响。这可以例如通过沿着滤波器区段的长度包括电流断路或槽来实现,如图8b的830中所示出的。这与826形成对比,在826中,电流无中断地流动并且产生如828中所图示的非理想通带性能。当形成更高阶模时,电流流动不再像在基模的情况下那样仅仅沿着纵向方向发生,而且还行进穿过滤波器金属化物的侧向方向。在引入电流断路的情况下,这些横向电流被中断并且更高阶模的激发被抑制,即使滤波器区段和通道两者的宽度会以其他方式允许这样。实现了低得多的阻抗滤波器区段以及如832中所示出的平滑滤波器频率行为。
74.现在参考图9,提供了根据一些实施方案的检测系统900的示意性描绘。在一些实施方案中,系统500可以使用图9的布置来实施。
75.可以在输入902、904和906处接收辐射,所述输入可以分别是块908、910和912的号角形馈电器。在一些实施方案中,块908、910和912可以各自形成检测器阵列502、514、600、620和/或650的一部分。将在输入902、904、906处接收的辐射信号各自传递到被描绘为元件914a、914b和914c的混频器元件。这可以是例如混频器100。在一些实施方案中,可以例如通过任选的偏振旋转元件916使接收到的信号中的一个或多个在被混频器处理之前旋转。将来自混频器的诸如一个或多个中频(if)信号的被处理信号传递到每个块的输出(918a、918b、918c),以由低噪声放大器(lna)(920a、920b、920c)、功率检测器(921a、921b、921c)和模拟转数字转换器(adc)(922a、922b、922c)进行后续处理。附加的处理可以包括滤波。可以然后将数字信号传递到图像生成器924以基于检测到的辐射而形成图像,诸如通过使用在902、904和906处接收的辐射形成物体或场景的合成图像。图像处理924可以耦合到诸如计算机或监视器的查看系统936,或是所述查看系统的一部分。在一些实施方案中,在每个块内使用同轴电缆来输出if信号。
76.尽管这个系统被描绘为具有三个混频器元件或输入,但它可以被实施为具有更多或更少混频器元件或输入。例如,可以使系统900扩展成包括第四组输入号角形馈电器,每个输入号角形馈电器具有一组对应的混频器和处理电路。另外地,块908、910和912中的每一个可以包括输入阵列和多个混频器100。信息可以由如图6c中所图示的电路堆叠来处理。
77.在一些实施方案中,使用比混频器更少的lo源来向系统900的混频器提供本地振荡器(lo)信号。例如,在图9中所图示的示例中,单个lo源926向混频器914a至914c中的每一个提供lo信号。根据实施方案,这是通过使用一个或多个功率分配器928a、928b并且在一些例子中通过使用一个或多个频率倍增器990a至990c(诸如二倍器或三倍器)来完成的。例如,可以向分配器928a提供来自源926的原始lo信号,分配器928a又向分配器928b和任选倍增器990a提供信号。倍增器930可以用于向混频器914a提供频率比源926所提供的高的lo信号。类似地,分配器928b可以向用于混频器914b和914c的任选倍增器930b和930c提供信号。在这方面,块908、910和912中的每一个都可以被配置成在不同频率/波长下操作。这样的配置可以包括例如混频器设计以及输入号角形馈电器的形状和尺寸。因此,可以由处理电路924检测、处理和使用不同波长的辐射信号,以使用多个波长的数据来形成合成图像。诸如放大器992的一个或多个放大器可以用于增强在源、分配器、倍增器和/或混频器之间的信号。未在图9的示例中图示其他放大器。
78.取决于应用,号角形馈电器的尺寸应被选择为提供与所选光学器件的最优耦合,并且间距应被选择为提供最优覆盖范围。
79.在某些方面中,部件经优化以在尽可能宽的电路操作条件范围内最大程度减少从rf耦合电路反射的lo功率量。这限制了被反射lo信号传播回到一个或多个lo功率分路器中,因此限制了在通道之间的干扰。为了进一步减少反射问题,可以实施90度3db混合式功率分路器,诸如魔t(magic-t)或3db混合式分支波导耦合器。虽然被图示为具有单个lo926,但可以根据实施方案使用多个lo。
80.根据一些实施方案,分配器928a和928b中的一个或多个是不相等分配器。根据一些实施方案,倍增器930a和930b是二倍器,而倍增器930c是三倍器。在一些实施方案中,不需要所述倍增器中的一个或多个。例如,在一些实施方案中可以省略倍增器930a。
81.根据一些实施方案,提供共同本地振荡器源926,使用不同阶频率倍增器(例如,二
倍器和三倍器)来使频率倍增并且实施次谐波混频器。例如,混频器914a至914c可以分别在以频率125ghz、250ghz和375ghz为中心的频带中操作,所述混频器可以使用62.5ghz、125ghz和187.5ghz的本地振荡器频率。在这个示例中,基础本地振荡器源926可以是在62.5ghz处操作的提供大约100mw的耿式(gunn)振荡器。这使用诸如分配器928a的分路器被分成两个相等信号。这可以是诸如标准魔t的相等功率分路器,或不相等分路器。分路器输出的一半对125ghz阵列(在这个示例中为块908)进行泵送,并且另一半输入到功率放大器(例如,在这个示例中为放大器992)中以给出大约400mw的信号,所述信号然后用于对频率倍增器930b和930c进行泵送。鉴于在示例性频率下使用次谐波混频器,在这个例子中不需要倍增器930a。在一些实施方案中,系统通过使用可配置的不相等功率分配器进行优化,以向125ghz阵列和功率放大器提供最优功率。每个频率混频器阵列都需要类似的本地振荡器功率,在这个示例中为30mw至40mw。然而,二倍器的典型效率是40%,而三倍器的典型效率是15%。这意味着使用诸如魔t的相等功率分路器可能导致为250ghz阵列(例如,在这个示例中为块910)生成太多功率(80mw)并且为375ghz阵列(例如,在这个示例中为块912)生成边际功率。诸如魔t的传统功率分路器依赖于输入功率被分成相等的两半,然而,如果这样的方法用于这个实施方案,那么它可能导致太多的功率被供应到125ghz二倍器(例如,倍增器930b)以及不足够的功率被供应到187.5ghz三倍器(例如,倍增器930c)。因此,为了将充足功率供应到通常比二倍器低效率的三倍器,功率放大器将需要是超过规定的并且去往二倍器的功率会被不必要地衰减(否则它可能被损坏)。因此,并且根据实施方案,使用可配置的功率分配器,所述功率分配器可以将本地振荡器泵送功率任意地分成两个或更多个通路,由此根据它们各自的功率要求为每个本地振荡器臂的倍增器分配功率。根据实施方案,分配器928a和/或928b是可配置的。因此,可以提供一种系统,其中通过如下方式最大程度减少整体系统的lo功率要求(并且由此最大程度减少成本):将功率分路与每个频率臂匹配,使得所递送的功率匹配每个相应倍增器的峰值效率输入功率要求。
82.根据一些实施方案,可以提供被配置成在第四频率处接收和处理辐射的一个或多个块。例如,一个或多个块可以在500ghz处被配置。这样的块的混频器可以类似地使用同一lo源来操作,例如,所述lo源在图9中示出的lo路径中的一个或多个中具有附加的分配器和/或二倍器。在一些实施方案中,所述块可以是子块或阵列514、620和/或650。
83.根据一些实施方案,lo源926可以具有在一个或多个频率处的多个输出,并且可能不需要初始分配器928a和/或倍增器930a。在一些实施方案中,分配器928a和倍增器930a中的一个或多个被集成到本地振荡器源926中,使得源926以可配置功率提供多个频率信号。尽管通过示例方式使用两个输出,但可以通过使用附加的不相等功率分路器和/或倍增器来扩展这个实施方式。
84.地球大气根据观察到的穿过大气的频率传输提供了独特照明特性,所述频率传输又由存在于场景上面的水蒸气量和用于检测的波长确定。两种现象主导了这个效果。首先,水分子在毫米至太赫兹域中具有旋转共振,使得在特定频率处它吸收光子。在远离这些线的频率处,它使光子通过,这可以被理解为水窗。另外,随着波长缩短,穿过大气的有效路径长度变长,从而增加衰减。在传输最高的频率处,地球大气是透明的,并且因此空间的冷背景在毫米波检测期间提供了非常高的对比度。因此,被观察的室外场景由“冷”天空照明主导。在穿过地球大气的传输较低的频率处,场景由来自场景上面的空气柱的“暖”照明主导。
根据实施方案,并且为了提供其中实现了不同对比类型的彩色场景,可以使用高传输波长、中等传输波长和低传输波长的混合。通过实验研究,这些已被确定为以125ghz、250ghz和375ghz为中心的约35ghz宽的频带。
85.尽管实施方案使用125ghz、250ghz、375ghz和500ghz作为示例,但可以使用其他频率组。例如,可以使用60ghz、120ghz、240ghz、360ghz和480ghz。这个频率组与大气中氧的吸收性质有关。
86.虽然在本文中描述了本公开的各种实施方案,但应理解,它们仅以示例而非限制方式来呈现。因此,本公开的广度和范围不应受上文描述的示例性实施方案中的任何实施方案限制。一般来说,本文中使用的所有术语都应根据它们在相关技术领域中的普通含义来解释,除非清楚地给出和/或从使用它的上下文中暗示不同含义。除非另有明确说明,否则对一/一个/所述元件、装置、部件、构件、步骤等的所有提及都应被公开解释为是指所述元件、装置、部件、构件、步骤等的至少一个例子。除非本文中另有指出或以其他方式与上下文明显矛盾,否则本公开涵盖上文描述的元件在其所有可能变型中的任何组合。
87.另外地,虽然上文描述并且在附图中图示的过程被示出为步骤序列,但这样做仅仅是为了图示。因此,预期可以添加一些步骤,可以省略一些步骤,可以重新排列所述步骤的顺序,并且可以并行地执行一些步骤。也就是说,本文中所公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序来执行,除非一个步骤被明确地描述为在另一步骤之后或之前、和/或隐含一个步骤必须在另一步骤之后或之前的情况。
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