CN111371410B - 一种太赫兹四次谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹四次谐波混频器，其包括：射频输入波导结构(1)、本振输入波导结构(2)、第一石英电路结构(3)、第二石英电路结构(4)、平面电路沟道(5)、接地台阶(6)、中频输出过渡电路结构(7)、肖特基势垒二极管(8)；平面电路沟道(5)内设有第一石英电路结构(3)、第二石英电路结构(4)和中频输出过渡电路结构(7)；第一石英电路结构(3)端部的一侧上固定有接地台阶(6)，其另一端部的一侧与第二石英电路结构(4)的一端固定，二者呈上下错位放置；靠近第一石英电路结构(3)的一端处固定射频输入波导结构(1)，且其一侧固定肖特基势垒二极管(8)，靠近其另一端处固定本振输入波导结构(2)。

Description

一种太赫兹四次谐波混频器

技术领域

本发明属于太赫兹固态电路和太赫兹器件技术领域，具体涉及一种太赫兹四次谐波混频器。

背景技术

太赫兹(简写为THz)频段是位于微波(简写为Microwave)与红外波(简写为Infrared)之间的电磁波频段，频率范围为0.1THz-10THz，太赫兹在低频端与微波毫米波衔接，太赫兹在高频端与红外衔接，因此太赫兹电磁波是从宏观电子学向微观光子学过渡的频段。太赫兹波的优越特性使得其可以被应用于很多场景，太赫兹波相比于微波毫米波，具有更好的方向性、更高的时间和空间分辨率以及优越的带宽特性，可以被应用于高精度探测雷达、精确制导、高分辨率成像以及高速率通信；太赫兹相比于光波，具有良好的穿透性、更低的光子能量、更低的辐射能量，因此可以被应用与特殊环境下的目标跟踪探测、安全检查、生物医学等领域。除此之外，太赫兹波还能被应用于射电天文学、无损检测等领域。

目前，太赫兹低频端主要采用类电子学理论进行研究和工程实践，而太赫兹高频端的研究则采用类光学理论。目前，这两种理论都无法完全有效的解决太赫兹波段存在的问题，因此，太赫兹频段又被称为“太赫兹gap”。

在太赫兹低频端，太赫兹波的常温高灵敏度相干检测一直是研究热点，常温相干检测通常采用超外差接收机形式。理想的超外差接收机前端由天线、低噪声放大器、本振链路、混频器、中频链路组成。在太赫兹频段，受到半导体工艺等方面的限制，低噪声放大器目前难以获得，因此混频器的性能直接决定了接收机性能。对于混频器而言，混频方式有无源混频、有源混频、基波混频、谐波混频等多种形式。

在太赫兹频段，肖特基势垒二极管占据着举足轻重的地位，肖特基变容管被广泛应用于倍频器，肖特基势垒变阻管被广泛应用于混频器和检波器。肖特基势垒二极管经历了whisker触须接触结构、平面沟道结构、准垂直结构的发展。其中，whisker触须接触结构肖特基势垒二极管出现时间最早，但不耐机械强度，应用领域受限；准垂直结构肖特基势垒二极管相比平面沟道结构肖特基势垒二极管具有较低的寄生效应和较低的高频电阻，适用于高频率的谐波混频器设计。

随着频率的升高，传统的微带线已经不能满足太赫兹波传输要求，因此需要采用悬置微带形式，装配难度提升。同时，获得高功率的混频器本振驱动信号较为困难。与此同时，腔体加工难度以及石英电路加工难度骤然升高。由于石英电路基板质地较脆；因此，在切割和装配时，容易断裂。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的混频器存在上述缺陷，本发明提出了一种太赫兹四次谐波混频器，该混频器是基于0.67THz混频器，采用四次谐波混频形式，所需本振驱动信号频率仅为射频信号频率的1/4，大大降低了对混频器本振驱动信号功率的要求。由于石英电路长宽比例超过加工比例，即通常小于12:1，因此将石英电路分为两段。其中，第一石英电路采用倒扣悬置形式安装，由接地台阶和第二石英电路支撑，大大降低了装配难度。石英电路和中频输出过渡电路通过金丝连接，降低了装配难度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹四次谐波混频器，其包括：射频输入波导结构、本振输入波导结构、第一石英电路结构、第二石英电路结构、平面电路沟道、接地台阶、中频输出过渡电路结构、肖特基势垒二极管；

平面电路沟道内设有第一石英电路结构、第二石英电路结构和中频输出过渡电路结构，第一石英电路结构端部的一侧上固定有接地台阶，其另一端部的一侧与第二石英电路结构的一端固定，二者呈上下错位放置；靠近第一石英电路结构的一端处固定射频输入波导结构，且其一侧固定肖特基势垒二极管，靠近其另一端处固定本振输入波导结构；第二石英电路结构与中频输出过渡电路结构固定连接。

作为上述技术方案的改进之一，第一石英电路结构呈倒扣悬置式结构，即第一石英电路结构的正面朝下放置，其两端分别对应地固定有接地台阶和第二石英电路结构，二者起到支撑第一石英电路结构的作用，使第一石英电路结构呈倒扣悬置微带线。

作为上述技术方案的改进之一，第一石英电路结构的一侧通过导电胶与接地台阶固定；第一石英电路结构的一侧与第二石英电路结构的一侧通过导电胶固定。

作为上述技术方案的改进之一，第一石英电路结构包括：接地电路结构、射频输入波导-悬置微带转换探针、本振输入波导-悬置微带探针、本振低通滤波器、第一匹配枝节、第二匹配枝节、第三匹配枝节；

接地电路结构与射频输入波导-悬置微带转换探针连接，射频输入波导-悬置微带转换探针与第一匹配枝节连接，第一匹配枝节与固定在第一石英电路结构上的肖特基势垒二极管连接，用于将射频输入波导-悬置微带转换探针捕获的射频信号进行优化，最小化射频信号的损耗，并将优化后的射频信号输入到肖特基势垒二极管；肖特基势垒二极管通过导电胶与本振低通滤波器连接，本振低通滤波器与本振输入波导-悬置微带探针的一端之间通过第二匹配枝节相连接，用于将本振输入波导-悬置微带探针捕获的本振信号进行优化，最小化本振信号的损耗，并将其输出至肖特基势垒二极管，并与从肖特基势垒二极管输出的经过优化后的射频信号进行混频；本振输入波导-悬置微带探针的另一端与第三匹配枝节连接，将混频后的信号进行优化，最小化混频后的信号的损耗，并将其输出。

具体地，接地电路结构为不平衡混频产生的直流信号接地，同时为射频输入信号提供虚拟接地；射频输入波导-悬置微带转换探针将射频输入信号由波导模式主模TE₁₀转化为悬置微带准平面波模式TEM；本振输入波导-悬置微带探针分别将本振输入信号由波导模式主模TE₁₀转化为悬置微带准平面波模式TEM；本振低通滤波器能够防止射频损耗从本振波导泄露，且通过本振输入信号。其中，第一石英电路结构的厚度为50um，金属走线的厚度为3um。

作为上述技术方案的改进之一，第二石英电路结构包括：中频低通滤波器和过渡枝节；中频低通滤波器和过渡枝节相连接；中频低通滤波器的作用是防止本振输入信号从中频低通滤波器的端口输出，并对中频信号进行无耗输出；过渡枝节，用于保证第二石英电路结构的装配。其中，第二石英电路结构的厚度为50um，金属走线的厚度为3um。

作为上述技术方案的改进之一，所述第二石英电路结构呈正装式结构，且其另一端通过金丝键合线与中频输出过渡电路结构固定连接。

作为上述技术方案的改进之一，射频输入波导结构采用射频信号输入波导的型号为WR1.5，其截面尺寸为381um*120um，其相比于正常截面尺寸381um*191um在高度上减少了71um；本振输入波导结构采用本振信号输入波导的型号为WR5.1,其截面尺寸为1295um*324um，其相比于正常截面尺寸1295um*648um在高度上减少了324um。

作为上述技术方案的改进之一，接地台阶的高度等于第一石英电路结构的悬置高度减去导电胶的厚度；其中，导电胶的厚度优选为10-15um，便于装配；接地台阶的高度优选为30um。

作为上述技术方案的改进之一，所述肖特基二极管采用准垂直结构且反向并联结构的肖特基二极管。具体地，第一石英电路结构上通过导电胶装配准垂直结构反向并联肖特基二极管。

所述太赫兹四次谐波混频器的工作原理如下：本振信号和射频信号经过波导-悬置微带转换探针，以准TEM波的形式施加于肖特基势垒二极管。肖特基势垒二极管在本振信号的驱动下，将射频信号和本振信号进行混频处理，产生各次谐波信号。通过中频低通滤波器进行滤波处理后，得到所需的四次谐波混频信号，该信号通过中频输出电路结构进行输出。

本发明的优点在于：

本发明采用四次谐波混频形式，所需本振驱动信号频率仅为射频信号频率的1/4，大大降低了对混频器本振驱动信号的要求。

附图说明

图1是本发明的一种太赫兹四次谐波混频器的结构示意图；

图2是本发明的一种太赫兹四次谐波混频器的侧视图；

图3是本发明的一种太赫兹四次谐波混频器的第一石英电路结构的结构示意图；

图4是本发明的一种太赫兹四次谐波混频器的第二石英电路结构的结构示意图；

图5是本发明的一种太赫兹四次谐波混频器的单边带变频损耗之间的仿真曲线。

附图标记：

1、射频输入波导       2、本振输入波导          3、第一石英电路

4、第二石英电路       5、平面电路沟道          6、接地台阶

7、中频输出过渡电路   8、肖特基势垒二极管      9、金丝键合线

10、导电胶            11、接地电路结构         12、射频波导-悬置微带探针

13、本振低通滤波器    14、本振波导-悬置微带探针

15、中频低通滤波器    16、过渡枝节

17、第一匹配枝节      18、第二匹配枝节

19、第三匹配枝节

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和2所示，本发明提供了一种太赫兹四次谐波混频器，其包括：射频输入波导结构1、本振输入波导结构2、第一石英电路结构3、第二石英电路结构4、平面电路沟道5、接地台阶6、中频输出过渡电路结构7、肖特基势垒二极管8；

如图1所示，平面电路沟道5内设有第一石英电路结构3、第二石英电路结构4和中频输出过渡电路结构7，第一石英电路结构3左端部的下侧上固定有接地台阶6，其右端的下侧与第二石英电路结构的左端的上侧固定，即第一石英电路结构3的左端的正面上固定有接地台阶6，其右端的正面与第二石英电路结构的左端的反面固定；第一石英电路结构3与第二石英电路结构4呈上下错位放置；靠近第一石英电路结构3的左端处固定射频输入波导结构1，且第一石英电路结构3的下侧固定肖特基势垒二极管8，靠近第一石英电路结构3的右端处固定本振输入波导结构2；第二石英电路结构4与中频输出过渡电路结构7固定连接。

其中，如图1所示，第一石英电路结构3的下侧为第一石英电路结构3的正面，其上侧为第一石英电路结构3的反面；第二石英电路结构的下侧为第二石英电路结构4的反面，其上侧为第二石英电路结构4的正面。

作为上述技术方案的改进之一，如图1所示，第一石英电路结构呈倒扣悬置式结构，即第一石英电路结构3的正面朝下放置，其两端分别对应地固定有接地台阶6和第二石英电路结构4，二者起到支撑第一石英电路结构3的作用，使第一石英电路结构3形成倒扣悬置微带线。

作为上述技术方案的改进之一，如图2所示，第一石英电路结构3的下侧通过导电胶与接地台阶6固定；第一石英电路结构3的下侧与第二石英电路结构4的下侧通过导电胶固定。

作为上述技术方案的改进之一，如图3所示，第一石英电路结构3包括：接地电路结构11、射频输入波导-悬置微带转换探针12、本振输入波导-悬置微带探针14、本振低通滤波器13、第一匹配枝节17、第二匹配枝节18、第三匹配枝节19；

接地电路结构11与射频输入波导-悬置微带转换探针12连接，射频输入波导-悬置微带转换探针12与第一匹配枝节17连接，第一匹配枝节17与固定在第一石英电路结构3上的肖特基势垒二极管8连接，用于将射频输入波导-悬置微带转换探针12捕获的射频信号进行优化，最小化射频信号的损耗，并将优化后的射频信号输入到肖特基势垒二极管8；肖特基势垒二极管8通过导电胶与本振低通滤波器13连接，本振低通滤波器13与本振输入波导-悬置微带探针14的一端之间通过第二匹配枝节18相连接，用于将本振输入波导-悬置微带探针14捕获的本振信号进行优化，最小化本振信号的损耗，并将其输出至肖特基势垒二极管8，并与从肖特基势垒二极管8输出的经过优化后的射频信号进行混频；本振输入波导-悬置微带探针14的另一端与第三匹配枝19节连接，将混频后的信号进行优化，最小化混频后的信号的损耗，并将其输出。

具体地，接地电路结构11为不平衡混频产生的直流信号接地，同时为射频输入信号提供虚拟接地；射频输入波导-悬置微带转换探针12将射频输入信号由波导模式主模TE₁₀转化为悬置微带准平面波模式TEM；本振输入波导-悬置微带探针14分别将本振输入信号由波导模式主模TE₁₀转化为悬置微带准平面波模式TEM；本振低通滤波器13能够防止射频损耗从本振波导泄露，且通过本振输入信号。其中，第一石英电路结构3的厚度为50um，金属走线的厚度为3um。

作为上述技术方案的改进之一，如图4所示，第二石英电路结构4包括：中频低通滤波器15和过渡枝节16；中频低通滤波器15和过渡枝节16相连接；中频低通滤波器15的作用是防止本振输入信号从中频低通滤波器的端口输出，并对中频信号进行无耗输出；过渡枝节16，用于保证第二石英电路结构的装配。。其中，第二石英电路结构4的厚度为50um，金属走线的厚度为3um。其中，过渡枝节是基于石英电路装配和腔体加工尺寸考虑。腔体尺寸的最小值是受法兰尺寸限制，但是内部电路通常是小于这个尺寸，因此需要多加一截过渡枝节。

作为上述技术方案的改进之一，所述第二石英电路结构4呈正装式结构，且其另一端通过金丝键合线9与中频输出过渡电路结构7固定连接。

作为上述技术方案的改进之一，射频输入波导结构1采用射频信号输入波导的型号为WR1.5，其截面尺寸为381um*120um，其相比于正常截面尺寸381um*191um在高度上减少了71um；本振输入波导结构2采用本振信号输入波导的型号为WR5.1,其截面尺寸为1295um*324um，其相比于正常截面尺寸1295um*648um在高度上减少了324um。

作为上述技术方案的改进之一，接地台阶6的高度等于第一石英电路结构3的悬置高度减去导电胶10的厚度；其中，导电胶10的厚度为10-15um，优选为15um，便于装配；接地台阶6的高度优选为30um。

作为上述技术方案的改进之一，所述肖特基二极管8采用准垂直结构且反向并联结构的肖特基二极管。具体地，第一石英电路结构3上通过导电胶10装配准垂直结构反向并联肖特基二极管。

所述太赫兹四次谐波混频器的工作原理如下：

本振信号和射频信号经过波导-悬置微带转换探针14，以准TEM波的形式施加于肖特基势垒二极管8。肖特基势垒二极管8在本振信号的驱动下，将射频信号和本振信号进行混频处理，产生各次谐波信号。通过中频低通滤波器进行滤波处理后，得到所需的四次谐波混频信号，该信号通过中频输出电路结构进行输出。

在本实例中，所述混频器是基于0.67THz的四次谐波混频器中，射频输入波导结构1和本振输入波导结构2都采用标准UG387法兰，且对本振输入波导结构2进行弯曲处理，保证射频输入波导结构1和本振输入波导结构2的法线重合。射频接地端和沟道高度进行圆角处理，为机械加工的铣刀留出走刀空间。

本实例0.67THz四次谐波混频器单边的射频信号频率与带变频损耗之间的仿真结果如图5所示。仿真参数为：射频信号频率f1＝630GHz～700GHz、射频信号功率-20dBm、本振信号频率f2＝335GHz、本振信号功率固定为10mW。中频信号输入频率为f3＝|4*f2-f1|。从图5中可以看出，本发明设计的0.67THz四次谐波混频器最优变频损耗为10.5dB，3dB变频损耗平坦度射频带宽为55GHz。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，其包括：射频输入波导结构(1)、本振输入波导结构(2)、第一石英电路结构(3)、第二石英电路结构(4)、平面电路沟道(5)、接地台阶(6)、中频输出过渡电路结构(7)、肖特基势垒二极管(8)；

平面电路沟道(5)内设有第一石英电路结构(3)、第二石英电路结构(4)和中频输出过渡电路结构(7)；第一石英电路结构(3)端部的一侧上固定有接地台阶(6)，其另一端部的一侧与第二石英电路结构(4)的一端固定，二者呈上下错位放置；靠近第一石英电路结构(3)的一端处固定射频输入波导结构(1)，且其一侧固定肖特基势垒二极管(8)，靠近其另一端处固定本振输入波导结构(2)；第二石英电路结构(4)与中频输出过渡电路结构(7)固定连接。

2.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，第一石英电路结构(3)呈倒扣悬置式结构，其两端分别对应地固定有接地台阶(6)和第二石英电路结构(4)，二者支撑第一石英电路结构(3)。

3.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，第一石英电路结构(3)的一侧通过导电胶(10)与接地台阶(6)固定；第一石英电路结构(3)的另一侧与第二石英电路结构(4)的一侧通过导电胶(10)固定。

4.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，第一石英电路结构(3)包括：接地电路结构(11)、射频输入波导-悬置微带转换探针(12)、本振输入波导-悬置微带探针(14)、本振低通滤波器(13)、第一匹配枝节(17)、第二匹配枝节(18)、第三匹配枝节(19)；

接地电路结构(11)与射频输入波导-悬置微带转换探针(12)连接，射频输入波导-悬置微带转换探针(12)与第一匹配枝节(17)连接，第一匹配枝节(17)与固定在第一石英电路结构(3)上的肖特基势垒二极管(8)连接，肖特基势垒二极管(8)通过导电胶与本振低通滤波器(13)连接，本振低通滤波器(13)与本振输入波导-悬置微带探针(14)的一端之间通过第二匹配枝节(18)相连接；本振输入波导-悬置微带探针(14)的另一端与第三匹配枝节(19)连接。

5.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，第二石英电路结构(4)包括：中频低通滤波器(15)和过渡枝节(16)；中频低通滤波器(15)和过渡枝节(16)相连接。

6.根据权利要求5所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，所述第二石英电路结构(4)呈正装式结构，且其另一端通过金丝键合线(9)与中频输出过渡电路结构(7)固定连接。

7.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，所述接地台阶(6)的高度等于第一石英电路结构(3)的悬置高度减去导电胶(10)的厚度。

8.根据权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，所述肖特基势垒二极管(8)采用准垂直结构且反向并联结构的肖特基二极管。

Images