一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机

摘要

本发明属于主动成像收发机的技术领域，尤其涉及一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机，该收发机包括：片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器，功率检测器，可编程增益放大器，斩波器，低通滤波器；片上天线模块的TX端和信号发生器的TX端相连，片上天线模块的RX端和功率检测器的输入端相连，功率检测器的输出端和可编程增益放大器的输入端相连，可编程增益放大器的输出端和斩波器的第一输入端相连，斩波器的输出端和低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端通过片上管脚DC_OUT连接到片外输出，斩波器的第二输入端和信号发生器的输入端相连，并通过片上管脚VCHOP连接到片外。

权利要求

1.一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机，其特征在于，所述收发机包括：片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器模块，功率检测器模块，可编程增益放大器模块，斩波器模块，低通滤波器模块；

所述片上天线模块的TX_PORT端和所述两倍频输出信号的信号发生器模块的TX_PORT端相连，所述片上天线模块的RX_PORT端和所述功率检测器模块的输入端相连，所述功率检测器模块的输出端和所述可编程增益放大器模块的输入端相连，所述可编程增益放大器模块的输出端和所述斩波器模块的第一输入端相连，所述斩波器模块的输出端和低通滤波器模块的输入端相连，所述低通滤波器模块的输出端通过片上管脚DC_OUT连接到片外输出，所述斩波器模块的第二输入端和所述两倍频输出信号的信号发生器模块的输入端相连，并通过片上管脚VCHOP连接到片外。

2.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述片上天线模块采用折叠漏波天线结构；天线信号线由片上顶层金属构成，天线地平面由底层金属构成。

3.根据权利要求2所述的收发机，其特征在于，所述折叠漏波天线有两个端口，两个所述端口分别连到所述TX_PORT端和所述RX_PORT端。

4.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述片上天线模块包括：第一传输线，第二传输线，第三传输线，第一漏波天线，第二漏波天线，第一电容，第二电容，第三电容，第四电容；

其中，所述第一漏波天线和所述第二漏波天线结构对称，所述第一传输线用于连接所述第一漏波天线和所述第二漏波天线；所述第二传输线、第一电容和第二电容用于将所述第一漏波天线的阻抗匹配到50欧姆；所述第三传输线、第三电容和第四电容用于将所述第二漏波天线的阻抗匹配到50欧姆。

5.根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述两倍频输出信号的信号发生器模块包括：第四传输线，第五传输线，第六传输线，第七传输线，第八传输线，第九传输线，第十传输线，第五电容，第六电容，第七电容，第一NMOS管，第二NMOS管，第一电阻，第二电阻，第一容抗二极管，第二容抗二极管；

第一电阻与第六电容串联，再与第五电容并联，构成无源RC网络；所述无源RC网络的一端与端口VDD连接，另一端接地；第四传输线与连接节点A和端口VDD连接，第七电容与节点A和TX_PORT端连接；

第五传输线与节点A和第一NMOS管的D极连接，第七传输线与第一NMOS管的S极和接地点连接，第九传输线与第一NMOS管的G极和第二电阻连接，第一容抗二极管与第一NMOS管的S极和第二容抗二极管连接；第五传输线与第六传输线、第七传输线与第八传输线、第九传输线与第十传输线、第一NMOS管与第二NMOS管、第一容抗二极管与第二容抗二极管对称布置，第二电阻一端连接第九传输线和第十传输线，另一端连接所述管脚VCHOP；第五传输线，第六传输线，第七传输线，第八传输线，第九传输线，第十传输线，第一NMOS管，第二NMOS管，第二电阻，第一容抗二极管，第二容抗二极管共同构成震荡频率为f0的差分考毕兹振荡器。

6.根据权利要求5所述的收发机，其特征在于，通过改变所述第一容抗二极管和所述第二容抗二极管的电容值控制振荡器的振荡频率；所述差分考毕兹振荡器产生频率为f0的震荡信号的同时会产生频率为2倍f0的震荡信号2f0，所述震荡信号2f0在所述节点A从考毕兹振荡器输出，经过所述第七电容在发射机的所述TX_PORT端输出。

7.根据权利要求6所述的收发机，其特征在于，端口VDD提供的直流电源电压经过所述第四传输线从节点A给所述差分考毕兹振荡器供电；所述无源RC网络用于耦合端口VDD上的电源噪声。

说明书

一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机

技术领域

[0001] 本发明属于主动成像收发机的技术领域，尤其涉及一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机。

背景技术

[0002] 太赫兹频段为0.1THz～10THz，其波长在3um～300um的范围内。由于其波长的特殊性，太赫兹频段具有独特的性质：与红外直至可见光频段相比，太赫兹电磁波在烟、雾、云、沙尘暴等环境中衰减非常小。因此在许多红外和可见光成像设备不能正常工作的场景下，太赫兹电磁波依然可以正常工作，从而可以大大提高太赫兹电磁波成像设备对复杂环境的适应性；与毫米波微波相比，太赫兹电磁波的波长较短，因此成像精度更高，成像设备体积更小。由于太赫兹电磁波的这些特性，其在成像应用方面有着较大的优势。

[0003] 可见光、射线、电子束、中红外、近红外和超声波是在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中广泛应用的主要成像信号源。与以上的光源相比，太赫兹电磁波对于某些电介质材料具有很强的穿透效果。除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外，还可以通过相位测量得到折射率的空间分布。从而获得与材料相关的更多信息,这是太赫兹时域光谱的独特优点。太赫兹电磁波的光子能量极低(1THz约4.1meV)，没有X射线的电离性质(光子能量在KeV量级)，不会对材料造成破坏。太赫兹电磁波可以穿过衣服和皮肤，透视整个人体，但是它不会像X射线一样对人体构成伤害。利用太赫兹电磁波可以检查机场通关的旅客与行李，检查邮件中是否藏有毒品、炭疽热粉或炸弹等违禁物品。太赫兹成像的非破坏性和非接触性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值。例如透过艺术品的表面对内部可视化，无需接触或破坏易损的纸张而确定书籍的内容等。另外，对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探测等，太赫兹成像都是极有前途的技术。

[0004] 目前已有的太赫兹成像系统，均采用传统光电方法实现，其体积较大以及价格昂贵，限制了太赫兹成像设备的广泛使用。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机。

[0006] 一种集成片上天线的太赫兹主动成像收发机，所述收发机包括：片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器模块，功率检测器模块，可编程增益放大器模块，斩波器模块，低通滤波器模块；

[0007] 所述片上天线模块的TX_PORT端和所述两倍频输出信号的信号发生器模块的TX_PORT端相连，所述片上天线模块的RX_PORT端和所述功率检测器模块的输入端相连，所述功率检测器模块的输出端和所述可编程增益放大器模块的输入端相连，所述可编程增益放大器模块的输出端和所述斩波器模块的第一输入端相连，所述斩波器模块的输出端和低通滤波器模块的输入端相连，所述低通滤波器模块的输出端通过片上管脚DC_OUT连接到片外输出，所述斩波器模块的第二输入端和所述两倍频输出信号的信号发生器模块的输入端相连，并通过片上管脚VCHOP连接到片外。

[0008] 所述片上天线模块采用折叠漏波天线结构；天线信号线由片上顶层金属构成，天线地平面由底层金属构成。

[0009] 所述折叠漏波天线有两个端口，两个所述端口分别连到所述TX_PORT端和所述RX_PORT端。

[0010] 所述片上天线模块包括：第一传输线，第二传输线，第三传输线，第一漏波天线，第二漏波天线，第一电容，第二电容，第三电容，第四电容；

[0011] 其中，所述第一漏波天线和所述第二漏波天线结构对称，所述第一传输线用于连接所述第一漏波天线和所述第二漏波天线；所述第二传输线、第一电容和第二电容用于将所述第一漏波天线的阻抗匹配到50欧姆；所述第三传输线、第三电容和第四电容用于将所述第二漏波天线的阻抗匹配到50欧姆。

[0012] 所述两倍频输出信号的信号发生器模块包括：第四传输线，第五传输线，第六传输线，第七传输线，第八传输线，第九传输线，第十传输线，第五电容，第六电容，第七电容，第一NMOS管，第二NMOS管，第一电阻，第二电阻，第一容抗二极管，第二容抗二极管；

[0013] 第一电阻与第六电容串联，再与第五电容并联，构成无源RC网络；所述无源RC网络的一端与端口VDD连接，另一端接地；第四传输线与连接节点A和端口VDD连接，第七电容与节点A和TX_PORT端连接；

[0014] 第五传输线与节点A和第一NMOS管的D极连接，第七传输线与第一NMOS管的S极和接地点连接，第九传输线与第一NMOS管的G极和第二电阻连接，第一容抗二极管与第一NMOS管的S极和第二容抗二极管连接；第五传输线与第六传输线、第七传输线与第八传输线、第九传输线与第十传输线、第一NMOS管与第二NMOS管、第一容抗二极管与第二容抗二极管对称布置，第二电阻一端连接第九传输线和第十传输线，另一端连接所述管脚VCHOP；第五传输线，第六传输线，第七传输线，第八传输线，第九传输线，第十传输线，第一NMOS管，第二NMOS管，第二电阻，第一容抗二极管，第二容抗二极管共同构成震荡频率为f0的差分考毕兹振荡器。

[0015] 通过改变所述第一容抗二极管和所述第二容抗二极管的电容值控制振荡器的振荡频率；所述差分考毕兹振荡器产生频率为f0的震荡信号的同时会产生频率为2倍f0的震荡信号2f0，所述震荡信号2f0在所述节点A从考毕兹振荡器输出，经过所述第七电容在发射机的所述TX_PORT端输出。

[0016] 端口VDD提供的直流电源电压经过所述第四传输线从节点A给所述差分考毕兹振荡器供电；所述无源RC网络用于耦合端口VDD上的电源噪声。

[0017] 本发明的有益效果在于：

[0018] 本发明提出了一种采用单芯片集成电路技术实现的太赫兹主动成像系统，此系统单片集成了发射机和接收机，发射机和接收机共用一个片上天线，节约了芯片面积。该系统可在发射和接收模式下进行切换，可适用于透射式成像和反射式成像应用。同时该系统采用幅度(AM)调制和解调方式，有效提高了系统的灵敏度。该系统具有低功耗，小尺寸，低成本的优势，可以作为民用太赫兹成像设备被推广使用。

附图说明

[0019] 图1是集成片上天线的太赫兹主动成像收发机系统的结构图。

[0020] 图2是主动成像收发机系统成像原理示意图。

[0021] 图3是两倍频输出信号的信号发生器模块示意图。

[0022] 图4是片上天线模块示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图，对实施例作详细说明。

[0024] 实施例1

[0025] 本实施例提出一种单片集成天线，接收机以及发射机的太赫兹主动成像系统，如图1所示，包括：片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器(Push-Push VCO)模块，功率检测器(DET)模块，可编程增益放大器(PGA)模块，斩波器(Chopper)模块，低通滤波器(LPF)模块。所述片上天线模块的TX_PORT端和所述Push-Push VCO模块的TX_PORT端相连，所述片上天线模块的RX_PORT端和所述DET模块的输入端相连，所述DET模块的输出端和所述PGA模块的输入端相连，所述PGA模块的输出端和所述Chopper模块的第一输入端相连，所述Chopper模块的输出端和LPF模块的输入端相连，所述LFP模块的输出端通过片上管脚DC_OUT连接到片外输出，所述Chopper模块的第二输入端和所述Push-Push VCO模块的输入端相连，并通过片上管脚VCHOP连接到片外。其中：

[0026] 片上天线模块，采用折叠漏波天线结构。天线信号线由片上顶层金属构成，天线地平面由底层金属构成。如图4所示，折叠漏波天线共有两个端口，这两个端口分别连到发射机射频信号端口(TX_PORT)和接收机射频信号端口(RX_PORT)。包括：第一传输线(TL1)，第二传输线(TL2)，第三传输线(TL3)，第一漏波天线(ANT1)，第二漏波天线(ANT2)，第一电容(C1)，第二电容(C2)，第三电容(C3)，第四电容(C4)。其中，第一漏波天线和第二漏波天线结构对称，第一传输线用于连接第一漏波天线和第二漏波天线，第二传输线、第一电容和第二电容用于将第一漏波天线的阻抗匹配到50欧姆，第三传输线、第三电容和第四电容用于将第二漏波天线的阻抗匹配到50欧姆。

[0027] 两倍频输出信号的信号发生器模块，以下简称Push-Push VCO，如图3所示，包括：第四传输线(TL4)，第五传输线(TL5)，第六传输线(TL6)，第七传输线(TL7)，第八传输线(TL8)，第九传输线(TL9)，第十传输线(TL10)，第五电容(C5)，第六电容(C6)，第七电容(C7)，第一NMOS管(M1)，第二NMOS管(M2)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第一容抗二极管(VAR1)，第二容抗二极管(VAR2)。其中，第五传输线(TL5)，第六传输线(TL6)，第七传输线(TL7)，第八传输线(TL8)，第九传输线(TL9)，第十传输线(TL10)，第一NMOS管(M1)，第二NMOS管(M2)，第一容抗二极管(VAR1)，第二容抗二极管(VAR2)以及第二电阻(R2)构成了一个震荡频率为f0的差分考毕兹振荡器，通过改变第一容抗二极管(VAR1)和第二容抗二极管(VAR2)的电容值可以有效的控制振荡器的振荡频率。该差分考毕兹振荡器不仅会产生频率为f0的震荡信号，同时会产生频率为2倍f0的震荡信号2f0，震荡信号2f0在节点A从考毕兹振荡器输出，经过第七电容(C7)在发射机射频信号端口(TX_PORT)输出。端口VDD提供直流电源电压经过第四传输线(TL4)从节点A给差分考毕兹振荡器供电。第一电阻(R1)，第五电容(C5)，第六电容(C6)构成的无源RC网络用于耦合端口VDD上的电源噪声。

[0028] 实施例2

[0029] 在图1中给出了此主动成像单片收发机系统的一个实施例。该实施例由片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器模块，功率检测器模块，可编程增益放大器模块，斩波器模块，低通滤波器模块组成。该实施例共具有两个工作模式，分别为发射模式和接收模式。当该实施例处于发射模式下，只有片上天线模块，两倍频输出信号的信号发生器模块参与工作。具体工作过程可描述如下：方波信号通过管脚VCHOP从芯片外输入到芯片上，该方波信号控制两倍频输出信号的信号发生器模块的工作状态，当方波信号处于低电位时，两倍频输出信号的信号发生器模块停止工作，不向片上天线模块输出功率，当方波信号处于高电位时，两倍频输出信号的信号发生器模块开始工作，向片上天线模块输出功率，因此当用该方波信号控制两倍频输出信号的信号发生器模块时，两倍频输出信号的信号发生器模块可以对片上天线模块输出幅度调制的载波信号，片上天线模块将该幅度调制的载波信号辐射出去。上述即为该实施例的发射模式。当该实施例处于接收模式下，只有片上天线模块，功率检测器模块，可编程增益放大器模块，斩波器模块，低通滤波器模块参与工作。具体工作过程可描述如下：空间中的幅度调制的载波信号被片上天线模块接收并输出给功率检测器模块，功率检测器模块将该幅度调制的载波信号解调，得到解调信号并输出给可编程增益放大器模块，可编程增益放大器模块将解调信号进行放大并将放大后的解调信号输出给斩波器模块，斩波器模块将该解调信号进一步解调为直流信号，该直流信号的值与解调信号的幅度成正比，该直流信号进过低通滤波器模块的进一步滤波后从管脚DC_OUT输出到片外。上述即为该实施例的接收模式。

[0030] 本主动成像单片收发机系统的成像原理解释如下：

[0031] 在图2中给出了此主动成像收发机系统的成像原理示意图。该成像过程需要两个主动成像单片收发机系统实现，两个主动成像单片收发机系统分别处于发射模式和接收模式。其中，处于发射模式的主动成像单片收发机系统向外辐射幅度调制的电磁波，经过衰减PL被处于接收模式的主动成像单片收发机接收。衰减PL由两部分构成，分别为电磁波在空间中的传播衰减PL1以及电磁波穿过成像目标的透射衰减PL2。其中电磁波在空间中的传播衰减PL1可表示为：

[0032]

[0033] 其中，λ表示载波频率对应的波长，R表示处于发射模式的主动成像单片收发机系统和处于接收模式的主动成像单片收发机系统之间的距离。该成像系统的功能是分辨出成像目标的透射衰减PL2的值，透射衰减PL2可表示为：

[0034] PL2＝Pt-PL1-Pr+2GANT

[0035] 其中，Pt表示处于发射模式的主动成像单片收发机系统的输出功率，Pr表示处于接收模式的主动成像单片收发机系统的接收功率，GANT表示片天天线模块的增益。对透射衰减PL2的分辨精度ΔPL2可表示为：

[0036]

[0037] 其中，k为开尔文常数，T表示温度，F表示处于接收模式的主动成像单片收发机系统的噪声系数，BLPF表示低通滤波器模块的带宽，Rv表示处于接收模式的主动成像单片收发机系统的功率到电压的转化增益。

[0038] 本发明的集成片上天线的太赫兹主动成像收发机系统，其优点第一在于单片同时集成了接收机和发射机，并且接收机和发射机共用一个片上天线，系统的尺寸小而且成本低，其优点第二在于采用无源倍频的电路结构，有效的提高了电路的工作频率，使电路的工作频率可以在晶体管的截止频率以上，其优点第三在于将发射机的斩波器模块合并到两倍频输出信号的信号发生器模块中，提高了发射机的输出功率，提高了该主动成像系统的有效工作距离。

[0039] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。