[发明专利]一种CMOS集成源的太赫兹超外差正交探测阵列

摘要

本发明公开了一种CMOS集成源的太赫兹超外差正交探测阵列。该阵列基于CMOS固态电路超外差探测太赫兹波原理，建立全相位、全集成、高灵敏度的IQ混频全相位探测机制和方法。探索有源分布式多相正交耦合变压器理论及设计方法，构建高灵敏度单片集成探测系统，并围绕辐射环、正交耦合变压器、混频器、振荡器等关键电路模块在CMOS芯片中实现。探测器实现了片上集成源的2×2探测器阵列架构，控制源从芯片背面辐射，探测器在芯片的正面接收信号，有效提高了源与探测器的隔离，解决了源与探测器之间的相互影响问题，并且该装置能够实现0～360°全相位信息的获取，实现被测物体的内部构造3D成像。

主权项

1.一种CMOS集成源的太赫兹超外差正交探测阵列，其特征在于，包括四个环形片上天线、四组IQ混频探测单元形成2×2阵列，以及分布式多路正交信号源；所述四个环形片上天线分别通过分布式多路正交信号源为太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线与四组IQ混频探测单元以特定的方式进行连接，该方式为分布式多路正交信号源左上角的天线左路馈线接IQ混频器的Q路，天线右边馈线接IQ混频器I路；处于分布式多路正交信号源右上角的天线右路馈线接IQ混频器的Q路，天线左路馈线接IQ混频器的I路；处于分布式多路正交信号源左下角的天线左路馈线接IQ混频器的Q路，天线右路馈线接IQ混频器的I路；处于分布式多路正交信号源右下角的天线的右路馈线接IQ混频器的Q路，天线左路馈线接IQ混频器的I路；分布式多路正交信号源用于同时产生太赫兹定向辐射波束和多路正交信号；由四组IQ混频探测单元混频之后产生的I路和Q路中频信号，经放大滤波采样后即可获得被测信号的幅值和相位信息；四个环形片上天线用于接收太赫兹信号；所述分布式多路正交信号源为太赫兹片上嵌入多路耦合器的功率合成天线，自底向上依次包括地平面、耦合线圈、等长交叉双环天线；该功率合成天线使用标准CMOS工艺，该工艺包含至少四层金属；地平面使用最底层金属(1)；耦合线圈使用第二层金属(2)；等长交叉的双环天线的结构使用最顶层金属层(4)，受到加工工艺的限制，连接部分需要使用到第三层金属层(3)，并且使用过孔进行连接；所述地平面上开有环形的地平面开槽(7)，地平面开槽(7)将地平面分割成地平面A(6)和圆形的地平面B(8)，圆形的地平面B(8)位于环形的地平面开槽(7)的中心；地平面A(6)在环绕地平面开槽(7)的一周，均匀分布伸入地平面开槽(7)内部的凸起A(33)、凸起B(34)、凸起C(35)和凸起D(36)，凸起A(33)、凸起B(34)、凸起C(35)和凸起D(36)用于信号注入端接地，在天线和地平面A(6)之间形成回路；地平面B(8)用于耦合线圈接地面使用；所述耦合线圈为带有缺口的环形线圈，缺口处引出两条线接外部工作电路，用于进行四路差分信号输出；所述耦合线圈包括耦合线圈A(13)、耦合线圈B(14)、耦合线圈C(15)和耦合线圈D(16)；耦合线圈按照相差物理角度90度、和伸入地平面开槽(7)的凸起相差45度分布在等长交叉双环天线的一周，且位于等长交叉双环天线下方；所述耦合线圈A(13)的接地线通过过孔A(9)连接地平面B(8)；耦合线圈B(14)的接地线通过过孔B(10)连接地平面B(8)；耦合线圈C(15)的接地线通过过孔C(11)连接地平面B(8)；耦合线圈D(16)的接地线通过过孔D(12)连接地平面B(8)；所述等长交叉双环天线包括相互交叉的环A(23)和环B(24)；环A(23)和环B(24)的主体部分位于最顶层金属(4)，环A(23)和环B(24)的交叉处呈180度分布，由于受到工艺的限制，该交叉处分别设有辅助连接A(17)和辅助连接B(18)，且辅助连接A(17)和辅助连接B(18)均位于第三层金属(3)，其中辅助连接B(18)通过过孔G(21)和过孔H(22)同环A(23)的主体部分相连；辅助连接A(17)通过过孔E(19)和过孔F(20)同环B(24)的主体部分相连；环A和环B的周长相等，为基波信号的波长。