專利名稱：輻射檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于使用波長范圍在厘米到亞毫米之間的電磁頻 譜來檢測物體的輻射檢測器。
背景技術：
本發明的實施例與電磁頻譜的微波到太赫段相關。然而，太赫端對 于在小系統中提供高分辨率的許多應用特別有利，并且下面描述的本發 明的特定實施例工作在太赫段。本文中的"太赫"表示波長范圍在毫米 到亞毫米之間的電磁頻譜。
采用本機振蕩器的裝置包括例如超外差的、外差的、零差的或者直
接IF (中頻)檢測以及用于檢測的直接放大的使用，其中放大器被配置 為再生型或者自振蕩混頻器。本發明的實施例特別適合與超外差以及外 差諧波混頻器一起使用，并且甚至更適于與分諧波混頻器之類的平衡諧 波混頻器一起使用。
(在波長范圍在厘米到亞毫米之間的外差檢查中，本機振蕩器相對 于將要檢測的輸入信號發生頻移，而在零差檢測中它具有相同的頻率)。
上述的范圍在此處通常被稱作太赫頻譜。業已發現太赫輻射對成像 以及其他的用途來說是非常有用的工具，這是因為不透射可見頻譜的材 料對其透射。這允許這些材料在不能利用可見光輻射看見它們的地方， 利用太赫輻射可以將其"看透，，。例如，太赫波長已經被用于穿過大氣 對地球表面成像并且用于改進惡劣天氣下的可見度(例如用于飛行或者 駕駛)。由于某些材料的透射率或者反射率不同，因此它們在太赫輻射 下可以被區分開，并且這已經用在例如食品或者化學成分的檢測中。此 外，包括人體在內的物體本身可發射太赫輻射。這已經用在例如用于檢 測皮膚癌的醫學中。由于衣服一般對于太赫輻射是透明的，但武器不是 透明的，因此另 一 個應用是檢測以不同的方式隱藏在人體周圍的武器。
使用太赫(THz)頻語來對物體成像的照相機是公知的。例如，以 Agence Spatiale Europeenne的名義的國際專利申請WO2004038854中 描述了一種裝置。在該裝置中，照相機基于分別拾取太赫輻射的雙排喇叭天線，在使用中，太赫輻射被導入到混頻器通道中以使用本機振蕩器 來提取中頻信號。這種已知的外差技術允許在室溫下在太赫范圍內使用 比別的方式所必須的檢測器更小的檢測器，并因此支持較好的分辨率。
WO2004038854的檢測器采用一對襯底來構造，對于每個檢測器，這 對襯底中的至少一個襯底被圖案化(pattern),以容納天線，混頻器 通道以及通過襯底到信號輸出端的通孔。波導結構被耦合到混頻器通道 以從本機振蕩器傳送信號。在最終的照相機中，這兩個襯底以夾層結構 的形式面對面放置，使得容納檢測器結構的圖案化結構處于襯底之間并 因此而被保護。
發明內容
根據本發明實施例的第一方面，提供了一種電磁輻射檢測器，包括 i)至少一個襯底；
i i)用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入； i i i)用于接收本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入；
iv) 混頻器，該混頻器由所述襯底支撐，并且與所述射頻輸入和本 機振蕩器輸入耦合，用于通過將所接收的射頻信號與本機振蕩器信號混 頻而產生中頻信號；以及
v) 濾波器通道，用于控制在所述檢測器中的射頻信號的通路
(passage)并且用于提取中頻信號，其中所述襯底配備有孔徑，該孔 徑具有延伸到襯底中的軸線方向，并且至少部分濾波器通道容納在所述 孔徑中。
例如，該襯底可以具有第一和第二相對表面，并且該孔徑可從第一 表面朝向第二表面延伸或者可從第一表面延伸通過第二表面。該混頻器 以及可選的射頻輸入和本機振蕩器輸入各自可以方便地由所述第 一表 面支撐，并且所述至少部分濾波器通道在使用中可傳送所述混頻器的輸 出信號。
在基于混頻器的輻射檢測器中，眾所周知可以提供一種濾波器通 道，該濾波器通道首先可以阻斷射頻的通路以便控制檢測器中所接收的 輻射信號的傳輸路徑，并且其次該濾波器通道可以提取中頻信號以提供 例如成像中所用的IF輸出。工作在射頻的濾波器通道的已知形式被構
7裝在襯底的表面上，其中該襯底也支持所述混頻器及其射頻信號輸入路 徑，因為這為制造提供了便利。在本發明的實施例中，已認識到可在延 伸進入或者穿過所述村底而不是沿著所述襯底的表面布置的通道中進 行至少某些濾波，并且就與所述襯底相關的檢測器的組裝密度而言這可 以提供顯著優點，因而改善了整個檢測或成像能力的分辨率。
在用于在RF和IF頻率區域中濾波的濾波器通道的已知布置中，濾
波器通道被構造為例如在石英載體上的圖案化金屬化(patterned metallisation),所述石英載體又安裝在所述襯底表面上。毫無1€問， 作為單個平面構造這是相對容易制造的。然而，已認識到濾波執行多于
一個的任務，例如阻止射頻在檢測器中的不適當傳播以及從混頻腔的混 頻產物中提取中頻(IF)信號以傳送給IF輸出，并且認識到分開用于 執行這兩個任務的物理構造具有明顯的好處。用于執行第二個任務的從 混頻產物中提取IF信號的物理構造具有相對較低的頻率通帶，并且物 理尺寸往往相對較大。該物理構造在提供檢測器的部件序列中通常位于 朝向監測器的IF輸出的位置。在本發明的優選實施例中，濾波器通道
如該通帶可為從0. 1GHz到60GHz。
盡管可以提供具有低頻通帶的濾波器構造作為載體上的金屬化，并 且可以將通道中的濾波器構造容納到所述襯底中，但是本發明特別便利 的實施例將該IF通帶濾波器構造提供為大致為圓柱形形狀的異形 (profiled)共軸管腳。這種管腳的外形可以與載體上成形金屬化相類 似的方式提供濾波動作所必須的物理尺寸。這種管腳可便利地容納在例 如圓形截面的通孔中，導引到襯底中并通過例如鉆孔而構造。此外，以 認識到異形管腳有助于通過使用安裝在該通孔中的套圈進行安裝，其中 該通孔還用于提供密封IF輸出。優選的是，該通孔在沿著其長度的位 置處配備有橫截面的臺階狀變化，以提供至少一個鄰接(abutment)表 面，可以靠著該鄰接表面固定所述套圈。
公知形式的濾波器是1/4波長濾波器，其可被提供為相對于被濾波 的電磁輻射的1/4波長間隔的尺寸變化。通過使用1/4波長間隔的直徑 變化而將異形管腳構造成1/4波長濾波器是方便的。然后該濾波器可安 裝在通孔的大致圓柱形截面中。管腳以及通孔上的導電涂層以及管腳的 絕緣材料可 一起提供共軸濾波器。在本發明實施例中使用的適當的通用形式的構造是襯底上微波傳 輸帶圖案化的已知技術。微波傳輸帶是用于傳送高頻信號的傳輸線形 式，并且通常包括由絕緣層或者氣隙與地平面隔開的薄的平坦電導體。 它們被用做印刷電路設計的形式，該印刷電路設計用于以最小信號損失 來路由高頻信號，該損失是由輻射引起的。同樣可適用于本發明的實施 例但是制造更復雜的類似技術使用具有兩個地平面的帶狀線并且電導 體被夾在兩個相應的絕緣層或者氣隙之間。通過選擇性的圖案化，微波 傳輸帶和帶狀線還可以用來將電磁波傳送到空間并從空間接收電磁波， 并且用來提供射頻濾波。在本發明的實施例中，用于接收電磁輻射檢測 信號的輸入以及用于本機振蕩器信號的輸入中的一個或兩個輸入可由 線電路來提供。 " 、、'、、、、乙、，S 、 、 土 、、
根據本發明實施例的第二方面，提供一種電磁輻射檢測器，包括
i)用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入； i i)用于接收射頻本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入； i i i)連接到該射頻輸入并連接到該本機振蕩器輸入的混頻器，該混頻 器用于通過將所接收的射頻信號與所述本機振蕩器信號混頻而產生 中頻信號；以及
i v)用于提取所述中頻信號的中頻濾波器， 其中提供了用于將所述中頻信號從混頻器傳送到該濾波器的電連接，該 連接的長度被選擇為使濾波器表現的電負載與在檢測器中傳播的射頻 輻射失配，使得該濾波器在檢測器的使用過程中對射頻輻射表現為至少 基本上開路。
本發明第二方面的實施例尤其涉及本機振蕩器輸入和/或射頻輸入 被至少部分構造成諸如微波傳輸帶之類的傳輸線。
優選地，電連接與本機振蕩器輸入連接，因為這是提供檢測器的中 頻輸出的良好位置。
在檢測器的使用中，射頻輸入以及本機振蕩器輸入每一個可能包括 至少一個電導體，并且每個所述電導體的長度優選為明顯小于中頻信號 的波長。這樣可以在不考慮對中頻信號的任何效果的情況下選擇這些導 體的長度。例如，在檢測器的使用過程中，每個所述電導體的長度優選 為不超過中頻信號波長的1/10。根據本發明實施例的第三方面，提供一種電磁輻射檢測器，包括 i)用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入； i i)用于接收射頻本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入； i i i)與所述射頻輸入以及所述本機振蕩器輸入耦合的混頻器，該混頻 器用于通過將所接收的射頻信號和本機振蕩器信號進行混頻來產生 中頻信號；以及
i v)用于提取所述中頻信號的中頻濾波器； 其中該混頻器通過相應的傳輸線與所述本機振蕩器輸入以及所述射頻 輸入耦合，并且該檢測器還包括連接到射頻輸入的傳輸線的短線調諧器 (stub tuner),在使用中該短線調諧器以及所述傳輸線的長度一起將 被選擇以最優化所述本機振蕩器信號與的混頻器的耦合，并且短線調諧
器的長度將被選擇為對所接收的射頻信號表現出中間有效阻抗 (intermediate virtual impedance)。
在根據本發明的第三方面的實施例中， 一 個短線調諧器可從多個方 面來最優化檢測器的性能。例如，在基于分諧波混頻器的檢測器中，短 線調諧器的長度可被選擇為表現成(present)等效于小于所述本機振蕩 器信號波長的一半并大于所接收的射頻信號波長的一半(但是小于整個 波長)的距離。然后可以選擇所述射頻輸入以及本機振蕩器輸入的傳輸 線長度，使得短線調諧器對本機振蕩器信號表現為接近虛短路并且對所 接收的射頻信號表現為中間有效阻抗。由于其與所述射頻輸入的傳輸線 連接的位置，該短線調諧器可起到優化射頻輸入和本機振蕩器輸入兩者 到所述混頻器的耦合的作用。
在根據本發明實施例第三方面的檢測器的構造的便利形式中，混頻 器由主襯底支撐，該主襯底具有導電表面，并且所述短線調諧器的端部 連接到所述導電表面。射頻輸入、本機振蕩器輸入以及混頻器可全部安 裝在次襯底上，所述次村底又由主襯底所支撐。例如，該次襯底可承載 作為連接到混頻器的印刷電路的兩個輸入。同樣在根據本發明實施例第 一方面的檢測器中，主村底可配備有通過其中的孔徑，并且中頻濾波器 安裝在該孔徑中。
應該理解，關于任何一個實施例而描述的任何特征可單獨使用，或 者與描述的其他特征結合使用，并且還可與任何其他實施例的一個或多 個特征結合使用，或者與其他任何實施例的任何組合結合使用。
10
現參考附圖，僅作為示例，描述作為本發明實施例的THz的輻射檢
測器，其中
圖1示出了使用中的檢測器的示意圖2示意性地示出了連同檢測器的本機振蕩器饋送和IF輸出一起 提供的 一 組檢測器的部分結構的平面圖3示出了圖2示出的該組檢測器中的檢測器的混頻部分的平面
圖4示出了圖3的混頻部分的基于石英的濾波器部件的平面圖5a示出了以箭頭所示的方向觀察的沿通過圖3示出的混頻部分 的線"A-A"截取的垂直截面圖5b示出了以箭頭所示方向觀察的沿通過圖3示出的混頻部分的 線"B-B"截取的垂直截面圖6, 7和8示出了與圖3示出的混頻部分一起使用的中頻輸出管 腳以及密封的變型；
圖9示出了與圖3示出的混頻部分一起使用的從下面觀看的偏置 "T，，電路；
圖10示出了根據本發明實施例構造的用于接收輸入RF輻射并且將 其傳送給圖3所示的混頻部分陣列的雙排檢測喇叭天線；
圖11示出了用在雙排才全測喇叭天線中以容納IF輸出的可替換襯底
布置；
圖12示出了可在圖6, 7和8的輸出管腳布置中使用的1/4波長濾 波器構造的低阻抗和高阻抗部分；以及
圖13示出了圖6, 7和8示出的管腳和密封布置的優選方案的橫截面。
應該注意，這些附圖沒有一個是按比例畫出的，這些附圖僅僅是示 意性的。相同的附圖標記用于表示不同附圖中的相同部分。
具體實施例方式
參考圖1,檢測器通常包括混頻器部分100和用于混頻器部分100 的IF輸出150的放大部分105。該放大部分105還提供^f莫數轉換器(ADC )140。通過接收喇叭天線115,從一見場(field of view)輸入到混頻器 部分100的太赫輻射("RF信號")110被饋送到基于二極管的混頻器 120中，并且與參考信號("L0信號")145進行混頻，該參考信號由 本機振蕩器(L0) 125提供。
混頻器120合并了諸如一對肖基特二極管的非線性元件，并且該混 頻器將所接收的RF信號110與L0信號145組合以產生包括中頻(IF) 信號150的和信號以及差信號。IF信號150相對于所接收的RF輻射110 和LO信號145通常頻率較低，其關系是
參IF信號150典型為0. 1-40GHz
參RF輻射信號110典型為200-10000GHz
參LO信號145典型為1 00-1 0000GHz
由于IF信號150是低頻率，因此它很容易被放大，并且如果需要 該IF信號可以被整流以產生電壓，該電壓在強度上與所接收的RF信號 110直接成比例，并且該電壓隨后可以被用來形成與視場相關的圖像。
盡管這里被稱為LO信號，但是應該理解，該LO信號145還可以是 射頻信號，并且術語"射頻"還包括頻率在LO信號145的頻率范圍的 較低端的信號，除非上下文中另外示出。
喇叭天線/混頻器陣列
參考圖2,喇叭天線115和混頻器120實際上可以作為喇叭天線陣 列的一部分被制作在共用的主襯底210上，每個喇叭天線有其自己的混 頻器。 一個本機振蕩器(未在圖2中示出)可沿著分支路徑205為幾個 混頻器120提供LO信號145。在襯底210中，沿遠離喇叭天線115的方 向提供來自每個混頻器的IF輸出的路徑205。
圖2示出的P車歹iJ的一4殳構造可通以Agence Spatiale Europeenne 的名義申請的國際專利申請WO2004038854中所述的外延法來制造。也 就是說，形成三層結構，中間層也就是共用襯底210的兩個面被蝕刻， 并且上層和下層都僅有一面以互補的形式被蝕刻。圖2僅示出這種構造 的中間層的平面圖，并未示出上層和下層。當使上層和下層與中間層(喇 叭天線115的雙陣列)配準時，形成了用于LO信號的混頻器120和輸 入通道205的位置。虛線"M，，表示具體容納(housing)檢測器的混頻 器120及其輸入和輸出的區域。
實際上，層的數量可增加到所需的任何數量，支持喇叭天線陣列的
12200780024040.8 寬范圍設計，只要滿足層的表面以必須的互補形式進行蝕刻即可。下面 還參考圖10和11來進一步描述。
這三層襯底的任何一層的材料例如可以是諸如硅的半導體或金屬， 只要該表面的材料具有高的導電性。例如，可用金或銀來金屬化硅層。 形成互補圖案化的可替換方法是機械加工而不是蝕刻。
信號輸入和輸出單個混頻器120
參考圖3,容納混頻器120的區域"M"更詳細地包括傳送輸入RF 信號110的波導300的端部和傳送本機振蕩器信號145的第二波導345 的端部。延伸在這兩個波導端部300、 345之間的有淺通道305,該淺通 道305容納鍍金的石英襯底315。將石英襯底315的金鍍層圖案化以提 供
參兩個天線320、 335,襯底310的任一端各有一個天線，其用于耦 合來自波導端部300、 345的RF信號IIO和LO信號145
參到二極管芯片310的支撐和連接，該二極管芯片用于將天線傳送 的相應RF信號110和LO信號145進行混頻
參高頻濾波器314( "RF濾波器")，以阻斷輸入RF信號IIO進
一步傳播。
天線320、 335以及高頻濾波器314的這些形式是公知的，因此這 里并沒有詳細描述。每個都可以采用其他的7>知形式。
與混頻器120相關的濾波器通道包括上述的高頻濾波器314以及IF 輸出濾波器350。來自二極管芯片310的IF輸出信號150由一對接線器 325從傳送LO信號145的微波傳輸帶天線335的端部拾取(pick of f ), 并且該IF輸出信號被傳送給IF輸出濾波器350。 IF輸出濾波器350的 形式是異形管腳，安裝該IF輸出濾波器使得其縱軸通過通孔340延伸 進入共用村底210中。因此，輸出濾波器350的縱軸既橫向于 (transverse to)承載天線320、 335和二極管芯片310的石英襯底315 的平面，又橫向于支撐石英襯底315的共用襯底210的表面。IF輸出濾 波器35Q的該定向允許混頻器120在共用襯底21Q上相對緊密的堆積 (packing),并且因此潛在地提高了所得圖像的分辨率。
應該注意，盡管二極管芯片310未直接安裝在共用的主襯底210上， 但是主襯底210通過插入的(次)石英襯底315來支撐二極管芯片310。
在共用的主襯底210本身不是金屬材料的情況下，共用襯底210以
13及兩個波導300和345在圖3所示的表面上被金屬化并接地(earthed )。 金屬化包括至少一微米厚的電鍍金或者其他具有類似的抗腐蝕材料性 質的高導電材料。IF輸出通孔340的表面同樣被金屬化。下面將關于用 在本發明實施例中的短線調諧器并關于IF輸出濾波器350的性能進一 步描述金屬化。
參考圖4,鍍金的次石英襯底315的厚度約為75微米。其寬度"W" 約為350微米，長度"L"約為2. 5毫米。采用真空沉積以及照相平版 印刷技術的公知方式來涂覆金涂層，以形成用于從RF波導300拾取輸 入RF信號110的RF天線320、用于從LO波導345拾取LO信號145的 LO天線335以及用于阻斷輸入RF信號IIO到達LO天線335的RF濾波 器314。
此外參考圖3, 二極管芯片310首先被安裝在鍍金石英襯底315上 的RF天線320以及RF濾波器400之間。RF天線在其端部配備有橫向的 "T條，，405,部分用于此目的。采用標準焊接技術安裝二極管芯片310, 以便與RF天線320以及RF濾波器400電連接。然后通過使用諸如 Norland 61 (Norland Products Inc.的注冊商標)的紫外線(UV)固 化環氧材料將包括二極管芯片310以及鍍金石英襯底315的組件安裝在 共用襯底210的淺通道305中。
參考圖5a所示的橫截面，可以看出，二極管芯片310將RF天線320 的端部和RF濾波器400之間的間隙進行橋接，在這兩者之間提供了電 路徑。因此輸入的RF信號110以及LO信號145都傳送到二極管芯片310 上的二極管(未示出)。使用中的二極管芯片310可以將輸入的RF信 號110以及LO信號145進4亍混頻，以形成用于4全測的IF信號150。這 種類型的二極管芯片是公知的，例如在共同未決的英國專利申請 GB0603193. 4中進行了討論，該專利申請公開了 一種反并聯配置的包括 一對肖基特二極管的非線性混頻元件的使用。在本發明的實施例中使用 的合適的二極管在下面的公開文件中進行了描述1984年9月13日發 表的Electronics Letters第20巻第19期第787頁的"Glass Reinforced GaAs Beam Lead Schottky Diode with Airbridge for Millimetre Wavelengths"。
IF濾波器
參考圖3和5b,共用襯底210具有穿過其形成的通孔340，該通孔340中容納IF輸出濾波器管腳350。 IF輸出管腳350由玻璃支撐珠 (bead) 330支撐在適當的位置。管腳350本身由鈹銅合金加工并鍍金， 然后由載銀環氧樹脂525附接到該玻璃珠330的中心導體510上。在連 接器和微電路之間的適合于提供用于外殼壁的密封饋通的玻璃珠由諸 如Anritsu公司的制造商來提供。珠330反過來具有與中心導體510處 于共軸配置的外導體515,并使用基于銦的焊接材料520固定到通孔 340。外導體515通過通孔340內的金屬化接地。
管腳350以及具有其中心導體510的玻璃支撐珠330至少具有三個 功能
參根據公知原理形成管腳350的橫截面的輪廓，以僅通過來自二極 管芯片310的IF輸出信號150,阻斷LO信號145和RF信號110
參珠330的中心導體510以及管腳350的鍍金可用于傳送偏置電流 或電壓給二極管芯片310
參玻璃珠330在IF輸出的周圍提供密封，從而保護了最終產品中 容納混頻器120的區域"M"的環境。
參考圖6、 7和8,管腳350和支撐珠330可以多于一種的方式布置。 圖6示出了參考圖5b的上述布置的橫截面。圖7示出了玻璃珠"0沒 有自己的外導體但卻使用UV固化環氧樹脂材料700安裝在金屬化的通 孔340中的布置。這種布置避免使用焊接并且因而簡化了制造。圖8示 出了略微不同的布置，在該布置中首先再次使用載銀環氧樹脂525將管 腳350附接到中心導體510上，然后通過使用UV固化環氧樹脂材料805 將這兩者都安裝在石英套圏(quartz ferrule) 800中。石英套圏800 也通過使用UV固化環氧樹脂材料810而安裝在通孔340中。
參考圖12,形成管腳350的橫截面的輪廓的基本原理在例如由G Matthaei, L Young和EMT Jones撰寫的SBN 0-89006-099-1 "Microwave Filters, Impedance Matching Networks and Coupling Structures" 以及由McGraw Book />司，紐約&倫敦，1947年出版的"Very High Frequency Techniques"第II巻第668頁中有所描述。總的來說，這 種類型的共軸濾波器已經被使用了許多年并且它們的設計已被公知并 且在給出的參考文獻中有所解釋。它們的基本操作基于高或低阻抗的交 替部分取決于與具有導電內表面的共軸通道1215相比的具有導電外表 面的大致為圓柱形的中心結構1210的直徑。在圖6, 7和8所示的布置中，中心結構1210由管腳350表示，通道由其中安裝有管腳350的通 孔340表示。中心結構1210和共軸通道1215 —起提供其中高阻抗部分 1220和低阻抗部分1225串聯級聯的"1/4波長濾波器，，。每個部分1220 和1225的長度約為入/4,其中入是共軸線中電磁波的波長。因此，這 里使用術語"l/4波長濾波器"。在圖12中，中心結構1210的具有小 直徑部分的高阻抗部分1220被示出與中心結構1210的具有較大直徑部 分的低阻抗部分1225級聯。在高阻抗部分1220中，中心結構1210的 直徑120(M皮最小化。在^^阻抗部分1225中，中心結構1210和通道1215 之間的空隙1205被最小化。為了實現較大的抑制，或者增加級聯部分 1220、 1225的數量，這樣的缺點是增加了插入損耗，或者減小中心結構 1210的直徑1200和/或所述空隙1205，這樣的缺點是使得構造更加困 難。
在例如圖6、 7和8所示的本發明的實施例中，整個管腳350的長 度相對于IF信號是兩個入/4距離，并且每個入/4部分內的管腳35 0的 輪廓成臺階狀，而不是平滑的，使得管腳350在其周圍具有兩個"肋" 710和715，這兩個肋的一個大于另一個。在圖13中該構造被更清楚顯 示。該構造的目的是最小化在具有較小肋710的第一 入/4部分中產生的 不期望的模式，同時通過大體上增加與管腳350的第二入/M部分相關的 尺寸盡可能地減小制造的機械要求。
參考圖7和13,為了減小可能通過共軸濾波器管腳結構傳播的不期 望模式的出現，重要的是高頻本機振蕩器 一 側的濾波器的入口有小的尺 寸，典型地是該入口的直徑小于關于本機振蕩器波長的人/4("入/4")。 ("濾波器的入口"是附接到接線器325的管腳350的第一部分。)然 而，如果這個區域中管腳350的直徑減小到關于本機振蕩器波長的入/4， 從抑制角度來看這樣會帶來物理上魯棒結構的要求和濾波器的最佳操 作之間的沖突。本機振蕩器的波長遠小于IF信號150的波長，因此管 腳350在濾波器入口處的直徑不得不非常小。為了減輕這個問題，管腳 350在其第一入/4部分的輪廓具有"肋"710，同時通孔340的內徑在 該部分變窄以提供非常靠近肋710的頸部705 。通孔340的頸部705和 管腳350上的肋710之間的空隙減小到最小可行，這提供了濾波器入口 處所要求的小尺寸，同時保持管腳350的直徑處于比本機振蕩器波長的 入/4更容易制造的尺寸。與圖6和圖8所示的構造相比，在通孔340中引入頸部705的這種構造使加工需求更復雜了，但是提供了與結構剛度結合的最佳濾波器響應。
管腳350具有帶有較大的第二肋715的第二入/4部分。這里，尺寸總的來說不是關鍵的，并且通孔340和第二肋715之間的空隙較大，同時第二肋715本身可大于管腳350上的第一肋710。可以在本機振蕩器信號到達該第二入/4部分之前實現對本機振蕩器信號的高達1 0dB丄的抑制，這樣在第二入/4部分中將沒有模式產生。采用通常增加的通孔340和管腳350第二入/4部分的尺寸減小了制造難度并且保持了機械強度。
參考圖13，在圖7所示的布置的變型中，管腳350不變，但是340的橫截面更復雜。包括通孔340的頸部705的濾波器的入口和該濾波器的第一入/4部分，與圖7所示的方案相同。在該濾波器的第二入/4部分的通孔340的內表面更復雜。在圖7所示的方案中具有通孔340,該通孔34(H又是從頸部705到襯底210的另一表面的圓柱形孔，而在圖13所示的方案中，通孔340的內表面具有直徑仍然小于玻璃支撐珠330的臺階狀輪廓。在玻璃支撐珠330,在通孔340的內表面上存在另外的臺階，這個臺階為玻璃支撐珠330的凸緣(shoulder)提供了鄰接表面1 300。這種布置有助于組裝該濾波器，這是因為管腳350可以首先安裝在玻璃珠330的中心導體510上，然后在通孔340中靠著鄰接表面1300定位珠330。
這里應該注意的是，玻璃珠330的中心導體510的端部可以略微伸出到管腳350中，這樣還可能更精確地將通孔340中的管腳350對準，并且管腳350的安裝機械性更加穩定。
參考圖3,包括管腳350和通孔340的IF濾波器的性能中的一個要素是IF信號到管腳350的傳送。這可以通過一對導線325來完成，這些導線325的性質將在下面的標題為"短線調諧器"的部分中進一步描述。
已濾波的IF輸出
參考圖5b和9,由中心導體510運送的混頻器的IF輸出通過金接合線(gold bond wire ) 500和偏置傳送電3各(bias del i very circuit )500傳送，例如用于在成像中使用。該偏置傳送電路500對于IF輸出信號150是透明的，因此該IF輸出信號150通過它被傳送到放大和成像
17設備。偏置傳送電路500的強度是它可用于沿"另一個方向"傳送直流
("DC")偏置電壓或電流給二極管芯片310。
更詳細地，該偏置傳送電路500包括用于承載一黃^,電^各500的IF信號150的輸電線連接900的氧化鋁襯底505。總的來說，偏置傳送電路500的作用是公知的類型，這里不進行詳細描迷。在輸電線900中提供DC阻塞電容器905,該電容器905阻斷DC偏置信號，而對IF輸出信號150是透明的。偏置電感器910以"T"型配置連接到輸電線900,用于傳送DC偏置信號并阻斷IF信號1—5Q。 DC偏置信號通過金接合線500傳輸到玻璃珠330的中心導體510,以便向前傳輸給二極管芯片310。
偏置傳送電路500根據工業標準組裝程序制造。電容器905可以例如由諸如Presidio Components 乂>司之類的公司#是供，電感器910由諸如Piconics公司之類的公司提供。
短線調諧
如在大多數檢測中 一樣，本發明實施例的重要方面是所檢測的信號的信噪比。已知通過采用短線調諧器來改進諸如輸入到負載的顯著點的功率耦合來改進工作在射頻的設備的性能。短線調諧器可提供成輸電線的短路或開路長度(shorted or open circuit lengths of transmissionline),其在它們的附接點產生純電抗。通過將短線調諧器的長度從零到半波長的改變可以形成任何的電抗值，但是每個短線調諧器只能以一個頻率有效工作。還知道，為了拓寬設備有效工作的頻譜可以采用一個以上的短線調諧器。
更詳細地，參考圖3和5b,將微波功率耦合到諸如二極管芯片310的二極管之類的負載要求在負載和微波功率傳送部件之間的相應復阻抗匹配。在上述實施例中，存在為包括二極管芯片310的電路傳送微波功率的兩個功率傳送部件，這些部件是分別傳送RF信號110和L0信號145的波導300和345。
實現諸如二極管芯片310的容性電抗阻抗(reactive impedance)和諸如RF和LO波導300、 345的實阻抗之間的阻抗匹配的^^知方法是將額外的輸電線元件插入到電路中，以"調諧，，電路行為，從而提供正確的相移(right shift in phase)，以補償二極管的電抗。然而，由于二極管芯片310中的二極管的阻抗具有相位和幅值分量，因此匹配輸電元件的位置和尺寸都影響結果。在本發明的實施例中，RF和L0信號110、 145到二極管芯片310本身的傳送通過微波傳輸帶天線320、 335來完成。天線320、 335、石英襯底315上的所有圖案化的金涂層以及二極管芯片310 —起構成混頻器電路。在用于處理高頻信號的微波傳輸帶電路的情況中，多短線調諧器是已知的，其以插入到電路中的一個或多個輸電線或"短線，，的形式來實現位置和插入調節。可以使用多個輸電線短線調諧器來增加混頻器電路"匹配"的帶寬。
在本發明的實施例中，認識到短線調諧器能以導線355、 325的形式來提供，并且它們能夠執行多個任務。提供附接到RF信號微波傳輸帶天線320端部的兩個金接合線355,并且另外兩個金接合線325被用于拾取LO信號微波傳輸帶天線335的端部的IF信號以便傳送到輸出管腳350。第一對金接合線355僅用于短線調諧，而第二對導線325具有多個角色，這是因為它們的作用如下
參有助于相對于LO信號解調(tune out) IF電3各的效果
參形成從石英襯底315上的電路到IF管腳350的魯棒的機械接口
*將IF輸出信號150傳送到管腳350。("IF電路，，將在下面進一步描述。)
在將要被耦合的輻射的波長范圍內，目前的任何調諧短線的設計對于最優地匹配進入混頻器二極管中的所有入射功率是非常重要的。 一個因素是與波長范圍相關的短線長度，這意味著單個短線調諧器將僅在非常窄的帶寬上很好地工作。因此眾所周知的是使用多于一個的短線調諧器來增加工作帶寬。在本發明的實施例中，發現通過選擇適當的尺寸，使用已經存在于檢測器中的在調諧中扮演次要角色的元件來改進檢測器的整個性能是可能的并且是適當的。
本發明實施例中存在的調諧短線的確切長度受二極管芯片310中使用的肖基特二極管的類型的影響，因為這影響了二極管芯片310所呈現出的負載。它們受到影響的準確方式是復雜的并且難于計算，因此對于任何一個實施例來說最好憑經驗來選擇調諧短線的長度。通過最大化信號功率傳送并且最小化所產生的噪聲來發現最佳布置。可接受的精確平衡也可以變化，這取決于系統中其他部件的特性，如濾波以及可用的信號功率水平。
參考圖3,存在兩個耦合點，在該耦合點處射頻功率耦合到負載中，并且這在二極管芯片310的傳送RF信號IIO和LO信號145進行混頻的任一端處。這些信號的頻率分別是120-130GHz和220-280GHz。為了將來自每個天線320、 335的所有功率耦合到二極管芯片310中，重要的是相應信號離開二極管芯片310去向相對的天線的潛在向前路徑表現出開路。這可以采用下面描述的方式非常滿意地實現。
這里應該注意的是，當調諧器的長度相對于其正處理的信號增加一個波長"人"時，短線調諧器的調諧行為重復。因此，如果發現實現特定效果的調諧器的適當長度是1/4入，那么對于l 1/4入的長度可實現相似的行為。(然而，如果輸電線是耗散的，那么由于輸電線的額外長度的歐姆電阻以及帶寬限制，損耗會增加。)這意味著一個短線調諧器可用于具有與許多不同波帶中的信號相關的不同作用，而不必正好是具有分諧波關系的波帶，這是因為可以調節長度以在每種情況下呈現出波長的合適部分，而不管該長度還包括與一個或兩個波帶相關的整數個波長。
在圖3的布置中，信號的整體優選通路是
1. LO信號145從L0波導345傳送到二極管芯片310并且不再進一步傳送("L0電路")
2. RF信號IIO從RF波導300傳送到二極管芯片310并且不再進一步傳送("RF電路，，)
3. 混頻的LO/RF信號從二極管芯片310傳送到IF輸出管腳350("IF電路，，)
同樣也希望憑經驗采用短線調諧來調諧電路的性能。這些所希望的信號路徑以及調諧按照如下的方式實現1、 L0電路
通過超聲地將兩個接合線335的自由端接合到混頻器襯底210的金屬化表面而使所述自由端接地。每個接合線與襯底21G結合的點形成射頻上的物理短^各，該短^各有效地在該物理點上將L0和RF電^各的行為鎖定為短路。然后所有其他長度都相對于該位置。就相位和幅值而言是這樣的。由于是物理短路而不是虛短^^,因此該短^^為RF和LO頻率所共有。
對于該實施例，接合線355的長度"S"是1 039微米，近似為LO頻率下的3/8人，因此不能在二極管上提供理想的虛短路。如果它們的長度為l/2入，則可以在二極管芯片310上獲得理想的短路。這種情形
可以將大多數LO信號145耦合到二極管，但是在RF信號IIO處為入可以使所有的輸入RF信號IIO短接到地。接合線335的長度"S，，以及RF波導300和接合線335之間的微波傳輸帶的長度"X"實際上一起影響LO信號145與二極管芯片310的耦合。將長度"S"設定為中間長度，可以改變長度"X"以提供LO頻率處的最優耦合。然而改變長度"X"對RF信號IIO影響最小。
2、 RF電路
同時，兩個接合線355的長度"S"在RF頻率處約為3/4入，該接合線對二極管芯片310表現出中間有效阻抗(也就是說，RF頻率處開路和短路之間的某些狀態)。現在可以改變二極管芯片310和RF濾波器314之間的微波傳輸帶部分的長度"Y",以在RF頻率提供到二極管芯片310的最優耦合。改變長度"Y"對LO信號145的影響最小。
3、 IF電路
期望IF信號輸出對LO電路是不可見的。到濾波器管腳350的連接由第二對金接合線325來提供，該第二對金接合線325的遠端被連接到鍍金的濾波器管腳350。上述與RF電路中的接合線355相關的相同原理可以應用。這種情況下，當第二對金接合線325附接到阻斷RF信號110的高頻濾波器314之外時僅考慮LO頻率。然后選擇到濾波器管腳350的導線325的長度(圖3所示的"T"),使得當與IF濾波器管腳組件組合時，IF輸出的整體效果相對于到二極管芯片310的LO耦合被最小化。通過選擇解調或者失調由IF輸出在LO頻率處所呈現的負載的長度，可以基本上使導線325對LO信號145不可見。實際上，考慮與接合線325和管腳350之間的互連相關的寄生電抗以及管腳350的第一部分的長度來憑經驗選擇長度"T"，以為濾波器的LO信號145盡可能提供射頻開路。如果這些因素組合起來表現出LO頻率處的入/4或者X/2長度，那么將存在同相反射(in phase reflection)以及期望的開^各。在上述實施例中，合適的長度"T"是570微米。
因為IF頻率遠小于RF信號IIO或者LO信號145,與短線調諧器接合線355的尺寸相比IF信號150的波長是長的。因此，導線325的長度對IF電路的影響非常小，并且可以只為它們對LO電路的影響而進行最優化。在這方面使長度"T"實際上盡可能地短，使得對IF信號路徑
21的影響最小。短線調諧器接合線355和L0波導345之間的微波傳輸帶的長度"Z"因為相同的原因也被最小化。為了使得任一個對IF電路的影響最小，優選的是使"T"和"Z"低于IF波長的十分之一。因此如果IF頻率是20GHz，那么IF波長是15毫米，因此如果可能的話，"T"和"Z"應該不超過1. 5毫米。
關于短線調諧的已知原理的信,l例如可在以下文獻中獲得由Wiley-IEEE Press在2004年1月出版的Joseph F. White編寫的"HighFrequency Techniques: An Introduction to RF and MicrowaveEngineer ing，'
盡管為了實現最大帶寬的混頻器設計，要求將給二極管芯片310傳送功率的短線調諧器定位在盡可能接近二極管芯片的位置，但實際上可以進行許多變化。發現沿著長度被標記為圖3中的"X"或"Y"的微波傳輸帶的其他位置添加一個或多個短線調諧器，從而為RF信號110或者L0信號145提供某種附加的微調是有益的，但另一方面，這可能在LO調諧電路和RF調諧電路之間引入更多的干擾。應理解，盡管在石英襯底315上示出的電路的各個部件(特別是那些具有標注為"X" , "Y"和"Z"的距離的部件)在同一條直線上，但這不是必需的。短線調諧器正交也不是必需的。
如上所述實施的設計有效地提供了彼此隔離的兩個電路，即RF和L0電路。這允許調節每個電路，以在LO頻率或者RF頻率上提供最優的性能，同時對另一個的擾亂最小。允許這樣做的關鍵是在RF信號110到二極管芯片310的耦合處使用附加的一對接合線355。
也可以在每個LO和IF電路中僅使用一個接合線355、 325,但是在每種情況下兩個接合線355、 325使得可能通過改變長度以致于它們略微不同且提供冗余來憑經驗微調電路。
參考圖2、 lO和ll,上面提到通過堆積(build up)多個襯底層210可以構造喇叭天線115的陣列。這在原理上是可行的，只要可以沿著遠離喇叭天線115并正交于濾波器管腳350和其通孔340的方向向后從該陣列中取出IF輸出215。實際上，如圖2所示，這與將LO信號145傳送到下一層的混頻器120的分支路徑205相沖突。圖11示出了這種沖突的解決方案，其中共用襯底210實際為兩個子層，這兩個子層一起提供接口 1000,同時也提供了可以容納IF輸出215的接口 1100,其中
22承載二極管芯片310的石英襯底315可容納在該接口 1 000中。
本發明的實施例在優化基于工作在二次諧波的分諧波混頻器的檢 測器的性能方面特別有用，但也可以用在更高次諧波的操作中。
權利要求
1、一種電磁輻射檢測器，包括i)至少一個襯底；ii)用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入；iii)用于接收本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入；iv)由所述襯底支撐的并耦合到所述射頻輸入和本機振蕩器輸入的混頻器，用于通過將所接收的射頻信號和所述本機振蕩器信號混頻而產生中頻信號；和v)濾波器通道，用于控制射頻信號在所述檢測器中的通路并且提取所述中頻信號，其中該襯底配備有孔徑，所述孔徑具有延伸到所述襯底中的軸線方向，并且至少部分濾波器通道容納在所述孔徑中。
2、 根據權利要求1所述的檢測器，其中所述襯底具有第一和第二 相對表面，并且所述孔徑的軸線方向從所述第一表面延伸到所述第二表 面。
3、 根據權利要求2所述的檢測器，其中所述混頻器由所述襯底的 所述第一相對表面支撐。
4、 根據前述任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述孔徑容納 用于從所述檢測器提取所述中頻信號的濾波器通道的中頻提取部分。
5、 根據權利要求4所述的檢測器，其中所述中頻提取部分包括共 軸濾波器，選擇所述共軸濾波器的物理尺寸以提供所述中頻信號的提 取。
6、 根據權利要求5所述的檢測器，其中所述共軸濾波器包括1/4 波長濾波器。
7、 根據權利要求5或6中的任意一項權利要求所述的檢測器，其 中所述共軸濾波器包括所述孔徑的大致為圓柱形部分以及具有大致圓 柱形橫截面的管腳，該管腳被共軸地安裝在所述圓柱形部分中。
8、 根據權利要求7所述的檢測器，其中所述孔徑的圓柱形部分具 有導電材料表面，并且所述管腳包括電絕緣材料，所述電絕緣材料具有 在其圓柱形表面或多個圓柱形表面上的導電涂層，這些一起提供所述共軸濾波器。
9、 根據權利要求6、 7或8中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述共軸濾波器包括具有大致圓柱形橫截面的管腳，所述管腳具有各自直徑不同的至少兩個部分以提供所述1/4波長濾波器。
10、 根據前述任意一項權利要求所述的檢測器，還包括將所述孔徑 中的所述至少部分濾波器通道封住的密封。
11、 根據權利要求7、 8或9中的任意一項權利要求所述的檢測器， 其中所述管腳借助于環形構件安裝在所述圓柱形部分中以為所述孔徑 提供密封。
12、 根據權利要求11所述的檢測器，其中所述孔徑的所述圓柱形 部分在橫截面上具有臺階狀變化，以提供至少一個鄰接表面，靠著該鄰 接表面固定所述環形構件。
13、 一種電磁輻射檢測器，包括i) 用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入；ii) 用于接收射頻本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入；iii )連接到所述射頻輸入并連接到所述本機振蕩器輸入的混頻器， 該混頻器用于通過將所接收的射頻信號與本機振蕩器信號混頻而產生 中頻信號；以及iv)中頻濾波器，用于提取該中頻信號， 其中提供了用于將所述中頻信號從所述混頻器傳送到所述濾波器 的電連接，選擇該連接的長度以使由所述濾波器呈現出的電負載與在所 述檢測器中傳播的射頻輻射失配，使得在所述檢測器的使用中所述濾波 器對射頻輻射表現為至少基本開路。
14、 根據權利要求13所述的檢測器，其中所述電連接被連接到本 機振蕩器輸入。
15、 根據權利要求13或14中的任意一項權利要求所述的檢測器， 其中所述射頻輸入和本機振蕩器輸入的每一個包括至少一個電導體，并 且在所述檢測器的使用中，每個所述電導體的長度明顯小于所述中頻信 號的波長。
16、 根據權利要求15所述的檢測器，其中在所述檢測器的使用中，每個所述電導體的長度不超過所述中頻信號的波長的十分之一。
17、 根據權利要求15或16中的任意一個權利要求所述的檢測器，其中每個所述電導體包括輸電線。
18、 根據權利要求13到17中的任意一個權利要求所述的檢測器，其中用于將所述中頻信號從所述混頻器傳送到所述濾波器的電連接包括至少一個導線。
19、 一種電；茲輻射;f全測器，包括i)用于接收將要被檢測的射頻信號的射頻輸入；H)用于接收射頻本機振蕩器信號的本機振蕩器輸入；iii) 耦合到所述射頻輸入以及所述本機振蕩器輸入的混頻器，該混頻器用于通過將所接收的射頻信號與所述本機振蕩器信號進行混頻而產生中頻信號；以及iv) 中頻濾波器，用于提取所述中頻信號；其中該混頻器通過相應的輸電線耦合到所述本機振蕩器輸入和所述射頻輸入，并且該檢測器還包括連接到所述射頻輸入的輸電線的短線調諧器，在使用中，所述輸電線和所述短線調諧器的長度一起被選擇以優化所述本機振蕩器信號到所述混頻器的耦合，并且所述短線調諧器的長度被選擇為對所接收的射頻信號呈現出中間有效阻抗。
20、 根據權利要求19所述的檢測器，其中在所述檢測器的使用中，短線調諧器的長度表現為等效于小于所述本機振蕩器信號的半波長的距離。
21、 根據權利要求20所述的檢測器，其中在所述檢測器的使用中，短線調諧器的長度等于小于所述本機振蕩器信號的半波長的長度。
22、 根據權利要求19到21中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述本機振蕩器輸入包括射頻濾波器，用于限制所接收的射頻信號在所述檢測器中的傳播。
23、 根據權利要求22所述的檢測器，其中所述本機振蕩器輸入包括將射頻濾波器連接到混頻器的輸電線，并且在使用中，和短線調諧器的長度一起選擇所述輸電線的長度，以優化所接收的射頻信號到所述混頻器的耦合。
24、 根據權利要求19到23中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中，在所述檢測器的使用中，短線調諧器的長度表現為等效于大于所接收的射頻信號的半波長但小于所接收的射頻信號的整個波長的距離。
25、 根據權利要求19到24中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中，在所述檢測器的使用中，短線調諧器的長度等于大于所接收的射頻信號的半波長但小于所接收的射頻信號的整個波長的長度。
26、 根據權利要求19到25中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中混頻器由襯底支撐，該襯底具有導電表面，并且短線調諧器的端部連接到所述導電表面。
27、 根據權利要求26的檢測器，其中所述射頻輸入、本機振蕩器輸入以及混頻器全部安裝在共用襯底上，所述共用襯底又由具有導電表面的該襯底支撐。
28、 根據權利要求26或27中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中，具有導電表面的所述襯底配備有通過其中的孔徑，并且所述中頻濾波器被安裝在所述孔徑中。
29、 根據權利要求19到28中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述短線調諧器包括至少一個導線。
30、 根據權利要求19到29中的任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述短線調諧器包括具有不同長度的至少兩個導電元件。
31、 根據上述任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述混頻器包括分諧波混頻器。
32、 根據上述任意一項權利要求所述的檢測器，其中所述混頻器包括一對平衡二極管。
33、 一種太赫輻射照相機，包括根據上述任一權利要求所述的檢測器。
全文摘要
在如太赫照相機之類的太赫輻射檢測系統中，喇叭天線陣列將檢測的輻射饋送給基于二極管的混頻器，該混頻器用于將檢測的輻射與本機振蕩器進行混頻，以產生在成像中能放大并使用的調制中頻(“IF”)信號。混頻器容納在襯底表面上，并且多個襯底可以層疊起來以支撐喇叭天線的二維陣列。為了改進組裝密度因此可能改進照相機的分辨率，用于提取調制IF信號的IF濾波器被容納在通過該襯底的通孔中。此外，提供與微波傳輸帶的信號傳送部分共同工作的短線調諧器，以改進所檢測的輻射和本機振蕩器信號到混頻器的耦合。盡管短線調諧器對于每個混頻器中的所檢測的輻射和本機振蕩器信號來說是共用的，但是微波傳輸帶的加入意味著對于所檢測的輻射和本機振蕩器信號來說可以獨立地優化調諧。
文檔編號H03D9/06GK101479931SQ200780024040
公開日2009年7月8日 申請日期2007年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者C·M·曼, D·J·庫姆布斯 申請人:思拉視象有限公司