一种太赫兹接收前端及其实现方法
【专利摘要】一种太赫兹接收前端及其实现方法，接收前端包括正交模耦合器OMT、两个波导-微带转换、两个低噪声放大器LNA、两个带通滤波器、两个混频器、本振LO和功分器；正交模耦合器OMT、波导-微带转换和低噪声放大器LNA形成一个一体成型组合体，混频器和功分器形成一个一体成型组合体、本振LO和倍频器形成一个一体成型组合体。通过集成化的设计布局方案，避免了接收前端中各个部件之间的多个相互连接，使产品的集成度得到极大提升。减少了传输的能量损失，为太赫兹频段接收前端的实现提供了有力的技术支撑。同时本发明还提出了该接收前端的实现方法。
【专利说明】一种太赫兹接收前端及其实现方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种太赫兹接收前端及其实现方法，属于太赫兹【技术领域】。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz，ITHz = 1012Hz)波段是指频率介于红外与毫米波之间的一段电磁波区域，人们称之为“THz空隙”。在应用方面，相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波、毫米波相比，THz探测系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力；与激光相比，THz系统具有视场范围宽、搜索能力好、适用于恶劣气象条件等优点。THz波所具有的优越特性使其具有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用阶段)，也使得世界各国都对THz科学技术研究和应用给予了极大的关注。
[0003]THz科学技术在国家安全和国防建设上有着极为重大的应用。近年来，THz技术及其应用发展迅速，作为THz波段重要部件的太赫兹接收前端得到了广泛而深入的研究，并取得了重要的进展，其频段从不到ITHz提升到几THz，并应用于各个领域。如:目前以美国为首已发展出0.220,0.225,0.56,0.6和1.6THz的5种工作频率的THz成像雷达。专家们认为THz在国防特别是太空竞争中将起着关键的作用，西方国家已将太赫兹成像技术用于航空安检及太空飞船的安全检查等方面。
[0004]随着我国卫星技术的不断发展，目前气象预报应用的关键数据采集部件——辐射计的频段需求从L频段已经提升至毫米波、太赫兹频段。而要实现毫米波、太赫兹频段辐射计的高灵敏度，要求接收前端具有较低的噪声系数、高功率增益和宽频率带宽等特点。
[0005]目前国内THz频段的接收前端及其相关部件研究主要集中在低频段范围，约
0.03-0.1THz。由于缺乏系统的思考及有效的测试调试手段，目前THz频段的接收前端的设计思路与低频段相同，主要采取采购或者自研相关部件，然后通过拼装的方式来组成接收前端。但是THz频段与微波频段相比，其部件之间的连接组装要求非常高，而且随着频率的提高，连接次数对系统的性能影响越来越大。
[0006]因此，研究太赫兹接收前端的集成化设计方法是非常重要的，也为未来实现1-lOTHz波段的大规模应用奠定基础。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种太赫兹接收前端及其实现方法，可以降低太赫兹频段超外差式接收前端的实现难度，该方法也适用于其它形式的太赫兹功能部件，以适合未来的太赫兹应用。
[0008]本发明的技术解决方案是:
[0009]一种太赫兹接收前端，包括正交模耦合器0ΜΤ、两个波导-微带转换、两个低噪声放大器LNA、两个带通滤波器、两个混频器、本振L0、倍频器和功分器；
[0010]所述波导-微带转换由波导腔体和石英衬底微带线组成，带通滤波器为波导膜片式滤波器；[0011 ] 正交模耦合器0ΜΤ将输入到其中的外部太赫兹频段的电磁波信号分成两路，第一路信号经过第一波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第一低噪声放大器LNA，被第一低噪声放大器LNA放大之后进入第一带通滤波器，滤除杂波后进入第一混频器的射频信号输入口；
[0012]正交模耦合器0ΜΤ输出的第二路信号经过第二波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第二低噪声放大器LNA,被第二低噪声放大器LNA放大之后进入第二带通滤波器，滤除杂波后进入第二混频器的射频信号输入口 ；本振L0的输出经过倍频器倍频后送入功分器分成两路，一路进入第一混频器的本振信号输入口，另一路进入第二混频器的本振信号输入口，第一混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号，第二混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号；
[0013]所述正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换和低噪声放大器LNA形成一个一体成型组合体,混频器和功分器形成一个一体成型组合体,本振L0和倍频器形成一个一体成型组合体。
[0014]所述低噪声放大器LNA包括丽1C芯片、电容C1?C4 ;波导-微带转换的输出信号从MMIC芯片的输入端进入，放大后从输出端输出，MMIC芯片的第一个供电引脚通过并联在一起的电容C1和电容C3接地，丽1C芯片的第二个供电引脚通过并联在一起的电容C2和电容C4接地。
[0015]所述混频器包括射频匹配电路、反向并联管对、本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器；
[0016]经过带通滤波器滤除杂波的射频信号RF通过射频匹配电路进入反向并联管对的一端，本振信号L0依次经过本振中频双工器、本振低通滤波器和本振匹配电路后进入反向并联管对的另一端，反向并联管对输出的中频信号依次经过本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器输出。
[0017]所述倍频器包括匹配电路和二极管阵列；本振L0的输出进入匹配电路进行阻抗匹配，匹配电路的输出进入二极管阵列进行倍频放大，二极管阵列输出倍频信号。
[0018]一种太赫兹接收前端的实现方法，步骤如下:
[0019](1)在HFSS中建立正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的模型，在ADS或者MW0中建立倍频器、低噪声放大器LNA和混频器的模型，并进行电磁仿真，设置优化目标为驻波在频段为148GHz?152GHz之间范围内低于_15dB，最终得到各部件的散射矩阵文件；
[0020](2)根据信号流向，在PR0-E或者Solidworks中将各个部件组装到一起；
[0021](3)将整个接收前端分解为四个功能模块，第一模块为正交模耦合器、波导-微带转换和低噪声放大器LNA形成的组合体，第二模块为带通滤波器，第三模块为混频器和功分器形成的组合体，第四模块为本振和倍频器；
[0022](4)对上述四个模块在CST软件中分别建模，并进行本征模分析，通过调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得各模块的谐振频率在146GHz?154GHz范围之外；
[0023](5)将第一步中各个部件经过电磁仿真得到的散射矩阵文件按照信号流向的关系级联，在MW0中调整部件之间连接的波导尺寸；
[0024](6)通过滤波器设计中的协同仿真方法，对影响传输特性的元器件的值以及部件的尺寸参数进行优化，使得模块的传输特性在频段148GHz?152GHz之间满足驻波低于_20dB的要求，从而得到模块的散射矩阵文件；
[0025](7)将步骤￠)中得到的各模块的散射矩阵文件级联，仿真整个接收前端的性能，调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得接收前端的传输特性在148GHz?152GHz范围内满足驻波低于_20dB的要求；
[0026](8)再次对四个模块和整个接收前端分别进行本征模分析，通过调整模块之间的连接尺寸，使得各模块腔体的谐振频率在146GHz?154GHz之外；
[0027](9)针对四个模块内部中的各个功能部件，分别设计与其相匹配的耦合器件，将电磁波信号从需要的位置耦合出来，耦合器件的设计目标为耦合度_20dB、输入输出驻波优于_20dB ;接下来对连接了耦合器件的模块进行本征模分析，使得各模块腔体的谐振频率在 146GHz ?154GHz 之外；
[0028](10)在HFSS中对四个模块中的各个部件的物理尺寸进行灵敏度分析，得到加工的关键尺寸；
[0029](11)对四个模块分别进行整体加工制造，同时加工配套的耦合器件；
[0030](12)利用配套的耦合器件对加工出来的四个模块进行电性能测试，筛选出满足要求的合格产品；
[0031](13)将筛选出的合格的四个模块进行组装，从而实现了集成化的太赫兹接收前端。
[0032]步骤(6)中所述影响传输特性的元器件包括低噪声放大器LNA中的电感和电阻以及混频器中的电感和电阻；所述部件的尺寸参数包括正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的输入输出长度及耦合尺寸。
[0033]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0034](1)通过在全场仿真时进行各部件关键参数和级联参数的容差分析，对结构件的工程化加工制造提供了技术依据，大大降低了太赫兹波段接收前端的组装、加工难度。
[0035](2)通过集成化的设计布局方案，避免了接收前端中各个部件之间的多个相互连接，使产品的集成度得到极大提升。减少了传输的能量损失，为太赫兹频段接收前端的实现提供了有力的技术支撑。
[0036](3)由于集成化的设计思路要求的是整体最优，因此在设计接收前端中的每一个部件时，不需对其设置非常完美的指标，降低其设计难度，提高了效率。
[0037](4)本发明中所采用的配套对应耦合器件的思路大大降低了整个接收前端的测试难度，为每个部件的性能提供了技术数据，为工程的设计制造提供了可靠的产品性能数据。可推广应用于未来所有的太赫兹部件研制。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是本发明太赫兹收发前端的原理结构框图；
[0039]图2是本发明集成化的太赫兹接收前端结构示意图；
[0040]图3是LNA构成示意图；
[0041]图4为混频器构成框图；
[0042]图5为倍频器构成框图；
[0043]图6为模块之间级联后的仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的详细描述。
[0045]接收前端是电子系统中接收机的关键部件。目前THz频段的接收前端的设计思路与低频段相同，主要采取采购或者自主研制相关部件，然后通过拼装的方式来组成接收前端。但是THz频段与微波频段相比，其部件之间的连接组装要求非常高，而且随着频率的提高，连接次数对系统的性能影响越来越大。
[0046]如图1和图2所示，本发明提供了一种太赫兹接收前端，包括正交模耦合器0ΜΤ、两个波导-微带转换、两个低噪声放大器LNA、两个带通滤波器、两个混频器Mixer、本振L0、倍频器和功分器；
[0047]所述波导-微带转换由波导腔体和石英衬底微带线组成，带通滤波器为波导膜片式滤波器；
[0048]正交模耦合器0ΜΤ将输入到其中的外部太赫兹频段的电磁波信号分成两路，第一路信号经过第一波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第一低噪声放大器LNA，被第一低噪声放大器LNA放大之后进入第一带通滤波器，滤除杂波后进入第一混频器的射频信号输入口；
[0049]正交模耦合器0ΜΤ输出的第二路信号经过第二波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第二低噪声放大器LNA,被第二低噪声放大器LNA放大之后进入第二带通滤波器，滤除杂波后进入第二混频器的射频信号输入口 ；本振L0的输出送入功分器分成两路，一路进入第一混频器的本振信号输入口，另一路进入第二混频器的本振信号输入口，第一混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号IF，第二混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号IF ；
[0050]所述正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换和低噪声放大器LNA形成一个一体成型组合体,混频器和功分器形成一个一体成型组合体,本振L0和倍频器形成一个一体成型组合体。
[0051]如图3所示，低噪声放大器LNA包括丽1C芯片、电容C1?C4 ?’波导-微带转换的输出信号从MMIC芯片的输入端进入，放大后从输出端输出，MMIC芯片的第一个供电引脚通过并联在一起的电容C1和电容C3接地，MMIC芯片的第二个供电引脚通过并联在一起的电容C2和电容C4接地。
[0052]如图4所示，混频器包括射频匹配电路、反向并联管对、本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器；
[0053]经过带通滤波器滤除杂波的射频信号RF通过射频匹配电路进入反向并联管对的一端，射频匹配电路作用为进行阻抗匹配，本振信号L0依次经过本振中频双工器、本振低通滤波器和本振匹配电路后进入反向并联管对的另一端，反向并联管对输出的中频信号依次经过本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器输出；
[0054]如图5所示，倍频器包括匹配电路和二极管阵列；本振L0的输出进入匹配电路进行阻抗匹配，匹配电路的输出进入二极管阵列进行倍频放大，二极管阵列输出倍频信号。
[0055]基于本发明提出的接收前端，还提出一种所述太赫兹接收前端的实现方法，步骤如下:
[0056](1)在HFSS中建立正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的模型，在ADS或者MW0中建立本振、倍频器、低噪声放大器LNA和混频器的模型，并进行电磁仿真，设置优化目标为驻波在频段为148GHz?152GHz之间范围内低于_15dB，最终得到各部件的散射矩阵文件；
[0057](2)根据信号流向，在PR0-E或者Solidworks中将各个部件组装到一起；
[0058](3)将整个接收前端分解为四个功能模块，第一模块为正交模耦合器、波导-微带转换和低噪声放大器LNA形成的组合体，第二模块为带通滤波器，第三模块为混频器和功分器形成的组合体，第四模块为本振L0 ；
[0059](4)对上述四个模块在CST软件中分别建模，并进行本征模分析，通过调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得各模块的谐振频率在146GHz?154GHz范围之外；
[0060](5)将第一步中各个部件经过电磁仿真得到的散射矩阵文件按照信号流向的关系级联，在MW0中调整部件之间连接的波导尺寸；
[0061](6)通过滤波器设计中的协同仿真方法，对影响传输特性的元器件的值以及部件的尺寸参数进行优化，使得模块的传输特性在频段148GHz?152GHz之间满足驻波低于_20dB的要求，从而得到模块的散射矩阵文件；
[0062]所述影响传输特性的元器件包括低噪声放大器LNA中的电感和电阻以及混频器中的电感和电阻；所述部件的尺寸参数包括正交模耦合器0ΜΤ、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的输入输出长度及稱合尺寸；
[0063](7)将步骤￠)中得到的各模块的散射矩阵文件级联，仿真整个接收前端的性能，调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得接收前端的传输特性在148GHz?152GHz范围内满足驻波低于_20dB的要求，图6为模块1，2级联后的仿真结果示意图；
[0064](8)再次对四个模块和整个接收前端分别进行本征模分析，通过调整模块之间的连接尺寸，使得各模块腔体的谐振频率在146GHz?154GHz之外；
[0065](9)针对四个模块内部中的各个功能部件，分别设计与其相匹配的耦合器件，将电磁波信号从需要的位置耦合出来，耦合器件的设计目标为耦合度_20dB、输入输出驻波优于-20dB。接下来对连接了耦合器件的模块进行本征模分析，使得各模块腔体的谐振频率在146GHz ?154GHz 之外；
[0066](10)在HFSS中对四个模块中的各个部件的物理尺寸进行灵敏度分析，得到加工的关键尺寸；
[0067](11)对四个模块分别进行整体加工制造，同时加工配套的耦合器件；
[0068](12)利用配套的耦合器件对加工出来的四个模块进行电性能测试，筛选出满足要求的合格产品；
[0069](13)将筛选出的合格的四个模块进行组装，从而实现了集成化的太赫兹接收前端。
[0070]综上所述，本发明通过全场仿真方法，将波导-微带转换，低噪声放大器，带通滤波器，混频器，倍频器加工为一个整体，提出了太赫兹波段接收前端的集成化设计方法。
[0071]本发明与现有技术相比较，以往产品设计都采用单功能部件拼装结构，部件间匹配和连接都对电路性能产生极大的影响，产品性能很难达到设计效果，且多功能部件的测试往往成为测试的难点，并且产品的体积大,重量中,可靠性不高。产品加工的容差分析不足也使得产品报废率很高。
[0072]本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点:本发明所提出的太赫兹波段接收前端的集成化设计方法采用级联各个部件全场仿真的散射矩阵文件最终得到整个接收前端的仿真结果的方法，使得仿真结果可信度高，通过巧妙设计耦合器件使集成化接收前端中的各个部件的性能可以得到监测，每个部件无需调试。
[0073]本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【权利要求】
1.一种太赫兹接收前端，其特征在于包括正交模耦合器011'、两个波导-微带转换、两个低噪声放大器、两个带通滤波器、两个混频器、本振10、倍频器和功分器； 所述波导-微带转换由波导腔体和石英衬底微带线组成，带通滤波器为波导膜片式滤波器； 正交模耦合器011将输入到其中的外部太赫兹频段的电磁波信号分成两路，第一路信号经过第一波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第一低噪声放大器被第一低噪声放大器放大之后进入第一带通滤波器，滤除杂波后进入第一混频器的射频信号输入口； 正交模耦合器011输出的第二路信号经过第二波导-微带转换，将波导中传输的信号转换到微带，并输出给第二低噪声放大器1^八，被第二低噪声放大器放大之后进入第二带通滤波器，滤除杂波后进入第二混频器的射频信号输入口 ；本振⑷的输出经过倍频器倍频后送入功分器分成两路，一路进入第一混频器的本振信号输入口，另一路进入第二混频器的本振信号输入口，第一混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号，第二混频器将输入到其中的两路输入信号相减之后输出得到中频信号； 所述正交模耦合器011'、波导-微带转换和低噪声放大器形成一个一体成型组合体，混频器和功分器形成一个一体成型组合体，本振10和倍频器形成一个一体成型组合体。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹接收前端，其特征在于:所述低噪声放大器IX八包括丽X芯片、电容?04 ；波导-微带转换的输出信号从丽X芯片的输入端进入，放大后从输出端输出，丽…芯片的第一个供电引脚通过并联在一起的电容和电容03接地，1110芯片的第二个供电引脚通过并联在一起的电容02和电容04接地。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹接收前端，其特征在于:所述混频器包括射频匹配电路、反向并联管对、本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器； 经过带通滤波器滤除杂波的射频信号即通过射频匹配电路进入反向并联管对的一端，本振信号⑷依次经过本振中频双工器、本振低通滤波器和本振匹配电路后进入反向并联管对的另一端，反向并联管对输出的中频信号依次经过本振匹配电路、本振低通滤波器、本振中频双工器和中频低通滤波器输出。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹接收前端，其特征在于:所述倍频器包括匹配电路和二极管阵列；本振10的输出进入匹配电路进行阻抗匹配，匹配电路的输出进入二极管阵列进行倍频放大，二极管阵列输出倍频信号。
5.一种权利要求1所述太赫兹接收前端的实现方法，其特征在于步骤如下: (1)在册33中建立正交模耦合器011、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的模型，在八03或者丽0中建立倍频器、低噪声放大器[嫩和混频器的模型，并进行电磁仿真，设置优化目标为驻波在频段为148(--?152(--之间范围内低于-15(18，最终得到各部件的散射矩阵文件； (2)根据信号流向，在？如-2或者3011如01^8中将各个部件组装到一起； (3)将整个接收前端分解为四个功能模块，第一模块为正交模耦合器、波导-微带转换和低噪声放大器形成的组合体，第二模块为带通滤波器，第三模块为混频器和功分器形成的组合体，第四模块为本振和倍频器； (4)对上述四个模块在(:31软件中分别建模，并进行本征模分析，通过调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得各模块的谐振频率在146(--?154(--范围之外； (5)将第一步中各个部件经过电磁仿真得到的散射矩阵文件按照信号流向的关系级联，在丽0中调整部件之间连接的波导尺寸； (6)通过滤波器设计中的协同仿真方法，对影响传输特性的元器件的值以及部件的尺寸参数进行优化，使得模块的传输特性在频段148(--?152(--之间满足驻波低于-20(18的要求，从而得到模块的散射矩阵文件； (7)将步骤￠)中得到的各模块的散射矩阵文件级联，仿真整个接收前端的性能，调整模块之间的输入输出波导尺寸，使得接收前端的传输特性在148(--?152(--范围内满足驻波低于-20(18的要求； (8)再次对四个模块和整个接收前端分别进行本征模分析，通过调整模块之间的连接尺寸，使得各模块腔体的谐振频率在146(--?154(--之外； (9)针对四个模块内部中的各个功能部件，分别设计与其相匹配的耦合器件，将电磁波信号从需要的位置耦合出来，耦合器件的设计目标为耦合度-20(18、输入输出驻波优于-20(18 ；接下来对连接了耦合器件的模块进行本征模分析，使得各模块腔体的谐振频率在146诎2?154诎2之外； (10)在册33中对四个模块中的各个部件的物理尺寸进行灵敏度分析，得到加工的关键尺寸； (11)对四个模块分别进行整体加工制造，同时加工配套的耦合器件； (12)利用配套的耦合器件对加工出来的四个模块进行电性能测试，筛选出满足要求的合格产品； (13)将筛选出的合格的四个模块进行组装，从而实现了集成化的太赫兹接收前端。
6.根据权利要求5所述的一种太赫兹接收前端的实现方法，其特征在于:步骤(6)中所述影响传输特性的元器件包括低噪声放大器中的电感和电阻以及混频器中的电感和电阻；所述部件的尺寸参数包括正交模耦合器011、波导-微带转换、带通滤波器和功分器的输入输出长度及I禹合尺寸。
【文档编号】H04B1/26GK104378131SQ201410603786
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】徐辉, 李欣, 张晓阳, 李正纲, 禹旭敏 申请人:西安空间无线电技术研究所