CN107276540B - 一种太赫兹镜频抑制混频电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹镜频抑制混频电路，包括射频3dB分支波导定向耦合器、太赫兹基波混频器、本振H面波导功分器和中频分支线耦合器，所述射频3dB分支波导定向耦合器将进入的射频信号平分成两路相互正交的信号，经波导耦合到两个太赫兹基波混频器；所述本振H面波导功分器将本振驱动信号波导耦合到两个太赫兹基波混频器中，两个太赫兹基波混频器中产生的中频信号进入中频分支线耦合器后，得到分离的高边带中频输出和低边带中频输出。本发明通过上述原理，实现了在太赫兹频段抑制镜像频率，优化接收机噪声系数，防止镜像频率干扰太赫兹接收机***，产生虚假相应，降低***误码率。

Description

一种太赫兹镜频抑制混频电路

技术领域

本发明涉及太赫兹波领域，具体涉及一种太赫兹镜频抑制混频电路。

背景技术

太赫兹波(Terahertz)是指频段介于0.1～10THz，波长介于0.03mm～3mm范围内的电磁波。它既是电子学向光学区域的过渡，更是宏观向微观理论的过渡，这说明电子或光学的理论方法都可以尝试运用。太赫兹特殊的频段使其拥有许多特点：如信息容量高、分辨率高、空间和时间相干性好以及光谱的特征吸收等。这些独特性必然使得太赫兹波具备重大的研究价值，在无线通信、天文、雷达遥感探测、安全检测和国防军务等诸多领域都拥有巨大的应用前景。

目前，太赫兹技术在国际上被公认为是一个非常重要的交叉领域，可广泛应用于高速通信、雷达监测、安检成像和生物医疗诊断等领域。太赫兹技术的巨大应用空间得益于太赫兹波透视性、安全性、瞬态性、光谱分辨力和宽带等特性。太赫兹波的优良特性具体体现在以下几个方面：(1)很多非金属材料和非极性材料对太赫兹波的吸收能力较弱，从而使太赫兹波以较小的衰减从陶瓷、脂肪、塑料、纺织物中透射，这一特性可以应用于检测、成像等领域；(2)太赫兹波具有良好的安全性。与X射线相比，太赫兹波光子能量低，不足以引起原子激发，破坏分子结构，从而对生物组织造成离子化的破坏作用，因而成为生物医学检测的理想照射源；(3)典型太赫兹脉冲的脉宽在皮秒级，适合应用在精确时间分辨技术和采样技术；在信噪比方面，太赫兹脉冲比远红外脉冲高几个数量级，可有效抑制远红外背景噪声干扰；(4)大多数分子的转动或震动能阶均包含在太赫兹波段，许多有机分子对太赫兹频段的波呈现出吸收和色散特性，这些特点使太赫兹频段包含了丰富的光谱信息，利用该特性可以识别有机分子，在医学成像、遥感领域有巨大的应用前景；(5)太赫兹波波长小，频率范围从0.1THz到10THz，带宽资源丰富；用于通信领域，可以避开现阶段较为拥挤的通信频段。

在各应用场景中，太赫兹信号的接收技术是太赫兹***中的关键组成，混频器作为收发机中的关键部件之一，其性能对整个***有较重要的影响，特别是在太赫兹频段，由于缺少低噪放，混频器通常作为接收机的第一级电路，其性能将直接决定接收机噪声性能。在太赫兹接收机***中，混频器接收到ω_LO+ω_IF或ω_LO-ω_IF两种不同的射频信号时会产生相同的中频信号，我们不需要的射频信号即称为镜像频率，因为它处于输入信号相对于本振信号的镜像位置。镜像频率与本振混频后产生的中频信号与需要的中频信号混杂在一起无法区分，会恶化混频器的噪声系数。此外，对某些接收机***，镜像上可能存在干扰信号，会引起接收机的虚假响应。传统方法采用镜频滤波器来抑制镜频信号，但这种方法往往仅适用于高中频的情况。当信号频率上升到太赫兹频段时，将导致滤波器的中心频率高，而带宽极窄，这给实际制作到来很大的困难，工程上往往不予考虑。目前现有的太赫兹全固态混频电路方案不存在抑制镜像频率的设计方案；同时，目前大多数超外差接收机多采用谐波混频器，谐波混频器需要较高的本振驱动功率，这会导致电路功耗升高，造成器件的发热，减少器件的寿命；受制于加工条件的限制，电路具有多个端口输入输出的情况下多采用多级电路排布，设计中整体电路中需要多个基片和腔体，并且需要波导或探针连接各个电路。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的传输损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在太赫兹频段抑制镜像频率，目的在于提供一种太赫兹镜频抑制混频电路，实现了在太赫兹频段抑制镜像频率，优化接收机噪声系数，防止镜像频率干扰太赫兹接收机***，产生虚假相应，降低***误码率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种太赫兹镜频抑制混频电路，包括一种太赫兹镜频抑制混频电路，包括射频3dB分支波导定向耦合器、太赫兹基波混频器、本振H面波导功分器和中频分支线耦合器，所述射频3dB分支波导定向耦合器将进入的射频信号平分成两路相互正交的信号，经波导耦合到两个太赫兹基波混频器；所述本振H面波导功分器将本振驱动信号波导耦合到两个太赫兹基波混频器中，两个太赫兹基波混频器中产生的中频信号进入中频分支线耦合器后，得到分离的高边带中频输出和低边带中频输出。

在太赫兹频段，接收机灵敏度较高，频带范围较大，所收到的杂散信号较多。本发明采用本振H面波导功分器和射频3dB分支波导定向耦合器将信号以不同的相位加载到两个太赫兹基波混频器上，构成镜频抑制混频电路。射频信号ω_LO+ω_IF(通常称为高边带信号)和ω_LO-ω_IF(通常称为低边带信号)同时进入射频3dB分支波导定向耦合器，耦合出两路具有90度相位差的信号，本振信号通过波导分支电桥无相差的本振H面波导功分器为两个太赫兹基波混频器提供本振驱动，混频产生的两路中频信号经过中频分支线耦合器上的中频正交电路的相位变换，即可将高边带中频信号和低边带中频信号区分开，从中选择所需要的边带信号输出，不需要的一端接匹配负载，即达到了镜频抑制的目的。

本发明采用本振H面波导功分器和射频3dB分支波导定向耦合器将信号以不同的相位加载到两个太赫兹基波混频器上，通过对信号相位的合理处理，构成镜频抑制混频电路，抑制镜像频率，防止镜像频率信号对太赫兹全固态接收机产生的干扰，产生虚假响应，提高接收机的噪声系数，降低***误码率，提高***的整体性能。

本发明采用了对本振驱动功率需求较低的太赫兹基波混频器，杂散信号少，压缩点高，也降低了***的功耗。

优选的，所述太赫兹基波混频器包括射频波导-微带线、肖特基二极管、本振波导-微带线和中频滤波器，射频3dB分支波导定向耦合器的两个输出端口上均连接射频波导-微带线，本振H面波导功分器的两个输出端口上均连接本振波导-微带线，射频波导-微带线和本振波导-微带线均与肖特基二极管连接，混频产生的中频信号经由中频滤波器输出，中频滤波器输出端连接中频分支线耦合器。

为了提高本电路的稳定性，进一步抑制镜像频率，防止镜像频率信号对太赫兹全固态接收机产生的干扰，产生虚假响应，提高接收机的噪声系数，降低***误码率，提高***的整体性能，所述肖特基二极管为同向串联的多个二极管。

优选的，所述肖特基二极管的输入信号以TE₁₀模式馈入，肖特基二极管产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传输。输入信号在输入波导中以TE₁₀模式馈入到二极管阵列中，而由二极管产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传播，由于这两种模式的正交性，此结构本振端口和射频端口具有非常高的隔离度，阻止信号相互泄露，从而实现了本振端口和射频端口间的隔离，提高了电路的性能。

优选的，中频滤波器为CMRC低通滤波器。本方案采用CMRC低通滤波器(紧致微带谐振单元)，该谐振单元具有慢波效应和谐振带隙特性，能够显著提高太赫兹滤波器电路性能，同时该结构具有尺寸小，加工工艺简单，易于设计等特点。

优选的，所述射频3dB分支波导定向耦合器基于标准波导WR-4.3构成，是一种四端口的紧耦合正交混合电桥，由输入端口1、直通端口2、耦合端口3以及隔离端口4组成，其中直通端和耦合端作为输出端口，且两路输出端口信号存在90°的相位差。

优选的，所述隔离端口4接匹配负载。

为了避免多级电路的排布，利用3D打印技术在垂直方向上加工本振H面波导功分器。采用3D打印技术加工本振H面波导功分器，不仅可以极大地减小传统微机械加工切断壁电流导致的传输损耗，降低了电路的***损耗，更可以使电路从传统平面电路向新型立体电路结构转变。这种新型立体电路结构使得中频耦合环电路和混频器的微带线结构可构建在同一个平面上直接连接，合理利用了模块内部的空间，避免了多层电路排布的繁琐，有效简化电路设计和加工，减少了过渡结构，节约成本，减少了电路内部的损耗；所述本振H面波导功分器为采用3D打印技术加工的本振H面Y型波导功分器。

优选的，所述本振H面波导功分器基于标准波导WR-4.3构成。

为了实现功分器在宽频带内良好的匹配特性，提升整体电路性能，调整楔形结构的长和高可以实现功分器在宽频带内良好的匹配特性；所述本振H面波导功分器的功分端口为三角楔形结构，三角楔形结构的长和高能够调整。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用本振H面波导功分器和射频3dB分支波导定向耦合器将信号以不同的相位加载到两个太赫兹基波混频器上，通过对信号相位的合理处理，构成镜频抑制混频电路，抑制镜像频率，防止镜像频率信号对太赫兹全固态接收机产生的干扰，产生虚假响应，提高接收机的噪声系数，降低***误码率，提高***的整体性能。

2、本发明采用了对本振驱动功率需求较低的太赫兹基波混频器，杂散信号少，压缩点高，也降低了***的功耗。

3、本发明采用CMRC低通滤波器(紧致微带谐振单元)，该谐振单元具有慢波效应和谐振带隙特性，能够显著提高太赫兹滤波器电路性能，同时该结构具有尺寸小，加工工艺简单，易于设计等特点。

4、本发明采用3D打印技术加工本振H面波导功分器，不仅可以极大地减小传统微机械加工切断壁电流导致的传输损耗，降低了电路的***损耗，更可以使电路从传统平面电路向新型立体电路结构转变；这种新型立体电路结构使得中频耦合环电路和混频器的微带线结构可构建在同一个平面上直接连接，合理利用了模块内部的空间，避免了多层电路排布的繁琐，有效简化电路设计和加工，减少了过渡结构，节约成本，减少了电路内部的损耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为肖特基二极管结构示意图；

图3为太赫兹基波混频器结构示意图；

图4为中频滤波器结构示意图；

图5为射频3dB分支波导定向耦合器结构示意图；

图6为射频3dB分支波导定向耦合器仿真结果；

图7为本振H面波导功分器结构示意图；

图8为本振H面波导功分器仿真结果；

图9为中频分支线耦合器结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、射频3dB分支波导定向耦合器；2、射频波导-微带线；3、太赫兹基波混频器；4、肖特基二极管；5、高边带中频输出信号；6、本振H面波导功分器；7、本振波导-微带线；8、中频滤波器；9、中频分支线耦合器；10、低边带中频输出信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-9所示，本发明包括一种太赫兹镜频抑制混频电路，包括射频3dB分支波导定向耦合器1、太赫兹基波混频器3、本振H面波导功分器6和中频分支线耦合器9，所述射频3dB分支波导定向耦合器1将进入的射频信号平分成两路相互正交的信号，经波导耦合到两个太赫兹基波混频器3；所述本振H面波导功分器6将本振驱动信号波导耦合到两个太赫兹基波混频器3中，两个太赫兹基波混频器3中产生的中频信号进入中频分支线耦合器9后，得到分离的高边带中频输出5和低边带中频输出10。

在各应用场景中，太赫兹信号的接收技术是太赫兹***中的关键组成，混频器作为收发机中的关键部件之一，其性能对整个***有较重要的影响，特别是在太赫兹频段，由于缺少低噪放，混批器通常作为接收机的第一级电路，其性能将直接决定接收机噪声性能。在太赫兹接收机***中，镜像噪声会恶化混频器的噪声系数。此外，对某些接收机***，镜像上可能存在干扰信号，会引起接收机的虚假响应。

在太赫兹频段，接收机灵敏度较高，频带范围较大，所收到的杂散信号较多。本发明采用本振H面波导功分器和射频3dB分支波导定向耦合器将信号以不同的相位加载到两个太赫兹基波混频器上，构成镜频抑制混频电路。射频信号ω_LO+ω_IF(通常称为高边带信号)和ω_LO-ω_IF(通常称为低边带信号)同时进入射频3dB分支波导定向耦合器，耦合出两路具有90度相位差的信号，本振信号通过波导分支电桥无相差的本振H面波导功分器为两个太赫兹基波混频器提供本振驱动，混频产生的两路中频信号经过中频分支线耦合器上的中频正交电路的相位变换，即可将高边带中频信号和低边带中频信号区分开，从中选择所需要的边带信号输出，不需要的一端接匹配负载，即达到了镜频抑制的目的。

本发明采用本振H面波导功分器和射频3dB分支波导定向耦合器将信号以不同的相位加载到两个太赫兹基波混频器上，通过对信号相位的合理处理，构成镜频抑制混频电路，抑制镜像频率，防止镜像频率信号对太赫兹全固态接收机产生的干扰，产生虚假响应，提高接收机的噪声系数，降低***误码率，提高***的整体性能。

本发明采用了对本振驱动功率需求较低的太赫兹基波混频器，杂散信号少，压缩点高，也降低了***的功耗。

实施例2：

如图3所示，本实施例在实施例1的基础上优选如下：太赫兹基波混频器3包括射频波导-微带线2、肖特基二极管4、本振波导-微带线7和中频滤波器8，射频3dB分支波导定向耦合器1的两个输出端口上均连接射频波导-微带线2，本振H面波导功分器6的两个输出端口上均连接本振波导-微带线7，射频波导-微带线2和本振波导-微带线7均与肖特基二极管4连接，混频产生的中频信号经由中频滤波器8输出，中频滤波器8输出端连接中频分支线耦合器9。其中的射频波导-微带线2和本振波导-微带线7采用波导减高的形式可以使匹配更加良好。太赫兹基波混频器由射频端口过渡、本振端口过渡、中频低通滤波器三部分组成，在射频过渡端通过微带线和上腔体充分接触实现射频和直流的接地。

如图2所示，肖特基二极管4为同向串联的多个二极管。肖特基二极管是太赫兹全固态混频器的核心器件，它具有噪声小，带宽大，工作稳定，结构简单和截止频率高的特点。在太赫兹频段波长很小，电磁波的波长与二极管的物理尺寸相近，二极管的结构和封装会引起寄生效应，各部分的寄生参数对其非线性特性有重要的影响。在电路仿真时，需要考虑寄生电容、寄生电感等寄生参数。因此建立平面肖特基混频管三维电磁模型是非常有必要的，本混频器采用的二极管为同向串联二极管，提高本电路的稳定性，进一步抑制镜像频率，防止镜像频率信号对太赫兹全固态接收机产生的干扰，产生虚假响应，提高接收机的噪声系数，降低***误码率，提高***的整体性能。

肖特基二极管4的输入信号在输入波导中以TE₁₀模式馈入，肖特基二极管4产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传输。输入信号在输入波导中以TE₁₀模式馈入到二极管阵列中，而由二极管产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传播，由于这两种模式的正交性，此结构本振端口和射频端口具有非常高的隔离度，阻止信号相互泄露，从而实现了本振端口和射频端口间的隔离，提高了电路的性能。

如图4所示，中频滤波器8为CMRC低通滤波器。输出端采用50欧姆微带阻抗线实现，具有宽频带抑制寄生通带的特性，这样可以阻止谐波信号、本振信号、射频信号由中频段输出并将其反射回去，提高倍频和混频效率；其中标准波导WR-4.3具有抑制低频信号的作用，因此中频信号、本振信号、基波信号不会从射频端输出。本方案采用CMRC低通滤波器(紧致微带谐振单元)，该谐振单元具有慢波效应和谐振带隙特性，能够显著提高太赫兹滤波器电路性能，同时该结构具有尺寸小，加工工艺简单，易于设计等特点。

在太赫兹频段，电路尺寸急剧减小，导致传统微带线耦合器加工困难。波导电桥是一种非常常用的能够在太赫兹波段内实现功率分配/合成的电路结构，而且分支波导定向耦合器是一种四端口的紧耦合正交混合电桥，具有各端口匹配、隔离度高、***损耗小等优点，改善了三端口元件的不足，而且具有高功率容量的特性，使其在大功率合成中具有非常高的应用潜力。本方案中的射频3dB分支波导定向耦合器1基于标准波导WR-4.3构成，是一种四端口的紧耦合正交混合电桥，由输入端口1、直通端口2、耦合端口3以及隔离端口4组成，其中直通端和耦合端作为输出端口，且两路输出端口信号存在90°的相位差。本发明使用了基于微带线的经典分支线耦合器模型，其结构如图所示，当中频信号分别由端口1和端口4进入分支线耦合器电路后，2端口输出为低边带信号，3端口输出为高边带信号，两个边带存在90度的相移，我们可以根据需要选择需要的边带，在另一个边带接外部偏置，即可达到抑制镜频的作用。

如图5-6所示，由仿真结果可以看出射频3dB分支波导定向耦合器回波损耗在频带200GHz～240GHz范围内基本优于20dB，***损耗小于0.1dB，也可以看出端口2与端口3间的相位差基本为90度。良好的传输性能使得在较宽的频带范围***频信号都能以较小的损耗加载到两个混频器上。

所述隔离端口4接匹配负载。以便让其他端口正常工作。

工作过程：射频信号经过射频3dB分支波导定向耦合器1平分成两路相互正交的信号，信号经波导减高耦合到微带线进入两个太赫兹基波混频器3；其中本振驱动信号由本振H面波导功分器6进入，信号经波导减高耦合到微带线进入太赫兹基波混频器3；其中射频信号和本振信号经由基波混频器的本振和射频端口馈入肖特基二极管4参与混频，混频产生的各次谐波分量被中频滤波器8滤掉，仅有中频分量输出，产生的中频信号分别经由各自的中频低通滤波器输出，进入中频分支线耦合器9；其中中频分支线耦合器9承担了相位变换和偏置的作用，直流偏置由探针加载到分支线耦合器其中一条分支线上，由于电路基片是相连接的，就为两个基波混频器3提供了直流偏置；射频信号由于射频3dB分支波导定向耦合器1的作用，耦合出两路具有90度相位差的信号，本振信号同向加载到太赫兹基波混频器上，混频产生的两路中频信号经过中频滤波器上的中频正交电路的相位变换，即可将高边带中频信号和低边带中频信号区分开，从中选择所需要的边带信号输出，不需要的边带接匹配负载，即达到了镜频抑制的目的。

实施例3：

如图7所示，本实施例在上述实施例的基础上优选如下：本振H面波导功分器为采用3D打印技术加工的本振H面Y型波导功分器。为了避免多级电路的排布，利用3D打印技术在垂直方向上加工本振H面波导功分器。采用3D打印技术加工本振H面波导功分器，不仅可以极大地减小传统微机械加工切断壁电流导致的传输损耗，降低了电路的***损耗，更可以使电路从传统平面电路向新型立体电路结构转变。这种新型立体电路结构使得中频耦合环电路和混频器的微带线结构可构建在同一个平面上直接连接，合理利用了模块内部的空间，避免了多层电路排布的繁琐，有效简化电路设计和加工，减少了过渡结构，节约成本，减少了电路内部的损耗。

本振H面波导功分器基于标准波导WR-4.3构成。

本振H面波导功分器的功分端口为三角楔形结构，三角楔形结构的长和高能够调整。实现功分器在宽频带内良好的匹配特性，提升整体电路性能，调整楔形结构的长和高可以实现功分器在宽频带内良好的匹配特性。如图8所示，由仿真结果可以看出H面Y型波导功分器回波损耗也同样在标准波导WR4.3的全频带内(170GHz～260GHz)实现了良好的传输性能，为实现宽频带低损耗混频电路奠定了良好基础。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，包括射频3dB分支波导定向耦合器(1)、太赫兹基波混频器(3)、本振H面波导功分器(6)和中频分支线耦合器(9)，所述射频3dB分支波导定向耦合器(1)将进入的射频信号平分成两路相互正交的信号，经波导耦合到两个太赫兹基波混频器(3)；所述本振H面波导功分器(6)将本振驱动信号波导耦合到两个太赫兹基波混频器(3)中，两个太赫兹基波混频器(3)中产生的中频信号进入中频分支线耦合器(9)后，得到分离的高边带中频输出(5)和低边带中频输出(10)；

所述太赫兹基波混频器(3)包括射频波导-微带线(2)、肖特基二极管(4)、本振波导-微带线(7)和中频滤波器(8)，射频3dB分支波导定向耦合器(1)的两个输出端口上均连接射频波导-微带线(2)，本振H面波导功分器(6)的两个输出端口上均连接本振波导-微带线(7)，射频波导-微带线(2)和本振波导-微带线(7)均与肖特基二极管(4)连接，混频产生的中频信号经由中频滤波器(8)输出，中频滤波器(8)输出端连接中频分支线耦合器(9)；

所述本振H面波导功分器(6)为采用3D打印技术加工的本振H面Y型波导功分器。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述肖特基二极管(4)为同向串联的多个二极管。

3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述肖特基二极管(4)的输入信号以TE10模式馈入，肖特基二极管(4)产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传输。

4.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，中频滤波器(8)为CMRC低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述射频3dB分支波导定向耦合器(1)基于标准波导WR-4.3构成，是一种四端口的紧耦合正交混合电桥，由输入端口(1)、直通端口(2)、耦合端口(3)以及隔离端口(4)组成，其中直通端和耦合端作为输出端口，且两路输出端口信号存在90°的相位差。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述隔离端口(4)接匹配负载。

7.根据权利要求1所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述本振H面波导功分器(6)基于标准波导WR-4.3构成。

8.根据权利要求1所述的一种太赫兹镜频抑制混频电路，其特征在于，所述本振H面波导功分器(6)的功分端口为三角楔形结构，三角楔形结构的长和高能够调整。

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