基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置

摘要

本发明涉及基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，适用于太赫兹低频段，属于太赫兹技术领域。主要包括天线和混频器芯片、基座和背板；天线包括基于体硅MEMS的H面喇叭天线和平面渐变对跖开槽天线（简称ALTSA）；混频器芯片为超外差式检测器，包括室温肖特基二极管混频器、超导隧道结混频器、热电子测热电阻混频器；基座外部预留与芯片、中频端等物理配合的位置；背板同样预留与芯片、中频端等物理配合的空间；本发明采用体硅MEMS工艺加工天线，既满足太赫兹器件的加工精度，又便于加工制造、批量生产，易于组阵。采用天线、混频器、偏置电路等集成装配的方法，提高器件微组装的成功率和整体接收装置的集成度，具有体积小、重量轻、成本低的优点。

权利要求

1.基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，其特征在于：包括天线和混频器芯片、基座和背板；天线包括基于体硅MEMS的H面喇叭天线和平面渐变对跖开槽天线；

混频器芯片为超外差式检测器，包括室温肖特基二极管混频器、超导隧道结混频器、热电子测热电阻混频器；混频器芯片通过混频器与波导的连接孔固定在天线波导末端；背板为矩形金属块，材料为铜；从矩形金属块长边出发，沿着与宽边平行的方向，开设偏置电路芯片槽；在矩形金属块另一长边开设半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽位置对应，但不连通；在半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽之间的金属壁顶部开设一个混频器芯片槽；

在矩形金属块任意宽边开设一个半圆柱形凹槽；基座由两部分组成，分别为左基座与右基座；左基座为L形金属块，在其中任意一个内表面的中间位置留有放置偏置电路的凹槽，此凹槽的位置与形状都跟背板的偏置电路芯片槽相对应；与放置偏置电路的凹槽平行的宽边处开设一个四分之一圆柱形凹槽，在另外一个内表面上留有直流连接端口和中频连接端口，偏置电路通过直流连接端口和中频连接端口与外部的直流源与中频输出相连接；右基座为矩形金属块，在矩形金属块不平行的两个侧面开设凹槽，宽边处开设四分之一圆柱形凹槽，长边处开设半圆柱形凹槽，与半圆柱形凹槽对应的长边处开有天线夹片槽；背板、左基座与右基座组合后，背板长边处的半圆柱形凹槽与右基座的半圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁，背板宽边处的半圆柱形凹槽与左基座、右基座的四分之一圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁，永久磁铁用于提供混频器正常工作所需的稳定磁场；各装置之间通过螺钉或销钉固定。

2.如权利要求1所述的基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，其特征在于：集成装配过程为：偏置电路板通过导电胶固定在基座对应的位置上，外接直流源通过直流连接端口导线与偏置电路接口焊锡固定，中频电路通过中频连接端口同轴接头与偏置电路对应接口焊锡固定；基于体硅MEMS的天线通过安装定位槽的配合放置于基座的夹片槽内，基座由两部分通过销钉定位，螺钉紧固从而固定好天线；然后在显微镜下将混频器芯片透过与波导的连接孔置于混频器芯片槽，轻压并调整位置，使芯片与芯片槽边平行；在混频器周围加少许热熔蜡加热冷却后进行固定；混频器芯片两端通过超声波点焊实现接地及与中频微带线的连接。

说明书

基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，适用于太赫兹低频段，属于太赫兹技术领域。

背景技术

[0002] 随着太赫兹源和太赫兹波检测技术的发展，在近十年内太赫兹技术快速发展。太赫兹波段介于微波和红外光之间，又称远红外线（光谱学）和亚毫米波（电子学）。太赫兹波具有瞬态性、相干性、带宽宽、光子能量低、对非金属非极性材料穿透性强等独特性质，在成像、检测、通信、射电天文等方面具有广泛应用前景。在太赫兹成像方面，不同的成像系统采用不同的成像体制，包括机械扫描加旋转镜、频扫天线加反射器、相控阵天线、二维阵列扫描、焦平面阵列等等。焦平面阵列系统由于采用用多通道提高数据率和成像速度，有利于实时成像增加系统可用性，成为研究的热点。它具有其结构相对紧凑、成像算法简单及器件发展相对成熟等优势。

[0003] 然而在太赫兹波段，电磁波波长很短，器件绝对尺寸小，受限于材料特性和制备工艺，太赫兹前端接收装置的加工和封装以及读出电路存在困难。现有的结构形式存在加工困难、集成度不足、体积笨重、成本昂贵的缺点。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中的太赫兹前端接收装置不易加工、集成度不足、体积大、成本高的问题，提供了一种基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

[0006] 本发明的基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，主要包括天线和混频器芯片、基座和背板；天线包括基于体硅MEMS的H面喇叭天线和平面渐变对跖开槽天线（简称ALTSA）；混频器芯片为超外差式检测器，包括室温肖特基二极管混频器、超导隧道结混频器、热电子测热电阻混频器；基座外部预留与芯片、中频端等物理配合的位置；背板同样预留与芯片、中频端等物理配合的空间；

[0007] 连接关系：

[0008] 混频器芯片通过混频器与波导的连接孔固定在天线波导末端；

[0009] 背板为矩形金属块；材料为铜；从矩形金属盒长边出发，沿着与宽边平行的方向，开设偏置电路芯片槽；在矩形金属块另一长边开设半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽位置对应，但不连通；在半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽之间的金属壁顶部开设一个混频器芯片槽；在矩形金属块任意宽边开设一个半圆柱形凹槽；

[0010] 基座由两部分组成，分别为左基座与右基座；左基座为L形金属块，在其中任意一个内表面的中间位置留有放置偏置电路的槽，此凹槽的位置与形状都跟背板的偏置电路芯片槽相对应；与放置中频电路的槽平行的宽边处开设一个四分之一圆柱形凹槽；在另外一个内表面上留有直流连接端口和中频连接端口，偏置电路通过直流连接端口和中频连接端口与外部的直流源与中频输出相连接；右基座为矩形金属块，在矩形金属块不平行的两个侧面开设凹槽，宽边处开设四分之一圆柱形凹槽，长边处开设半圆柱形凹槽；与半圆柱形凹槽对应的长边处开有天线夹片槽；

[0011] 背板、左基座与右基座组合后，背板长边处的半圆柱形凹槽与右基座的半圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁；背板宽边处的半圆柱形凹槽与左基座、右基座的四分之一圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁；永久磁铁用于提供混频器正常工作所需的稳定磁场；各装置之间通过螺钉或销钉固定；

[0012] 集成装配过程：

[0013] 偏置电路板通过导电胶固定在基座对应的位置上，外接直流源通过直流连接端口导线与偏置电路接口焊锡固定，中频电路通过中频连接端口同轴接头与偏置电路对应接口焊锡固定。基于体硅MEMS的天线通过安装定位槽的配合放置于基座的夹片槽内，基座由两部分通过销钉定位，螺钉紧固从而固定好天线。然后在显微镜下将混频器透过与波导的连接孔置于混频器芯片槽，轻压并调整位置，使芯片与芯片槽边平行；在混频器周围加少许热熔蜡加热冷却后进行固定。混频器芯片两端通过超声波点焊实现接地及与中频微带线的连接。

[0014] 有益效果

[0015] 1、本发明的基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，在太赫兹前端接收装置中，采用体硅MEMS工艺加工天线，既满足太赫兹器件的加工精度，又便于加工制造、批量生产，大大降低天线加工成本，易于组阵。在此基础上采用天线、混频器、偏置电路等集成装配的方法，提高器件微组装的成功率和整体接收装置的集成度，具有体积小、重量轻、成本低的优点。这种太赫兹接收装置前端集成方法在采用目前波导型超导隧道结混频器的基础上保证了良好的噪声性能。

[0016] 2、本发明的基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置中太赫兹接收装置结构紧凑、容易加工制作、可实现性强，可应用于安全检测、产品质量检测、射电天文等领域。

附图说明

[0017] 图1是太赫兹前端集成接收装置示意框图；

[0018] 图2是太赫兹前端集成接收装置的爆炸结构示意图；

[0019] 图3是太赫兹前端集成接收装置H面喇叭天线的立体示意图；

[0020] 图4是太赫兹前端集成接收装置平面ALTSA天线的立体示意图；

[0021] 图5是太赫兹前端集成接收装置基座的爆炸结构示意图；

[0022] 图6是太赫兹前端集成接收装置背板的爆炸结构示意图；

[0023] 图中：1-天线和混频器芯片、2-基座、3-背板、4-天线、5-混频器、6-安装定位槽、7-混频器与波导的连接孔、8-偏置电路、9-磁铁、10-直流连接端口、11-中频连接端口、
12-混频器芯片槽、13-偏置电路芯片槽。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 基于体硅MEMS工艺天线的太赫兹前端集成接收装置，主要包括天线和混频器芯片、基座和背板；天线为H面喇叭天线和平面ALTSA天线中波导采用WR1.9(483um×241um)或WR2.2(559um×279um)VDI标准波导，由两个厚度均为400um的硅片键合而成。

[0027] 混频器芯片为超外差式检测器，包括室温肖特基二极管混频器、超导隧道结混频器、热电子测热电阻混频器；基座外部预留与芯片、中频端等物理配合的位置；背板同样预留与芯片、中频端等物理配合的空间；

[0028] 连接关系：

[0029] 混频器芯片通过混频器与波导的连接孔固定在天线波导末端；

[0030] 背板为矩形金属块；材料为铜；从矩形金属盒长边出发，沿着与宽边平行的方向，开设偏置电路芯片槽；在矩形金属块另一长边开设半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽位置对应，但不连通；在半圆柱形凹槽与偏置电路芯片槽之间的金属壁顶部开设一个混频器芯片槽；在矩形金属块任意宽边开设一个半圆柱形凹槽；

[0031] 基座由两部分组成，分别为左基座与右基座；左基座为L形金属块，在其中任意一个内表面的中间位置留有放置偏置电路的槽，此凹槽的位置与形状都跟背板的偏置电路芯片槽相对应；与放置中频电路的槽平行的宽边处开设一个四分之一圆柱形凹槽；在另外一个内表面上留有直流连接端口和中频连接端口，偏置电路通过直流连接端口和中频连接端口与外部的直流源与中频输出相连接；

[0032] 右基座为矩形金属块，在矩形金属块不平行的两个侧面开设凹槽，宽边处开设四分之一圆柱形凹槽，长边处开设半圆柱形凹槽；与半圆柱形凹槽对应的长边处开有天线夹片槽；

[0033] 背板、左基座与右基座组合后，背板长边处的半圆柱形凹槽与右基座的半圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁；背板宽边处的半圆柱形凹槽与左基座、右基座的四分之一圆柱形凹槽组合用于放置永久磁铁；永久磁铁用于提供混频器正常工作所需的稳定磁场；各装置之间通过螺钉或销钉固定；

[0034] 集成装配过程：

[0035] 偏置电路板通过导电胶固定在基座对应的位置上，外接直流源通过直流连接端口导线与偏置电路接口焊锡固定，中频电路通过中频连接端口同轴接头与偏置电路对应接口焊锡固定。基于体硅MEMS的天线通过安装定位槽的配合放置于基座的夹片槽内，基座由两部分通过销钉定位，螺钉紧固从而固定好天线。然后在显微镜下将混频器透过与波导的连接孔置于混频器芯片槽，轻压并调整位置，使芯片与芯片槽边平行；在混频器周围加少许热熔蜡加热冷却后进行固定。混频器芯片两端通过超声波点焊实现接地及与中频微带线的连接。

[0036] 工作过程：

[0037] 待检测的太赫兹信号和本振信号（本振信号由本振信号源提供）经波束分离器后通过本发明的太赫兹前端集成接收装置检测，首先信号被天线接收进入到混频器，混频后的中频信号由太赫兹前端集成接收装置输出后通过一个低噪声放大器放大，然后输出到中频链进行放大、滤波后由检波器读出。在测试实验中整个太赫兹前端集成接收装置放置于制冷机制冷的超低温环境（10K以下）中。实际测试得到混频器低温I-V曲线与设计相符合，射频噪声温度小于200K。另一方面，对基于MEMS工艺的天线进行间接验证，测试天线表面的粗糙度所使用的仪器为WYKO-NY1100型光学轮廓仪，该测试仪器视场2.4×1.8mm，精度为埃米级别。加工样条12×7mm，厚度为800μm，在测试仪器的视场中分时选取天线的部分区域进行测试。测试得到天线刻蚀的槽底粗糙度Ra=15.35nm，划片截面粗糙度Ra=312.05nm。

[0038] 由此可见，采用天线、混频器、偏置电路等集成装配的方法，提高器件微组装的成功率和整体接收装置的集成度，整个太赫兹前端集成接收装置能够有效接收太赫兹信号，保证了良好的噪声性能。测试天线的粗糙度满足太赫兹器件的加工精度。

[0039] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。