一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统
阅读说明：本技术 一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统 (Miniaturized millimeter wave terahertz system based on multifunctional chip ) 是由 孙泽月 王健 王晓鹏 张力维 侯振华 陈林 姚武生 涂昊 于 2020-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统,属于毫米波/太赫兹成像技术领域,包括频率源、分配网络、多功能芯片、天线阵列、控制模块、电源模块,所述频率源、所述分配网络、所述多功能芯片、所述天线阵列依次连接,所述控制模块分别与所述频率源、所述分配网络、所述多功能芯片、所述天线阵列连接。本发明将倍频、放大、混频、开关等两种或多种功能电路集于多功能芯片一身,结合相应规模的分配网络、天线阵列以及控制和电源,大大减少系统互连和系统体积,减小系统设计难度和成本,提高性能指标的一致性,使得有限空间内复杂的多通道毫米波太赫兹系统工程化成为可能。(The invention discloses a miniaturized millimeter wave terahertz system based on a multifunctional chip, which belongs to the technical field of millimeter wave/terahertz imaging and comprises a frequency source, a distribution network, the multifunctional chip, an antenna array, a control module and a power supply module, wherein the frequency source, the distribution network, the multifunctional chip and the antenna array are sequentially connected, and the control module is respectively connected with the frequency source, the distribution network, the multifunctional chip and the antenna array. The invention integrates two or more functional circuits such as frequency doubling, amplification, frequency mixing, switching and the like into a whole, and combines a distribution network, an antenna array, control and a power supply with corresponding scales, thereby greatly reducing the system interconnection and the system volume, reducing the system design difficulty and cost, improving the consistency of performance indexes and enabling the engineering of a complex multichannel millimeter wave terahertz system in a limited space to be possible.)
技术领域
本发明涉及毫米波/太赫兹成像技术领域，具体涉及一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统。
背景技术
近年来，公共场所的恐怖暴力袭击事件频频发生，如2013年的美国波士顿马拉松爆炸案，2011年莫斯科多莫杰多沃机场自杀式爆炸袭击，2005年英国伦敦地铁及巴士连环爆炸案等，造成了重大人员伤亡和严重的财产损失。因此机场、海关、火车站、地铁站等人员密集公共场所的安全检查日益受到世界各国的广泛关注。但随着科学技术的发展，犯罪分子所携带的危险品科技含量也越来越高，种类也越来越多，这些危险品可能是液体、塑料制品、陶瓷制品、粉末以及散装爆炸物等，这就对安全检查系统的准确性、实时性和智能化提出了更高的要求。
随着科学技术的发展，尤其是毫米波太赫兹技术的广泛应用，毫米波太赫兹成像设备已经成为一种主流的人体安检手段，其应用前景也越来越好。与传统的金属探测器和X光成像设备相比，毫米波太赫兹安检成像系统能够检测出塑料、液体、陶瓷等非金属危险品，同时作为一种非电离设备，适度辐射功率的前提下，对人体健康不会造成影响。毫米波太赫兹人体安检成像系统分为主动式和被动式两种，被动式直接利用人体自身的热辐射进行被动式成像，实现对人体体表携带隐匿物品的探测。主动式采用微小功率的毫米波/太赫兹辐射照射人体并探测人体的散射回波，之后通过特定的成像算法重构检测区域图像，受环境条件影响较小，信噪比远远高于被动式成像，因此主动式毫米波太赫兹安检成像系统在未来的高准确率人体安检领域具有不可替代的优势。
然而随着所用波段的不断提高，毫米波太赫兹波段信号的波长越来越小，尤其是毫米波太赫兹系统采用多发多收技术体制，收发通道数量多，在有限的空间内采用分立元器件构成毫米波太赫兹系统已经变得非常困难，无论从一致性、设计难度，还是从互连工艺、装调难度来分析，都将带来工程上的不可实现性。因此，提出一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决因空间有限而导致的毫米波太赫兹波段系统设计困难问题，提供了一种基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括频率源、分配网络、多功能芯片、天线阵列、高频印制板、控制模块、电源模块。所述频率源为底层连续波体制信号产生装置(产生底层信号源)，并为整个毫米波太赫兹系统提供参考基准，所述分配网络按照系统的规模将频率源生成的信号分配给各个多功能芯片，所述多功能芯片包含多功能发射芯片、多功能接收芯片以及集成收发功能的多功能收发芯片，多功能发射芯片将底层信号源变频至毫米波或太赫兹系统发射频率，多功能接收芯片将接收信号变频至中频，而集成收发功能的多功能收发芯片为多功能发射芯片和多功能接收芯片的功能做进一步集成，所述天线阵列实现毫米波太赫兹信号的发射和接收功能，所述高频印制板为分配网络、多功能芯片、天线阵列以及控制模块等一种或多种功能模块的载体，所述控制模块为频率源、分配网络、多功能芯片、天线阵列等按系统功能提供控制时序或进行波束调度，所述电源模块为整个毫米波太赫兹系统供电。
更进一步地，所述频率源为多种体制的频率合成器，可产生步进频连续波、线性调频连续波、脉冲、三角波等一种或多种信号形式，其信号起始时间和初始相位由所述控制模块控制，且根据系统的实现形式，频率源可选择性地拆分为多个部分。
更进一步地，所述分配网络按照系统的规模将频率源生成的信号分配给各个多功能芯片，包含发射通道分配网络和接收通道分配网络，分配网络的实现方式包含以下三种中的一种或多种：一、通过多通道功分网络实现信号分配，二、通过开关阵列实现的信号分配网络，三、多通道功分网络与开关阵列混合实现信号分配。
更进一步地，所述多功能芯片包含多功能发射芯片、多功能接收芯片以及集成收发功能的多功能收发芯片。多功能发射芯片将底层信号源(所述频率源生成的信号)变频至毫米波或太赫兹系统发射频率，多功能发射芯片的内部功能模块包括(但不局限于)放大、变频(倍频、混频、分频)、开关(或功分)、检波、天线等，两种及以上功能进行任意组合即可称之为多功能发射芯片。多功能接收芯片将接收信号变频至中频，其内部功能模块包括(但不局限于)放大、变频(倍频、混频、分频)、开关(或功分)、检波、天线等，两种及以上功能进行任意组合即可称之为多功能接收芯片。而集成收发功能的多功能收发芯片为多功能发射芯片和多功能接收芯片的功能做进一步集成，同样，两种及以上功能进行任意组合即可称之为多功能收发芯片。多功能芯片的通道数量可能是一个或多个，每个通道均可根据系统要求独立控制。
更进一步地，所述天线阵列实现毫米波太赫兹信号的发射和接收功能，发射和接收天线阵列形式可以是一维阵列，也可以是多维阵列，一维阵列可以是直线阵、折线阵或者弧形阵等，多维阵列可以是满阵或者稀疏阵，发射和接收天线单元的数量可以相等，也可不相等，天线单元极化方式可以是线极化、圆极化或者椭圆极化，天线单元结构形式可以是(但不限于)喇叭天线、印制板天线或片上天线。
更进一步地，所述控制模块为频率源、分配网络、多功能芯片、天线阵列等按系统功能提供精确控制时序或进行波束调度，硬件平台是基于FPGA、DSP、CPLD、MCU中的一种或几种的组合并结合配套电路所制成的时序控制或波束调度板卡，可单独成一个功能模块，或与分配网络、多功能芯片、天线等集成入高频印制板内。
更进一步地，所述电源模块为整个毫米波太赫兹系统供电，电源形式可是AC-DC、DC-DC、LDO中的一种或几种组合。
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统，将倍频、放大、混频、开关等两种或多种功能电路集于多功能芯片一身，结合相应规模的分配网络、天线阵列以及控制和电源，大大减少系统互连和系统体积，减小系统设计难度和成本，提高性能指标的一致性，使得有限空间内复杂的多通道毫米波太赫兹系统工程化成为可能，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例中毫米波太赫兹系统原理图；
图2是本发明实施例中分配网络原理图；
图3是本发明实施例中多功能芯片原理图；
图4是本发明实施例中天线阵列原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例的毫米波太赫兹系统包括频率源100、分配网络200、多功能芯片300、天线阵列400、高频印制板500、控制模块600、电源模块700；频率源100为底层多体制信号产生装置，为多功能芯片300提供所需的发射信号和接收所需的本振信号，并为整个毫米波太赫兹系统提供参考基准；分配网络200将频率源100产生的信号按照系统规模进行分配，以满足多个多功能芯片300的输入信号要求。天线阵列400将多功能芯片300的输出信号发射到自由空间，同时接收回波信号后输入到多功能芯片300中进行下变频；高频印制板500为分配网络200、多功能芯片300、天线阵列400等一种或多种功能模块提供载体，以提高系统集成度，实现小型化要求；控制模块600提供频率源100、分配网络200、多功能芯片300以及天线阵列400所需的时钟序列，保持各模块之间的时间同步，并按照系统工作模式提供控制信号；电源模块700提供整个毫米波太赫兹系统正常工作所需的供电。
在本实施例中，频率源100为连续波频率合成器，可产生步进频连续波或线性调频连续波信号，本实施例以DDS为核心芯片产生射频步进频连续波信号或线性调频连续波，再通过一系列变频、滤波、放大得到所需频段的步进频连续波信号或线性调频连续波信号，其信号起始时间和初始相位由所述控制模块600控制，且根据系统的实现形式，将频率源100做成一个整体机箱的形式。
在本实施例中，分配网络200按照系统的规模将频率源100生成的信号分配给各个多功能芯片300，包含发射通道分配网络和接收通道分配网络，分配网络200采用多通道功分网络201实现信号分配，也可通过开关阵列202实现的信号分配网络，亦或是多通道功分网络与开关阵列混合203实现信号分配，一个系统中可以采用其中的一种或者多种分配形式。
在本实施例中，多功能芯片300包含多功能发射芯片301、多功能接收芯片302以及集成收发功能的多功能收发芯片303。多功能发射芯片301将频率源100产生的信号变频至毫米波太赫兹系统发射频率，多功能发射芯片301的内部功能模块包含一个驱动放大器、一个倍频器、一个滤波器、由三个一分二开关构成的一分四开关网络等，通道数量为四个。多功能接收芯片302将接收信号变频至中频，其内部功能模块包含一个驱动放大器、四个低噪声放大器、四个中频放大器、一个倍频器、五个滤波器、四个混频器、由三个一分二开关构成的一分四开关网络等，通道数量是四个。而集成收发功能的多功能收发芯片303为多功能发射芯片301和多功能接收芯片302的功能做进一步集成，发射和接收通道数量各四个，多功能芯片300的每个通道可单独控制。根据系统功能要求可能使用多功能芯片300中的一种或多种。
在本实施例中，天线阵列400实现毫米波太赫兹信号的发射和接收功能，发射和接收天线单元采用收发分置圆极化或线极化印制板天线，阵列形式分为一维直线阵列401和二维稀疏阵列402两种，发射天线单元和接收天线单元的数目相等，需要注意的是：直线阵、折线阵或者弧形阵均应归属于一维阵列401。为了进一步提高系统的集成度，本实施例天线单元采用的是印制板天线或片上天线。
在本实施例中，高频印制板500为多功能芯片300、分配网络200以及天线阵列400等多种功能模块的载体，其所用材料为罗杰斯4350B，且总层数为8层，表面沉金工艺。
在本实施例中，控制模块600采用FPGA平台制成时序控制和波束调度板卡，产生一系列脉冲信号，为多功能芯片300、天线阵列400、分配网络200等按系统功能提供精确控制时序或进行波束调度。
在本实施例中，电源模块700为整个毫米波太赫兹系统供电，电源形式采用AC-DC、DC-DC、LDO三种形式进行组合。
综上所述，本实施例的基于多功能芯片的小型化毫米波太赫兹系统，将倍频、放大、混频、开关等两种或多种功能电路集于多功能芯片一身，结合相应规模的分配网络、天线阵列以及控制和电源，大大减少系统互连和系统体积，减小系统设计难度和成本，提高性能指标的一致性，使得有限空间内复杂的多通道毫米波太赫兹系统工程化成为可能，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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