[发明专利]太赫兹混频天线和准光混频模块

说明书

技术领域

本领域涉及太赫兹波探测技术领域，特别是涉及一种太赫兹混频天线和准光混频模块。

背景技术

太赫兹是最后一段被开发的电磁频谱。太赫兹辐射的独特性能使得太赫兹成像技术成为当今研究热点之一。太赫兹探测器是太赫兹成像的关键部件之一，其核心是太赫兹天线与混频器。为了实现探测器的小型化，可以将天线与混频器集成起来，即混频天线，也称为太赫兹混频天线。

太赫兹混频天线是一种将天线耦合和频率变换结合在一起的器件，具有以下特点：易于加工与实现，必要时可以借助加工精度很高的半导体工艺与光学工艺；结构紧凑、体积小、质量轻；当大量生产时，成本低于波导基器件；由于在输入射频处采用了天线与非线性器件相结合的方法，从而避免了传输线损耗；平面结构，易于集成易于形成二维阵列，单元一致性好；相比于开放结构的混频器，稳定性好；频带宽，波导基器件的频带主要受限于波导主模的工作频率。

正是由于具有以上优点，太赫兹混频天线广泛应用于成像、射电天文、通信等领域。尤其是在焦平面成像领域，太赫兹混频天线是一种低成本、小体积、易于形成阵列的方案，因此具有广泛的应用前景，是太赫兹波探测装置方面的一个有效选择。

由于太赫兹仍是一个技术尚不成熟的领域，尤其是太赫兹源不易获取，因此，采用亚谐波混频形式是实现太赫兹信号相干检测的有效途径。即，射频信号频率f_RF，本振信号频率f_LO以及中频信号频率f_IF满足以下关系：

2n·f_LO±f_IF＝f_RF  n为整数

由于对二极管加载偏置可以降低对本振功率的需求。所以，通常都会对混频芯片设置直流偏置端口。但是因为亚谐波混频天线中的二极管对是反向相连的，因此无法对二极管进行同时馈电偏置。

采用半导体工艺实现的太赫兹混频天线可以具有更紧凑的结构，从而可以满足多波束系统或者相控阵系统的布阵要求。为了保证天线性能，可以实现反向平行二极管对的偏置，合理的芯片结构显得尤为重要。

如果直接对太赫兹混频天线，尤其是亚谐波混频天线加载直流偏置并且引出直流信号，会导致中频信号或者某个二极管的短路，也或者会导致直流偏置电流的短路，从而使混频天线失效。对于太赫兹混频天线来说，亚谐波混频采用反向平行二极管对，而基波混频采用单个二极管；传统的亚谐波混频天线无法实现基波混频，因为奇次谐波分量被抑制在二极管对中。目前还没有既可以工作于亚谐波混频模式，又可以工作在基波混频模式的混频天线的相关报道。这极大地约束了亚谐波混频天线的应用范围。

由于太赫兹混频天线的射频信号和本振信号通过天线耦合，因此，需要一种天线，既能够耦合射频频段信号，又能够耦合本振频段信号。对于基波混频来说，由于射频信号与本振信号频率接近，因此，天线很容易设计实现；但是，对于亚谐波混频来说，由于本振信号是射频信号的一半或者更低，因此，天线一般采用宽频带天线。由于宽频带天线能够辐射射频频段、本振频段，以及两者间频段的信号，因此，所产生的谐波分量若落于射频频段附近、本振频段附近或者两者之间，则会发生二次辐射，从而导致了一部分射频能量的损失。

发明内容

本发明是鉴于上述问题所提出的，其目的是提出一种太赫兹混频天线，既可以实现亚谐波混频，又可以实现基波混频；可以使其中的一对反向肖特基二极管的两个肖特基二极管同时偏置，从而降低对本振功率的需求。

本发明的另一个目的是提出一种混频天线芯片结构，结构简单，且能够实现一对反向平行肖特基二极管的偏置，又不影响平面天线的性能。

本发明的另一个目的是提出一种平面天线(即片上天线)结构，可以实现射频信号和本振信号的空间耦合，同时使各次谐波继续参与混频，提高混频效率。

本发明的另一个目的是提出一种中频与偏置电路，可以实现对太赫兹混频天线的偏置以及混频芯片的中频平衡式信号的提取，将平衡式信号变换成不平衡信号，并进行放大，方便了与后续电路的连接；另外，控制太赫兹混频天线的工作模式，可以在亚谐波混频模式和基波混频模式进行切换。