CN111987993A - 宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器及方法,输入电桥的0°输出端与第一巴伦的输入端连接,输入电桥的90°输出端与第二巴伦的输入端连接,第一巴伦的两输出端分别与第一倍频电路的输入端连接,第二巴伦的两输出端分别与第二倍频电路的输入端连接;第三巴伦的两输入端分别与第一倍频电路的输出端连接,第四巴伦的两输入端分别与第二倍频电路的输出端连接,输出电桥的90°输入端与第三巴伦的输出端连接,输出电桥的0°输入端与第四巴伦的输出端连接;本公开在不恶化带宽性能的前提下,提升了太赫兹二倍频器的三次谐波分量的抑制程度,减小了输入/输出端口之间的串扰,进而提高了谐波抑制比。
Description
技术领域
本公开涉及倍频器技术领域,特别涉及一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术,并不必然构成现有技术。
随着太赫兹科学研究及其工程应用频率的提高,特别是频率步入1.0THz以上频段,基于倍频放大级联结构的固态太赫兹源的级数越来越多,倍频因子也越来越大,传统单平衡或双平衡结构倍频器电路的谐波抑制比已经不能满足太赫兹源的要求。因此,非常有必要研究如何提高进一步太赫兹倍频电路的谐波抑制比等性能指标,对提升太赫兹源的频谱纯净度等具有极其重要的现实意义。
基于倍频放大级联结构的固态太赫兹源具有频谱质量高、体积小、寿命长、输出功率大、频率可调谐和室温工作等优点,成为太赫兹科学研究及其工程应用中太赫兹信号发生的首选。由于链路中各元器件通带内平坦度的频响等指标有所不同(例如功率放大器增益和功率平坦度,倍频器倍频损耗和输出功率平坦度等),使得基于倍频放大级联结构的固态太赫兹源会出现部分频点杂散等性能指标恶化的情况,更有甚者部分谐波分量会落在通带内。因此在固态太赫兹源研制过程中,往往需要在放大器与倍频器之间级联一些高矩形系数的滤波器抑制谐波分量;但是这些滤波器只能抑制通带外的谐波分量,通带内的谐波分量只能依靠倍频器本身的谐波抑制功能实现。
本公开发明人发现,为了提高谐波抑制比,固态太赫兹源中的宽带倍频器多采用基于肖特基二极管的单平衡结构或者双平衡结构的拓扑结构,如图1所示。随着太赫兹科学研究及其工程应用频率的不断攀升,特别是工作频率逐渐步入1.0THz以上频段,基于倍频放大级联结构的固态太赫兹源的级数越来越多,倍频因子也越来越大,传统单平衡或双平衡结构太赫兹倍频器的谐波抑制比已经不再能满足太赫兹源的要求;而且在实际应用中,随着太赫兹测试仪器的频率越来越高,固态倍频放大链路中对倍频器带宽和谐波抑制要求也越来越高。受工艺和设计的影响,现有的单平衡或者双平衡倍频器带宽和谐波抑制度往往达不到实际太赫兹测试仪器及其工程应用的需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本公开提供了一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器及方法,在不恶化带宽性能的前提下,提升了太赫兹二倍频器的三次谐波分量的抑制程度,减小了输入/输出端口之间的串扰,进而提高了谐波抑制比。
为了实现上述目的,本公开采用如下技术方案:
本公开第一方面提供了一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器。
一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,包括输入电桥、第一巴伦、第二巴伦、第一倍频电路、第二倍频电路、第三巴伦、第四巴伦和输出电桥;
输入电桥的0°输出端与第一巴伦的输入端连接,输入电桥的90°输出端与第二巴伦的输入端连接,第一巴伦的输出端通过第一倍频电路与第三巴伦的输入端连接,第二巴伦的输出端通过第二倍频电路与第四巴伦的输入端连接;
输出电桥的90°输入端与第三巴伦的输出端连接,输出电桥的0°输入端与第四巴伦的输出端连接。
作为可能的一些实现方式,第一巴伦的0°和180°输出端分别与第一倍频电路的输入端连接,第二巴伦0°和180°输出端分别与第二倍频电路的输入端连接;
第三巴伦的0°和180°输入端分别与第一倍频电路的输出端连接,第四巴伦的0°和180°输入端分别与第二倍频电路的输出端连接,输出电桥的90°输入端与第三巴伦的输出端连接,输出电桥的0°输入端与第四巴伦的输出端连接。
作为可能的一些实现方式,输入电桥、第一巴伦和第二巴伦工作在基波频段,第三巴伦、第四巴伦和输出电桥工作在二次谐波频段。
作为可能的一些实现方式,所述第一倍频电路和第二倍频电路均包括四个二极管,第一二极管的正极端与第二二极管的正极端连接,第二二极管的负极端与第三二极管的正极端连接;
第三二极管的负极端与第四二极管的负极端连接,第四二极管的正极端与第一二极管的负极端连接。
作为进一步的限定,所述二极管均为肖特基二极管,第一二极管的正极端和第四二极管的负极端为第一输入端,第二二极管负极端和第三二极管的正极端为第二输入端,第一二极管的正极端为第一输出端,三二极管的负极端为第二输出端。
作为更进一步的限定,第一倍频电路的第一输入端与第一巴伦的0°输出端连接,第一倍频电路的第二输入端与第一巴伦的90°输出端连接,第一倍频电路的第一输出端与第三巴伦的0°输入端连接,第一倍频电路的第二输出端与第三巴伦的90°输入端连接;
第二倍频电路的第一输入端与第二巴伦的0°输出端连接,第二倍频电路的第二输入端与第二巴伦的90°输出端连接,第二倍频电路的第一输出端与第四巴伦的0°输入端连接,第二倍频电路的第二输出端与第四巴伦的90°输入端连接。
作为可能的一些实现方式,输入电桥和输出电桥均为Lange耦合器。
作为进一步的限定,所述输入电桥包括输入端、0°耦合端、90°耦合端和隔离端,所述输出电桥包括输出端、0°耦合端、90°耦合端和隔离端。
作为可能的一些实现方式,输入电桥和输出电桥均为3dB。
作为可能的一些实现方式,第一巴伦、第二巴伦、第三巴伦和第四巴伦均为基于多耦合线的Marchand巴伦。
本公开第二方面提供了一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器的工作方法。
一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器的工作方法,利用本公开第一方面所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,包括以下步骤:
射频信号通过输入电桥的输入端进入倍频器;
在输入电桥的输出端输出等幅的0°相位和90°相位的两路信号;
0°相位的信号进入第一巴伦的输入端,90°相位的信号进入第二巴伦的输入端,在第一巴伦的输出端,0°信号分为等幅的0°相位和180°相位的两路信号进入第一倍频电路;
在第二巴伦的输出端,90°信号分为等幅的90°相位和270°相位的两路信号进入第二倍频电路;
经过第一倍频电路的非线性变化及第三巴伦的合成后,第三巴伦的输出端输出0°的二次谐波信号;
经过第二倍频电路的非线性变化及第四巴伦的合成后,第四巴伦的输出端输出90°的二次谐波信号;
两路二次谐波信号经输出电桥合成后,输出两路合成的二次谐波信号。
与现有技术相比,本公开的有益效果是:
1、本公开所述的倍频器及方法,在不恶化带宽性能的前提下,提升了太赫兹二倍频器的三次谐波分量的抑制程度,减小了了输入/输出端口之间的串扰,进而提高了谐波抑制比。
2、本公开所述的倍频器及方法,具有高谐波抑制性,采用基于Lange耦合器和Marchand巴伦的三平衡结构,可以天然的实现奇次谐波的抑制,同时还在管芯处引入隔离端,减小输入/输出端之间的串扰,进一步提高了隔离度,实现了倍频器良好的谐波抑制功能。
3、本公开所述的倍频器及方法,结构紧凑,可靠性高、便于应用,倍频器电路采用lange耦合器和Marchand巴伦结构实现信号的输入/输入,省去了额外的阻抗匹配枝节,因此结构可靠、紧凑,应用方便。
4、本公开所述的倍频器及方法,驻波好,输入/输出采用Lange耦合器,可以实现很好的端口驻波。
5、本公开所述的倍频器及方法,与传统平衡式倍频器相比,具有良好的谐波抑制、工作频带宽等众多优点,还可以向频率比较低的微波频段进行拓展。
6、本公开所述的倍频器及方法,提高了太赫兹倍频电路的谐波抑制比等性能指标,提升了太赫兹源的频谱纯净度。
7、本公开所述的倍频器及方法,解决了宽频带高谐波抑制倍频的技术难题,基于现有的工艺能力,采用一种新型的三平衡结构提高了太赫兹二倍频器的谐波抑制度,满足了太赫兹固态倍频放大器链路对高性能太赫兹倍频芯片的需求。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开背景技术中提供的传统平衡式二倍频器的结构示意图。
图2为本公开实施例1提供的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器的结构示意图。
图3为本公开实施例1提供的输入Lange耦合器的结构示意图。
图4为本公开实施例1提供的输入Marchand巴伦的结构示意图。
图5为本公开实施例1提供的基于太赫兹肖特基二极管的倍频电路示意图。
图6为本公开实施例1提供的输出Marchand巴伦的结构示意图。
图7为本公开实施例1提供的输出Lange耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1:
如图1-3所示,本公开实施例1提供了一种新型的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡二倍频器拓扑结构,如图2所示。
该拓扑结构主要包括:90°输入电桥,其工作在基波频段,180°的输入巴伦,其也是工作在基波频段;由4个互联的二极管组成的倍频电路1和倍频电路2;180°的输出巴伦,其工作在2次谐波频段;90°输出电桥,其工作在2次谐波频段。如上所示,本实施例所提出的宽带太赫兹三平衡二倍频器优点包括:所有元器件均可由平面电路工艺实现,结构简单,易于集成;此外,不需要外置滤波器,能实现较好的谐波以抑制特性。
该宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器的输入端为桥1的输入端;桥1的0°输出端接巴伦1的输入端,桥1的90°输出端接巴伦2的输入端;
巴伦1的0°和180°输出端分别端接倍频电路1的输入端;巴伦2的0°和180°输出端分别端接倍频电路2的输入端;巴伦3的0°和180°输入端分别端接倍频电路1的输出端;巴伦4的0°和180°输入端分别端接倍频电路2的输出端;
桥2的90°输如端接巴伦3的输出端,桥2的0°输入端接巴伦4的输出端,桥2的输出端接为该三平衡式二倍频器的输出端。
采用本实施例的三平衡式二倍频器可以实现较高的三次谐波和基波的输出抑制,同时抑制比随工艺偏差的变化较小,整个二倍频器具有小型化、易集成化和低成本化。
下面说明宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器所包含器件的实现:
(1)工作在基波频段的90°的3dB输入电桥。由于Lange耦合器具有较小的面积和相对较宽的工作带宽,因此可选用Lange耦合器作为基波工作的90°的3dB输入电桥,如图3所示,其中11为输入端,12为0°耦合端,13为90°耦合端,14为隔离端。
(2)工作在基波频段的180°的3dB输入巴伦。由于基于多耦合线的Marchand巴伦具有较小的面积和相对较宽的工作带宽,因此可选用基于多耦合线的Marchand巴伦作为基波工作的180°的3dB输入巴伦,如图4所示,其中21为输入端,22为0°输出端,23为180°输出端。
(3)倍频电路。由于太赫兹肖特基二极管具有非线性比较强,截止频率比较高,因此选择4个相互连接的肖特基二极管产生谐波分量,如图5所示,其中31为输入端,32为输入端,33为输出端,34为输出端。
(4)工作在二次谐波频段的180°的3dB输出巴伦。由于基于多耦合线的Marchand巴伦具有较小的面积和相对较宽的工作带宽,因此可选用基于多耦合线的Marchand巴伦作为二次谐波频段工作的180°的3dB输出巴伦,如图6所示,其中41为0°输入端,42为180°输入端,43为输出端。
(5)工作在二次谐波频段的90°的3dB输出电桥。由于Lange耦合器具有较小的面积和相对较宽的工作带宽,因此可选用Lange耦合器作为二次谐波频段工作的90°的3dB输出电桥,如图7所示,其中51为输出端,52为0°耦合端,53为90°耦合端,54为隔离端。
实施例2:
本公开实施例2提供了一种新型的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡二倍频器,利用实施例1提供的二倍频器;
射频信号通过桥1的输入端进入二倍频器;
在桥1的输出端为等幅的0°相位和90°相位的两路信号;
0°相位的信号进入巴伦1的输入端,90°相位的信号进入巴伦2的输入端;
在巴伦1的输出端,0°信号分为等幅的0°相位和180°相位的两路信号进入倍频电路1;
在巴伦2的输出端,90°信号分为等幅的90°相位和270°相位的两路信号进入倍频电路2;
经过倍频电路的非线性变化及巴伦3的合成后,巴伦3的输出端输出0°的二次谐波信号;
经过倍频电路的非线性变化及巴伦4的合成后,巴伦4的输出端输出90°的二次谐波信号;两路2次谐波信号经桥2合成后,输出两路合成的2次谐波信号。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,包括输入电桥、第一巴伦、第二巴伦、第三巴伦、第四巴伦和输出电桥;
输入电桥的0°输出端与第一巴伦的输入端连接,输入电桥的90°输出端与第二巴伦的输入端连接,第一巴伦的输出端通过第一倍频电路与第三巴伦的输入端连接,第二巴伦的输出端通过第二倍频电路与第四巴伦的输入端连接;
第三巴伦的输出端与输出电桥的90°输入端连接,第四巴伦的输出端与输出电桥的0°输入端连接。
2.如权利要求1所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,第一巴伦的0°和180°输出端分别与第一倍频电路的输入端连接,第二巴伦0°和180°输出端分别与第二倍频电路的输入端连接;
第三巴伦的0°和180°输入端分别与第一倍频电路的输出端连接,第四巴伦的0°和180°输入端分别与第二倍频电路的输出端连接,输出电桥的90°输入端与第三巴伦的输出端连接,输出电桥的0°输入端与第四巴伦的输出端连接。
3.如权利要求1所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,输入电桥、第一巴伦和第二巴伦工作在基波频段,第三巴伦、第四巴伦和输出电桥工作在二次谐波频段。
4.如权利要求1所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,所述第一倍频电路和第二倍频电路均包括四个两两互联的二极管,第一二极管的正极端与第二二极管的正极端连接,第二二极管的负极端与第三二极管的正极端连接;
第三二极管的负极端与第四二极管的负极端连接,第四二极管的正极端与第一二极管的负极端连接。
5.如权利要求4所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,所述二极管均为肖特基二极管,第一二极管的正极端和第四二极管的负极端为第一输入端,第二二极管负极端和第三二极管的正极端为第二输入端,第一二极管的正极端为第一输出端,三二极管的负极端为第二输出端。
6.如权利要求5所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,第一倍频电路的第一输入端与第一巴伦的0°输出端连接,第一倍频电路的第二输入端与第一巴伦的90°输出端连接,第一倍频电路的第一输出端与第三巴伦的0°输入端连接,第一倍频电路的第二输出端与第三巴伦的90°输入端连接;
第二倍频电路的第一输入端与第二巴伦的0°输出端连接,第二倍频电路的第二输入端与第二巴伦的90°输出端连接,第二倍频电路的第一输出端与第四巴伦的0°输入端连接,第二倍频电路的第二输出端与第四巴伦的90°输入端连接。
7.如权利要求1所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,输入电桥和输出电桥均为Lange耦合器。
8.如权利要求7所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,所述输入电桥包括输入端、0°耦合端、90°耦合端和隔离端,所述输出电桥包括输出端、0°耦合端、90°耦合端和隔离端。
9.如权利要求1所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,其特征在于,输入电桥和输出电桥均为3dB;
或者,第一巴伦、第二巴伦、第三巴伦和第四巴伦均为基于多耦合线的Marchand巴伦。
10.一种宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器的工作方法,其特征在于,利用权力要求1-9任一项所述的宽带高谐波抑制太赫兹三平衡式二倍频器,包括以下步骤:
射频信号通过输入电桥的输入端进入倍频器;
在输入电桥的输出端输出等幅的0°相位和90°相位的两路信号;
0°相位的信号进入第一巴伦的输入端,90°相位的信号进入第二巴伦的输入端,在第一巴伦的输出端,0°信号分为等幅的0°相位和180°相位的两路信号进入第一倍频电路;
在第二巴伦的输出端,90°信号分为等幅的90°相位和270°相位的两路信号进入第二倍频电路;
经过第一倍频电路的非线性变化及第三巴伦的合成后,第三巴伦的输出端输出0°的二次谐波信号;
经过第二倍频电路的非线性变化及第四巴伦的合成后,第四巴伦的输出端输出90°的二次谐波信号;
两路二次谐波信号经输出电桥合成后,输出两路合成的二次谐波信号。
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