[发明专利]立体封装太赫兹辐射探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹辐射探测器，更具体地，涉及立体封装太赫兹辐射探测器。

背景技术

处于20-120km范围内的中高层大气中主要包括氧气、碳氧化合物、一氧化氯、水蒸汽等多种能够反应大气层中的物理、化学和辐射情况的有用气体。通过开展对相关气体辐射电磁波的探测、处理和分析工作，能够及时有效地监控日地关系、全球气候变化和环境变化(包括空间环境和地面生态环境)的相关情况。根据电磁频谱分类，频率范围覆盖300MHz-300GHz的电磁波统称微波，其中包含分米波、厘米波、毫米波和太赫兹信号。由于中高层大气主要以辐射太赫兹频段信号为主，因此太赫兹信号探测器是进行大气监测的主要设备。加快研发相关大气探测设备对于我国及时掌握大气变化信息，提高气象预报水平，服务国民经济发展，具有重大的现实促进作用和长远的战略意义。

目前美国宇航局的喷气推进实验室研制的EOS MLS(地球临边观测微波辐射计)可以用于测量地球大气临边的微波热辐射，主要用于跟踪监测平流层臭氧层的稳定性、提高气候变化预测水平和提高对全球空气质量的认知。英国气象局研发的微波辐射计AMSU-B，工作于5个通道，分别用于反演近地表情况和大气水汽轮廓。日本发射的ADEOS-II，搭载了被动微波辐射计，用于测量海洋表面温度、风速以及土壤湿度。目前国内相关研究机构研发了部分可用于微波辐射计的器件，尚未出现有关用于大气气体监控的微波辐射探测装置的报道。

上述微波辐射计或探测装置多是由分立模块组成，各模块之间通过波导等传统微波传输装置进行连接。虽然分立形式的探测器有结构简单、技术相对成熟等优点，但是在体积、重量、成本和性能一致性等方面的缺陷逐渐凸显，已不能完全适应当今大气探测装置的发展趋势。

低温共烧陶瓷(LTCC)作为一种未来发展前景广阔的三维立体封装技术，近些年来引起了国内外机构的广泛关注和深入研究。LTCC材料具有稳定的介电常数、低介质损耗、立体封装结构等优点，但目前尚未出现将低温共烧陶瓷(LTCC)应用于大气观测的太赫兹辐射探测装置的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺点，提供一种立体封装太赫兹辐射探测器，采用LTCC三维立体封装技术将太赫兹辐射探测器的原本分立的各子系统进行三维一体化封装，可解决现有探测设备体积大、重量重、连接复杂、成本高和一致性差等诸多问题，实现了超宽频域和一体化封装的大气探测装置。

根据本发明，提供了一种立体封装太赫兹辐射探测器，包括介质扩展半球透镜、太赫兹信号处理单元、LTCC基板、第一中频信号处理单元，太赫兹信号处理单元包括砷化镓天线和砷化镓谐波混频器，第一中频信号处理单元包括基于LTCC的射频无源巴伦接收网络和第一中频信号处理电路；其中，大气辐射的微弱太赫兹电磁信号和空间馈入的亚毫米波本振信号由介质扩展半球透镜汇聚到砷化镓天线上，由砷化镓天线接收到的所述电磁信号和亚毫米波本振信号通过砷化镓谐波混频器进行第一次下变频处理，产生中频差分信号；所述中频差分信号通过基于LTCC的射频无源巴伦接收网络合成为中频不平衡信号，完成由差分信号到不平衡信号转换；合成后的中频不平衡信号输入第一中频信号处理电路进行处理，第一中频信号处理电路将输入的中频不平衡信号转换成由AD模数转换器处理的基带信号。

立体封装太赫兹辐射探测器还包括与第一中频信号处理单元的第一中频信号处理电路连接或耦合的基带信号处理单元，基带信号处理单元包括A/D模数转换器。

介质扩展半球透镜位于所述立体封装太赫兹辐射探测器的上部，通过卡环将介质扩展半球透镜固定在整个LTCC基板的中心，太赫兹信号处理单元安装在介质扩展半球透镜的底部中心位置，太赫兹信号处理单元的输出信号金属化层通过倒装芯片互连结构与LTCC基板表层的输入信号金属化层进行连接，实现太赫兹信号处理单元的砷化镓谐波混频器与基于LTCC基板的射频无源巴伦接收网络之间的差分信号传输。

第一中频信号处理电路和基带信号处理单元按照封装种类不同采用裸芯片形式的单片微波集成电路MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)和/或表贴封装形式的表面贴装器件SMD(Surface Mounted Devices)；裸芯片形式的单片微波集成电路MMIC埋置于LTCC基板底部的空腔内部，通过金丝键合和位于LTCC基板底部表层的微带线实现输入和输出信号的互连传输；表贴封装形式的表面贴装器件SMD焊接在LTCC基板底部的下表面，通过微带线实现信号的互连传输。