本發(fā)明屬于測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種立體集成太赫茲接收前端裝置。

背景技術(shù)：

1、三維集成技術(shù)的發(fā)展源于芯片堆疊技術(shù)，隨著各領(lǐng)域的滲入不斷賦予新的理念，實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)及系統(tǒng)級(jí)三維集成成為無線通信、雷達(dá)、成像等應(yīng)用領(lǐng)域共同追求的目標(biāo)。在太赫茲頻段，由于頻率高、傳輸線種類受限，加工精度要求很高，受限于微機(jī)械加工工藝發(fā)展水平，目前可行的方案仍然基于混合集成的方式。美國(guó)率先進(jìn)行了三維集成太赫茲前端研制并成功應(yīng)用于深空探測(cè)、人體安檢等領(lǐng)域，提出了一種三維堆疊的設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用硅基集成設(shè)計(jì)了針對(duì)太赫茲窄頻帶的成像收發(fā)前端陣列，驗(yàn)證了該方法的可行性和實(shí)用性。國(guó)內(nèi)在太赫茲三維集成方面的研究相對(duì)滯后，未見能實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)甚至系統(tǒng)級(jí)三維集成的研究報(bào)道。太赫茲前端仍采用分離組裝級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，適用于通用測(cè)試儀器開發(fā)，或基于單點(diǎn)或小型陣列掃描的測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)，體積大、成本高、調(diào)試?yán)щy，難以滿足高集成、大型陣列測(cè)試系統(tǒng)需求。

2、太赫茲收發(fā)前端的體積是制約太赫茲測(cè)試儀器和太赫茲應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵因素之一。實(shí)現(xiàn)前端集成最理想的方式是單片集成，但是依賴于芯片工藝水平，目前單片集成只適用于微波毫米波頻段，且?guī)挕㈩l率等性能指標(biāo)均受限。針對(duì)太赫茲頻段，尤其寬頻帶，一般采用每個(gè)器件使用金屬腔體獨(dú)立封裝再組合拼接的設(shè)計(jì)，雖然單個(gè)器件易于開發(fā)設(shè)計(jì)且性能得到保證，但大大增加整體體積，且模塊和系統(tǒng)性能受裝配精度的影響，需要聯(lián)合裝調(diào)，集成度低、成本高。

3、一種已有的毫米波及太赫茲前端小型化技術(shù)方案“一種基于扼流環(huán)的可拆卸小型化發(fā)射前端”，該方案提出了一種基于扼流環(huán)的可拆卸小型化發(fā)射前端。小型化前級(jí)驅(qū)動(dòng)腔通過波導(dǎo)輸出，并在波導(dǎo)末端設(shè)置扼流環(huán)，可拆卸功能模塊的輸入波導(dǎo)前端和輸出波導(dǎo)末端均設(shè)置扼流環(huán)。該發(fā)明可實(shí)現(xiàn)發(fā)射前端的小型化，降低互連損耗，并根據(jù)需求使用不同的可拆卸功能模塊，用于集成太赫茲系統(tǒng)中便于替換已損壞或性能較差的器件。該發(fā)明適用于毫米波及太赫茲頻段，在一個(gè)金屬腔體上緊密排列倍頻、放大等功能電路，減小了發(fā)射前端整體體積。

4、現(xiàn)有技術(shù)基于機(jī)械加工工藝，受加工能力的限制，無法滿足太赫茲高頻段的復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)加工及裝配要求，只能采用傳統(tǒng)的波導(dǎo)分半形式對(duì)各個(gè)功能器件進(jìn)行封裝，限制了功能電路的三維空間布局和高度集成化，體積難以進(jìn)一步縮小，頻率難以進(jìn)一步提升。現(xiàn)有技術(shù)僅在可拆卸功能模塊的輸入波導(dǎo)前端和輸出波導(dǎo)末端均設(shè)置扼流環(huán)，其它模塊并未做扼流設(shè)計(jì)，仍需緊密的機(jī)械固定裝置?，F(xiàn)有技術(shù)電路形式仍然為一維或平面布局，沒有充分利用三維空間，因此集成化程度難以進(jìn)一步提高。現(xiàn)有技術(shù)為窄帶設(shè)計(jì)，工作頻帶220ghz-227ghz，帶寬約為3％，難以滿足寬頻帶應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種立體集成太赫茲接收前端裝置，設(shè)計(jì)合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好的效果。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種立體集成太赫茲接收前端裝置，采用一體化結(jié)構(gòu)，采用空間半包圍和硅片堆疊的形式進(jìn)行立體集成；

4、該裝置包括金屬腔體，金屬腔體包括金屬腔體蓋板和底部金屬腔體；金屬腔體蓋板和底部金屬腔體通過螺絲固定，通過銷釘對(duì)齊；

5、金屬腔體蓋板為頂層，金屬腔體蓋板采用太赫茲天線，被配置為用于接收太赫茲信號(hào)；

6、底部金屬腔體為底層，底部金屬腔體集成有芯片級(jí)聯(lián)電路，被配置為用于對(duì)微波毫米波信號(hào)進(jìn)行倍頻、放大、濾波處理，輸出本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)至下一級(jí)；

7、金屬腔體的中間層為石英基質(zhì)混頻及濾波微帶電路，被配置為用于對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行下混頻；

8、底部金屬腔體連接有兩個(gè)射頻接頭。

9、優(yōu)選地，金屬腔體為立方體結(jié)構(gòu)。

10、優(yōu)選地，采用兩層硅基腔體疊片對(duì)石英基質(zhì)混頻及濾波微帶電路進(jìn)行封裝。

11、優(yōu)選地，兩層硅基疊片分別為上層硅基疊片和下層硅基疊片。

12、優(yōu)選地，封裝的硅基腔體的上下內(nèi)表面均采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，使得波導(dǎo)分割后仍能保持電性能的完整性；硅基腔體的上下外表面分別刻蝕帶有周期方柱的間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)與天線和底部金屬腔體的波導(dǎo)耦合連接。

13、優(yōu)選地，芯片級(jí)聯(lián)電路包括兩個(gè)功分器和兩個(gè)并聯(lián)的倍頻放大芯片；兩個(gè)功分器分別為第一功分器和第二功分器；通過射頻接頭饋入射頻信號(hào)至第一功分器，然后通過兩個(gè)并聯(lián)的倍頻放大芯片實(shí)現(xiàn)功率合成，最后通過第二功分器合為一路，并通過波導(dǎo)-微帶耦合探針饋入到下層硅基疊片。

14、本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：

15、本發(fā)明基于三維集成設(shè)計(jì)方法，不同于傳統(tǒng)的分離組裝的設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用一體化設(shè)計(jì)方法，在單元立方塊內(nèi)集成倍頻器、放大器、濾波器、混頻器、天線等多個(gè)核心器件，基于三維堆疊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將以上功能器件分布于不同層級(jí)，采用波導(dǎo)-波導(dǎo)耦合、波導(dǎo)-探針耦合的非接觸連接方式實(shí)現(xiàn)多層電路的垂直互連；本發(fā)明所提出的立體集成太赫茲接收前端具有小尺寸、高集成、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，可以基于該接收單元進(jìn)行任意形式的二維面陣排布，拓展性強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，采用一體化結(jié)構(gòu)，采用空間半包圍和硅片堆疊的形式進(jìn)行立體集成；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，金屬腔體為立方體結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，采用兩層硅基腔體疊片對(duì)石英基質(zhì)混頻及濾波微帶電路進(jìn)行封裝。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，兩層硅基疊片分別為上層硅基疊片和下層硅基疊片。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，封裝的硅基腔體的上下內(nèi)表面均采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，使得波導(dǎo)分割后仍能保持電性能的完整性；硅基腔體的上下外表面分別刻蝕帶有周期方柱的間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)與天線和底部金屬腔體的波導(dǎo)耦合連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的立體集成太赫茲接收前端裝置，其特征在于，芯片級(jí)聯(lián)電路包括兩個(gè)功分器和兩個(gè)并聯(lián)的倍頻放大芯片；兩個(gè)功分器分別為第一功分器和第二功分器；通過射頻接頭饋入射頻信號(hào)至第一功分器，然后通過兩個(gè)并聯(lián)的倍頻放大芯片實(shí)現(xiàn)功率合成，最后通過第二功分器合為一路，并通過波導(dǎo)-微帶耦合探針饋入到下層硅基疊片。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種立體集成太赫茲接收前端裝置，屬于測(cè)試領(lǐng)域。本發(fā)明在立方塊內(nèi)采用混合集成的方式設(shè)計(jì)跨頻段多功能電路，按層級(jí)進(jìn)行空間布局，實(shí)現(xiàn)接收單元的高性能和小型化；提出一種基于間隙波導(dǎo)的疊片式太赫茲混頻器，采用帶有周期表面的波導(dǎo)腔體對(duì)非線性諧波混頻電路進(jìn)行疊片式封裝，并可與外圍電路進(jìn)行堆疊裝配及非接觸互連；提出了一種半封閉型封裝腔體，同時(shí)滿足太赫茲硅基電路的高精度裝配、毫米波驅(qū)動(dòng)電路裝配、中頻電路電連等不同頻段電路裝配需求。本發(fā)明采用一體化設(shè)計(jì)方法，采用波導(dǎo)?波導(dǎo)耦合、波導(dǎo)?探針耦合的非接觸連接方式實(shí)現(xiàn)多層電路的垂直互連；本發(fā)明可以基于該接收單元進(jìn)行任意形式的二維面陣排布，拓展性強(qiáng)。

技術(shù)研發(fā)人員：楊耀輝,楊錦鵬,張亭,劉亞靜,韓順利
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10