毫米波全波段主动倍频器

太赫兹波是指频率在0.1THz~10THz内的电磁波，它的波长介于30~3000μm，在频谱中的位置处于微波和可见光之间，长波段部分与毫米波重合，短波段部分与红外线重合，在电磁波频谱中占据非常特殊的位置，具有很多特殊的性质：宽带性、互补性、瞬态性、相干性、低能性、投射性。相对于毫米波而言，太赫兹波的频率更高、波长更短，因此具有更高的分辨率、更强的方向性和更大的信息容量，同时器件可以更小；相对于光波而言，太赫兹波具有更强的穿透性，适合于云雾、硝烟等极端恶劣环境。太赫兹频率源是太赫兹技术发展的关键，其性能指标影响着整个太赫兹系统的性能，所以太赫兹频率源的获得至关重要。通过倍频的方式获得的信号源具有高频稳定性好、设备的主振动频率低、工作频段宽的优点，是目前获取太赫兹频率源广泛采取的方案。基于GaAs肖特基二极管的太赫兹倍频器因其高效率、低能量消耗和室温下可适用性，已广泛用于外差接收器中局部振荡器(LO)的可靠信号源。太赫兹倍频器具有广泛的实际应用，包括大气遥感、医学成像甚至高速通信。目前，用于封装太赫兹倍频器的波导腔体通常采用计算机数控(CNC)加工制造，该工艺成熟，可实现高精确度、高精密度和良好表面光洁度，能满足电子元件与波导腔体间严格的尺寸公差要求。近年来，3D打印凭借其小批量快速加工的能力，逐渐被用于加工被动微波器件。但是，兼具大的打印幅面以及高公差控制的打印设备较少，因此鲜少有3D打印制备超过100GHz频段的器件报道。3D打印的倍频器更是未见报道。图1. 125GHz倍频器的剖面图:(a)波导腔体的布局 (b)MMIC的特写图2. 微纳3D打印的波导腔体(左)和放置MMIC的波导通道(右)近日，英国伯明翰大学的Talal Skaik和Yi Wang等首次采用面投影微立体光刻(PμSL)3D打印工艺制备太赫兹倍频器的波导腔体。研究团队使用摩方精密科技有限公司(BMF)的nanoArch S140系统3D打印了波导腔体，打印材料为耐高温树脂(HTL)，如图2所示，外形尺寸为30.4 mm×25.5 mm×19.1 mm，打印层厚为20μm以及光学精度为10μm。打印后在异丙醇中清洗，并进行30分钟的紫外线固化，最后在60°C下进行30分钟的热固化。制备的波导腔体通过光学系统检测并未发现缺陷，与MMIC（单片微波集成电路）配合的波导通道测量值为609μm，优于设计的630μm；同时超高光学精度打印保证了严格的尺寸公差，确保波导腔体的两部分能精确配合，避免MMIC电路的损坏。图3. 电镀后波导腔体的表面光洁度图4. 装配后的太赫兹倍频器为促进信号的传递以及减小外界干扰，在波导腔体表面镀上4μm厚的铜和0.1μm厚的金，平均表面光洁度约为1.4μm，如图3和图4所示，电磁仿真结果表明该粗糙度对变频损耗的影响可以忽略不计。图5. 3D打印与传统CNC加工的太赫兹倍频器的性能参数对比实验测试发现，3D打印制备的太赫兹倍频器与传统CNC制备的倍频器性能非常接近，相关性能参数如图5所示。3D打印的太赫兹倍频器在输出频率为126GHz下达到33mW的最大输出功率，在80mW~110mW的输入功率下转换效率约为32%，与传统CNC加工的倍频器具有相近的最大输出功率和转换功率。此研究成果以题为“125 GHz Frequency Doubler using a Waveguide Cavity Produced by Stereolithography”发表在会议期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》上。

安检作为维护国防、机场、车站、港口等大型活动场所安全的重要环节，一直备受重视。目前广泛使用的“金属门加手检”的安检方式，虽然能维护公共安全，但存在一定局限性。首先，“金属门加手检”无法检测爆炸物、陶瓷刀、液体等非金属危险品；另一方面，这种方式需要触碰旅客身体，且精度低、检查时间长、舒适性差，因此需要发展新安检技术。随着我国安全检查技术的不断发展，“安检智慧化”也被逐渐提上日程。使用更加高科技的手段保障社会公共安全也成为大众的共识。为应对社会的发展需求，近年来，毫米波太赫兹安检技术应运而生并日益成熟。目前，已在地铁、机场、医院、会展等应用领域及场景中开展了试用和应用。毫米波太赫兹安检技术产业化发展也将迎来快速的增长。此外，毫米波太赫兹作为新兴技术在国内发展迅速，在某些方面已赶超发达国家。毫米波太赫兹安检仪器的国产化已达到很高的程度，几乎可以达到“自给自足”，部分关键部件性能甚至超过发达国家生产的部件。毫米波太赫兹安检技术或有望成为中国领先世界的领域。为了加强技术交流，分享科学成果，促进企业产品推广，进一步焕发市场活力，毫米波太赫兹产业发展联盟特联合仪器信息网共同举办“毫米波太赫兹安检产业发展论坛” 暨首届 “蓝海杯”2020年度毫米波太赫兹安检仪器产品评奖活动。共同推荐毫米波太赫兹安检技术产业化进程。致辞刘海瑞，博士、中国信息通信研究院高级工程师。博士毕业于北京邮电大学，物理电子学专业。博士期间，前往英国卢瑟福阿普尔顿实验室交流访问一年。博士毕业后，进入北京邮电大学信息与通信工程学院博士后流动站工作。出站后进入中国信息通信研究院泰尔终端实验室工作。刘海瑞博士主要从事毫米波、太赫兹固态电子电路的研究。进入中国信通院后，依托研究院的行业优势，主要从事新技术、新领域的平台建设。毫米波太赫兹产业联盟的秘书处工作。报告题目：被动太赫兹成像探测中的统计无线电技术（点击回放）邱景辉，博士，哈尔滨工业大学教授，博导，电磁场与微波技术学科带头人、微波与天线技术研究所所长，乌克兰技术科学院外籍院士，获得国家科技进步二等奖、国防科技进步一等奖，省部级二等奖、三等奖，111引智基地负责人，自然科学基金重点项目群重点项目负责人，以及多项国防和民用项目负责人，筹划组织了4届中乌科技论坛，并担任中乌科技论坛大会执行主席，发表论文150余篇，专利30余项。报告题目：毫米波太赫兹安检成像探测技术进展及展望（点击回放）赵自然，博士，清华大学研究员，男，1977年生，现任危爆物品扫描探测技术国家工程实验室副主任，粒子技术与辐射成像教育部重点实验室副主任、警务物联网应用技术公安部重点实验室副主任。近年来，围绕探测与成像技术，开展成像信号探测、信息处理、系统构建研究。针对近场毫米波全息成像的精度和成本问题，改进了成像物理模型，提出基于标量衍射理论的精确重建算法和基于相位解卷绕的距离向分辨率增强方法，首次实现平面扫描的高精度重建，并将成果转化为机场海关应用的毫米波人身安检仪。为发展太赫兹安检成像，揭示了太赫兹激发光热电效应的科学机理和物理特性，提出太赫兹光热电探测技术，研制出自供电高灵敏原型器件，获得超宽频谱响应。近5年，通讯作者发表SCI论文18篇；第一发明人发明专利授权16项，国际发明专利授权18件。作为团队核心成员获国际发明展览会金奖、中国体视学学会科学技术奖一等奖、国家科技进步奖创新团队奖等；作为第一完成人获得2019年北京市科技进步一等奖、第二十一届中国专利优秀奖；入选科技部创新人才推进计划、国家万人计划科技创新领军人才；2019年被评为清华大学先进工作者。报告题目：近场雷达目标特性与人体安检成像（点击回放）胡伟东，北京理工大学毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室博士生导师，首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室外聘教授，主要研究领域是毫米波/太赫兹空间探测与遥感技术。承担国家自然科学基金重大科学仪器项目和民用航天太赫兹成像重大项目，目前已有三项成果通过部级鉴定。学术兼职方面担任工信部无线电频率规划专家组成员、中国通信学会天线与射频技术专委会委员，毫米波太赫兹产业联盟副理事长，多次担任国际会议 Session Chair，担任IEEE Transaction on Antenna and Propagation和《电子学报》审稿专家。报告题目：太赫兹固态信号发生、接收与前端组件集成技术邓建钦，博士，研究员级高工，工作于中电科思仪科技股份有限公司，长期从事毫米波及太赫兹测试技术研究和测试仪器研制工作，主持完成重大专项、预研、型号等多项国家项目，成功开发系列毫米波及太赫兹测试仪器，解决了国内毫米波与太赫兹技术研究和应用开发等测试问题；开发了系列毫米波与太赫兹应用前端组件，满足了成像、探测等应用开发需求。成果获国家科技进步奖1项，省部级奖项6项，发表学术论文20余篇，申请国家发明专利30余项。报告题目：毫米波PIN二极管开关芯片及其在毫米波安检成像中的应用（点击回放）高一强，博士毕业于中科院上海微系统与信息技术研究所，2019年加入上海微系统所工作至今。主要研究兴趣为基于化合物半导体的毫米波集成电路设计，微波、毫米波组件及其在探测和传感中的应用。曾参与重大仪器专项、自然基金重点、中科院STS等项目。成功研制Ka波段毫米波成像的整套前端芯片（低噪放、功放、混频器、倍频器等），W波段毫米波成像用的四通道发射与接收SOC芯片。关于首届 “蓝海杯”2020年度毫米波太赫兹安检仪器产品评奖活动本次大赛的主题是“毫米波太赫兹技术赋能、人体安检行业来到新时代”，旨在向全社会各行各业广泛征集毫米波太赫兹技术在安检安防领域的新产品、新应用和新技术，发挥行业的需求引领作用，发掘企业及个人的创新设计，集思广益，力争孵化一批新产品新应用，为毫米波太赫兹安检产品的产业化商用奠定基础。本次大赛设置特等奖、最佳人气奖、最佳设计奖、最佳商业价值奖、最佳社会效益奖、入围奖（优秀产品奖）等特色奖项。联盟与组委会将积极推动参赛项目与项目孵化单位的合作，进行产业化孵化。下午 ：首届“蓝海杯”毫米波太赫兹安检仪产品评奖活动专题报告会汇报厂家：1、 江苏亨通太赫兹技术有限公司2、 欧必冀太赫兹科技（北京）有限公司3、 博微太赫兹信息科技有限公司4、 北京航天易联科技发展有限公司5、 中国电子科技集团公司第十四研究所6、 同方威视技术股份有限公司结果近期即将揭晓，敬请期待！特别放送：报告题目：新型人体安检产品的应用浅析（点击回放）王璞，男，毕业于浙江大学，现就职于同方威视技术股份有限公司，常年从事以“人”为中心的成像式新型人体安检设备研发，产品化，基于特定行业的解决方案开发等工作，涉及的主要技术产品包含：主动式毫米波人体、被动式太赫兹人体、背散射人体、X射线透视人体安检仪等。曾负责公司人体安检产品在欧洲及中国民航的认证工作，并参与撰写毫米波仪器设备国标和国际标准草案，具有丰富的全球人体安检领域实践经验，熟悉不同国家和地区、不同用户群体的“人检”需求和应用模式，主导公司人体安检类仪器设备在美加澳新等国公检法领域的使用模式设计及应用；主导仪器设备在欧洲、中东、亚洲、非洲各国机场和海关的部署和应用实践工作。

2月28日，国家自然科学基金重点项目“大口径主动光学亚毫米波/毫米波望远镜方案及关键技术研究”项目技术验收会在南京天文光学技术研究所召开。会议邀请了国家自然科学基金委、南京大学、紫金山天文台、新疆天文台、国家天文台的领导和专家，南京天光所崔向群院士、所长朱永田、党委书记张丽萍和项目组相关人员参加了此次会议。　　项目组长李国平研究员代表项目组报告了“大口径主动光学亚毫米波/毫米波望远镜方案及关键技术研究”项目的执行情况，以及在技术创新、专利和文献、人才培养、国际交流与合作等方面取得的成果。项目测试专家组组长紫金山天文台左营喜研究员报告了现场测试结果。专家组对项目预期研究的内容、实验结果和相关技术资料进行了认真审查，并现场考察了实验样机和面板检测装置。专家认为在“大口径主动光学亚毫米波/毫米波望远镜方案及关键技术研究”项目中所取得技术成果将为我国建造高精度大口径亚毫米波/毫米波望远镜提供重要的关键技术支持。　　会上，朱永田所长代表天光所感谢与会专家对项目取得成果的肯定，以及国家自然科学基金委一直以来对研究所在天文新技术、关键技术研究等方面的大力支持。同时，朱所长也表示在已取得的成果基础上我们还需进一步工程化研究，为该项成果的实际应用做好准备。　　大口径主动光学亚毫米波/毫米波望远镜方案及关键技术的研究是为我国能在未来有技术能力建造30米口径亚毫米波(观测波长可达0.2毫米)和100米口径毫米波望远镜(观测波长可达3毫米)做好技术准备。在研究过程中，研制出了一套适用于亚毫米波的实验样机，单块面板(650mmX650mm)面形优于5微米，并在国内首次实现了四块面板拼接，共相精度达到12微米 首次提出了可用于射电望远镜反射面检测的激光法线偏差测量方法 并在国内首次自主研制了分辨率达10纳米量级机电式微位移促动器。