本發(fā)明屬于主動成像收發(fā)機的技術領域,尤其涉及一種集成片上天線的太赫茲主動成像收發(fā)機。
背景技術:
太赫茲頻段為0.1THz~10THz,其波長在3um~300um的范圍內。由于其波長的特殊性,太赫茲頻段具有獨特的性質:與紅外直至可見光頻段相比,太赫茲電磁波在煙、霧、云、沙塵暴等環(huán)境中衰減非常小。因此在許多紅外和可見光成像設備不能正常工作的場景下,太赫茲電磁波依然可以正常工作,從而可以大大提高太赫茲電磁波成像設備對復雜環(huán)境的適應性;與毫米波微波相比,太赫茲電磁波的波長較短,因此成像精度更高,成像設備體積更小。由于太赫茲電磁波的這些特性,其在成像應用方面有著較大的優(yōu)勢。
可見光、射線、電子束、中紅外、近紅外和超聲波是在醫(yī)學診斷、材料分析以及工業(yè)生產等諸多領域中廣泛應用的主要成像信號源。與以上的光源相比,太赫茲電磁波對于某些電介質材料具有很強的穿透效果。除了可測量由材料吸收而反映的空間密度分布外,還可以通過相位測量得到折射率的空間分布。從而獲得與材料相關的更多信息,這是太赫茲時域光譜的獨特優(yōu)點。太赫茲電磁波的光子能量極低(1THz約4.1meV),沒有X射線的電離性質(光子能量在KeV量級),不會對材料造成破壞。太赫茲電磁波可以穿過衣服和皮膚,透視整個人體,但是它不會像X射線一樣對人體構成傷害。利用太赫茲電磁波可以檢查機場通關的旅客與行李,檢查郵件中是否藏有毒品、炭疽熱粉或炸彈等違禁物品。太赫茲成像的非破壞性和非接觸性對研究珍貴藝術作品和研究古生物化石等樣品很有價值。例如透過藝術品的表面對內部可視化,無需接觸或破壞易損的紙張而確定書籍的內容等。另外,對諸如火焰的熱分析、塑料封裝集成電路的引線圖成像、聚合物內部的氣泡以及陶瓷中的裂縫探測等,太赫茲成像都是極有前途的技術。
目前已有的太赫茲成像系統(tǒng),均采用傳統(tǒng)光電方法實現,其體積較大以及價格昂貴,限制了太赫茲成像設備的廣泛使用。
技術實現要素:
針對上述問題,本發(fā)明提出了一種集成片上天線的太赫茲主動成像收發(fā)機。
一種集成片上天線的太赫茲主動成像收發(fā)機,所述收發(fā)機包括:片上天線模塊,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊,功率檢測器模塊,可編程增益放大器模塊,斬波器模塊,低通濾波器模塊;
所述片上天線模塊的TX_PORT端和所述兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊的TX_PORT端相連,所述片上天線模塊的RX_PORT端和所述功率檢測器模塊的輸入端相連,所述功率檢測器模塊的輸出端和所述可編程增益放大器模塊的輸入端相連,所述可編程增益放大器模塊的輸出端和所述斬波器模塊的第一輸入端相連,所述斬波器模塊的輸出端和低通濾波器模塊的輸入端相連,所述低通濾波器模塊的輸出端通過片上管腳DC_OUT連接到片外輸出,所述斬波器模塊的第二輸入端和所述兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊的輸入端相連,并通過片上管腳VCHOP連接到片外。
所述片上天線模塊采用折疊漏波天線結構;天線信號線由片上頂層金屬構成,天線地平面由底層金屬構成。
所述折疊漏波天線有兩個端口,兩個所述端口分別連到所述TX_PORT端和所述RX_PORT端。
所述片上天線模塊包括:第一傳輸線,第二傳輸線,第三傳輸線,第一漏波天線,第二漏波天線,第一電容,第二電容,第三電容,第四電容;
其中,所述第一漏波天線和所述第二漏波天線結構對稱,所述第一傳輸線用于連接所述第一漏波天線和所述第二漏波天線;所述第二傳輸線、第一電容和第二電容用于將所述第一漏波天線的阻抗匹配到50歐姆;所述第三傳輸線、第三電容和第四電容用于將所述第二漏波天線的阻抗匹配到50歐姆。
所述兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊包括:第四傳輸線,第五傳輸線,第六傳輸線,第七傳輸線,第八傳輸線,第九傳輸線,第十傳輸線,第五電容,第六電容,第七電容,第一NMOS管,第二NMOS管,第一電阻,第二電阻,第一容抗二極管,第二容抗二極管;
第一電阻與第六電容串聯,再與第五電容并聯,構成無源RC網絡;所述無源RC網絡的一端與端口VDD連接,另一端接地;第四傳輸線與連接節(jié)點A和端口VDD連接,第七電容與節(jié)點A和TX_PORT端連接;
第五傳輸線與節(jié)點A和第一NMOS管的D極連接,第七傳輸線與第一NMOS管的S極和接地點連接,第九傳輸線與第一NMOS管的G極和第二電阻連接,第一容抗二極管與第一NMOS管的S極和第二容抗二極管連接;第五傳輸線與第六傳輸線、第七傳輸線與第八傳輸線、第九傳輸線與第十傳輸線、第一NMOS管與第二NMOS管、第一容抗二極管與第二容抗二極管對稱布置,第二電阻一端連接第九傳輸線和第十傳輸線,另一端連接所述管腳VCHOP;第五傳輸線,第六傳輸線,第七傳輸線,第八傳輸線,第九傳輸線,第十傳輸線,第一NMOS管,第二NMOS管,第二電阻,第一容抗二極管,第二容抗二極管共同構成震蕩頻率為f0的差分考畢茲振蕩器。
通過改變所述第一容抗二極管和所述第二容抗二極管的電容值控制振蕩器的振蕩頻率;所述差分考畢茲振蕩器產生頻率為f0的震蕩信號的同時會產生頻率為2倍f0的震蕩信號2f0,所述震蕩信號2f0在所述節(jié)點A從考畢茲振蕩器輸出,經過所述第七電容在發(fā)射機的所述TX_PORT端輸出。
端口VDD提供的直流電源電壓經過所述第四傳輸線從節(jié)點A給所述差分考畢茲振蕩器供電;所述無源RC網絡用于耦合端口VDD上的電源噪聲。
本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明提出了一種采用單芯片集成電路技術實現的太赫茲主動成像系統(tǒng),此系統(tǒng)單片集成了發(fā)射機和接收機,發(fā)射機和接收機共用一個片上天線,節(jié)約了芯片面積。該系統(tǒng)可在發(fā)射和接收模式下進行切換,可適用于透射式成像和反射式成像應用。同時該系統(tǒng)采用幅度(AM)調制和解調方式,有效提高了系統(tǒng)的靈敏度。該系統(tǒng)具有低功耗,小尺寸,低成本的優(yōu)勢,可以作為民用太赫茲成像設備被推廣使用。
附圖說明
圖1是集成片上天線的太赫茲主動成像收發(fā)機系統(tǒng)的結構圖。
圖2是主動成像收發(fā)機系統(tǒng)成像原理示意圖。
圖3是兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊示意圖。
圖4是片上天線模塊示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖,對實施例作詳細說明。
實施例1
本實施例提出一種單片集成天線,接收機以及發(fā)射機的太赫茲主動成像系統(tǒng),如圖1所示,包括:片上天線模塊,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器(Push-Push VCO)模塊,功率檢測器(DET)模塊,可編程增益放大器(PGA)模塊,斬波器(Chopper)模塊,低通濾波器(LPF)模塊。所述片上天線模塊的TX_PORT端和所述Push-Push VCO模塊的TX_PORT端相連,所述片上天線模塊的RX_PORT端和所述DET模塊的輸入端相連,所述DET模塊的輸出端和所述PGA模塊的輸入端相連,所述PGA模塊的輸出端和所述Chopper模塊的第一輸入端相連,所述Chopper模塊的輸出端和LPF模塊的輸入端相連,所述LFP模塊的輸出端通過片上管腳DC_OUT連接到片外輸出,所述Chopper模塊的第二輸入端和所述Push-Push VCO模塊的輸入端相連,并通過片上管腳VCHOP連接到片外。其中:
片上天線模塊,采用折疊漏波天線結構。天線信號線由片上頂層金屬構成,天線地平面由底層金屬構成。如圖4所示,折疊漏波天線共有兩個端口,這兩個端口分別連到發(fā)射機射頻信號端口(TX_PORT)和接收機射頻信號端口(RX_PORT)。包括:第一傳輸線(TL1),第二傳輸線(TL2),第三傳輸線(TL3),第一漏波天線(ANT1),第二漏波天線(ANT2),第一電容(C1),第二電容(C2),第三電容(C3),第四電容(C4)。其中,第一漏波天線和第二漏波天線結構對稱,第一傳輸線用于連接第一漏波天線和第二漏波天線,第二傳輸線、第一電容和第二電容用于將第一漏波天線的阻抗匹配到50歐姆,第三傳輸線、第三電容和第四電容用于將第二漏波天線的阻抗匹配到50歐姆。
兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊,以下簡稱Push-Push VCO,如圖3所示,包括:第四傳輸線(TL4),第五傳輸線(TL5),第六傳輸線(TL6),第七傳輸線(TL7),第八傳輸線(TL8),第九傳輸線(TL9),第十傳輸線(TL10),第五電容(C5),第六電容(C6),第七電容(C7),第一NMOS管(M1),第二NMOS管(M2),第一電阻(R1),第二電阻(R2),第一容抗二極管(VAR1),第二容抗二極管(VAR2)。其中,第五傳輸線(TL5),第六傳輸線(TL6),第七傳輸線(TL7),第八傳輸線(TL8),第九傳輸線(TL9),第十傳輸線(TL10),第一NMOS管(M1),第二NMOS管(M2),第一容抗二極管(VAR1),第二容抗二極管(VAR2)以及第二電阻(R2)構成了一個震蕩頻率為f0的差分考畢茲振蕩器,通過改變第一容抗二極管(VAR1)和第二容抗二極管(VAR2)的電容值可以有效的控制振蕩器的振蕩頻率。該差分考畢茲振蕩器不僅會產生頻率為f0的震蕩信號,同時會產生頻率為2倍f0的震蕩信號2f0,震蕩信號2f0在節(jié)點A從考畢茲振蕩器輸出,經過第七電容(C7)在發(fā)射機射頻信號端口(TX_PORT)輸出。端口VDD提供直流電源電壓經過第四傳輸線(TL4)從節(jié)點A給差分考畢茲振蕩器供電。第一電阻(R1),第五電容(C5),第六電容(C6)構成的無源RC網絡用于耦合端口VDD上的電源噪聲。
實施例2
在圖1中給出了此主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的一個實施例。該實施例由片上天線模塊,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊,功率檢測器模塊,可編程增益放大器模塊,斬波器模塊,低通濾波器模塊組成。該實施例共具有兩個工作模式,分別為發(fā)射模式和接收模式。當該實施例處于發(fā)射模式下,只有片上天線模塊,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊參與工作。具體工作過程可描述如下:方波信號通過管腳VCHOP從芯片外輸入到芯片上,該方波信號控制兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊的工作狀態(tài),當方波信號處于低電位時,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊停止工作,不向片上天線模塊輸出功率,當方波信號處于高電位時,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊開始工作,向片上天線模塊輸出功率,因此當用該方波信號控制兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊時,兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊可以對片上天線模塊輸出幅度調制的載波信號,片上天線模塊將該幅度調制的載波信號輻射出去。上述即為該實施例的發(fā)射模式。當該實施例處于接收模式下,只有片上天線模塊,功率檢測器模塊,可編程增益放大器模塊,斬波器模塊,低通濾波器模塊參與工作。具體工作過程可描述如下:空間中的幅度調制的載波信號被片上天線模塊接收并輸出給功率檢測器模塊,功率檢測器模塊將該幅度調制的載波信號解調,得到解調信號并輸出給可編程增益放大器模塊,可編程增益放大器模塊將解調信號進行放大并將放大后的解調信號輸出給斬波器模塊,斬波器模塊將該解調信號進一步解調為直流信號,該直流信號的值與解調信號的幅度成正比,該直流信號進過低通濾波器模塊的進一步濾波后從管腳DC_OUT輸出到片外。上述即為該實施例的接收模式。
本主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的成像原理解釋如下:
在圖2中給出了此主動成像收發(fā)機系統(tǒng)的成像原理示意圖。該成像過程需要兩個主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)實現,兩個主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)分別處于發(fā)射模式和接收模式。其中,處于發(fā)射模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)向外輻射幅度調制的電磁波,經過衰減PL被處于接收模式的主動成像單片收發(fā)機接收。衰減PL由兩部分構成,分別為電磁波在空間中的傳播衰減PL1以及電磁波穿過成像目標的透射衰減PL2。其中電磁波在空間中的傳播衰減PL1可表示為:
其中,λ表示載波頻率對應的波長,R表示處于發(fā)射模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)和處于接收模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)之間的距離。該成像系統(tǒng)的功能是分辨出成像目標的透射衰減PL2的值,透射衰減PL2可表示為:
PL2=Pt-PL1-Pr+2GANT
其中,Pt表示處于發(fā)射模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的輸出功率,Pr表示處于接收模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的接收功率,GANT表示片天天線模塊的增益。對透射衰減PL2的分辨精度ΔPL2可表示為:
其中,k為開爾文常數,T表示溫度,F表示處于接收模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的噪聲系數,BLPF表示低通濾波器模塊的帶寬,Rv表示處于接收模式的主動成像單片收發(fā)機系統(tǒng)的功率到電壓的轉化增益。
本發(fā)明的集成片上天線的太赫茲主動成像收發(fā)機系統(tǒng),其優(yōu)點第一在于單片同時集成了接收機和發(fā)射機,并且接收機和發(fā)射機共用一個片上天線,系統(tǒng)的尺寸小而且成本低,其優(yōu)點第二在于采用無源倍頻的電路結構,有效的提高了電路的工作頻率,使電路的工作頻率可以在晶體管的截止頻率以上,其優(yōu)點第三在于將發(fā)射機的斬波器模塊合并到兩倍頻輸出信號的信號發(fā)生器模塊中,提高了發(fā)射機的輸出功率,提高了該主動成像系統(tǒng)的有效工作距離。
此實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式,但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此,本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。