CN111987997B - 一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，包括RF输入波导、LO输入波导、减高波导、混频电路基板和悬置微带探针段，悬置微带探针段设置有RF探针和LO探针；该太赫兹混频器基于整体电路法，通过调整整体电路匹配，将电路能量尽量转换到中频，从而自然完成隔离，不再设计本振滤波器，极大的简化混频器的结构，减小了混频器的整体尺寸，减短了石英基板的长度，从而减小了传输损耗，加宽了混频器的带宽，提升了混频整体性能，并且该太赫兹混频器还具有结构简单、加工方便，易于实现的优点，具有良好的应用前景。

Description

一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器
技术领域
本发明涉及太赫兹混频器技术领域，具体而言，涉及一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器。
背景技术
波长为3mm～30um的电磁波称为太赫兹波，其长波段临近毫米波，短波段靠近红外线，处于电子学与光子学的交叉区域。与较低频段的微波相比，它们的特点是：1、利用的频谱范围宽，信息容量大。2、易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。3、穿透等离子体的能力强。4、多普勒频移大，测速灵敏度高。太赫兹波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。混频器是一个三端口网络，通过二极管的非线性产生不同的频率，再由频率选择电路选择出所需要的频率。太赫兹收发前端广泛应用在通信、雷达等近乎所有的毫米波与太赫兹应用***中，解决信号的频率变换问题，是***的核心组成部分，主要由混频器、滤波器以及放大器等关键器件组成。其中，毫米波与太赫兹混频器是收发前端的核心器件，其功能是将毫米波或太赫兹射频信号下变频到中频信号实现频谱的向下搬移，或将中频信号上变频到毫米波或太赫兹射频信号实现频谱的向上搬移，其技术指标的优劣很大程度上影响了毫米波与太赫兹***的整体性能。因此，高性能毫米波与太赫兹混频器的研制是毫米波与太赫兹技术的关键研究方向之一。
在太赫兹频段，当频率较低时，屏蔽腔尺寸相对较宽，石英基片适当长一些长宽比也不会太高，而当频率高到一定程度时，为保证单模传输，屏蔽腔一般设计较窄，而中频滤波器，本振滤波器以及之间匹配结构较长，致使传统方法与结构设计出的混频器长宽比普遍过高。在太赫兹混频器中，石英作为基板损耗小，高频性能好，但是石英质地很脆，容易碎，如果长宽比过高石英的中间会翘曲，使电路不平整，增加装配难度，装配完后也不再是平面电路，而是一个弧形，影响混频器性能，增加损耗，混频器的尺寸也较大，另一方面电路的稳定性相对较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其简化了电路，减小了石英的长宽比，通过牺牲一定的隔离度换取了混频器整体性能的提升，具有结构尺寸小、易于实现等优点，在太赫兹波混频器中具有良好的应用前景。
本发明的实施例是这样实现的：
一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其包括RF输入波导、LO输入波导、减高波导、混频电路基板和悬置微带探针段，混频电路基板的一端为IF微带输出端，混频电路基板的另一端为屏蔽腔体结构，RF输入波导和LO输入波导分别连接两个不同的减高波导，两个减高波导通过悬置微带探针段相互间隔地连接在混频电路基板上，两个悬置微带探针段之间设置有肖特基二极管，两个悬置微带探针段上分别设置有RF探针和LO探针，肖特基二极管分别与RF探针和LO探针之间连接有高阻抗线，混频电路基板上设置有混频电路，混频电路位于上述腔体结构内。
在本发明较佳的实施例中，上述太赫兹混频器通过肖特基二极管整体调节混频电路、提高变频效率，使能量尽量转换到中频，从而实现本振与射频的自然隔离。
在本发明较佳的实施例中，上述RF输入波导和LO输入波导分别在混频电路基板的两侧形成腔体结构，RF输入波导和LO输入波导的腔体结构对称，且形成闭合波导，混频电路的屏蔽腔体结构也为闭合波导。
在本发明较佳的实施例中，上述闭合波导结构的尺寸随工作频率变化而改变。
在本发明较佳的实施例中，上述混频电路是微波平面集成电路，采用悬置微带线实现。
在本发明较佳的实施例中，上述集成电路包括混频二极管，且阻抗匹配。
在本发明较佳的实施例中，上述混频电路是基于整体电路法设计的悬置微带结构。
在本发明较佳的实施例中，上述混频二极管与RF探针、LO探针之间设置有一段高阻抗线，且该高阻抗线连接混频电路。
本发明的有益效果是：
本发明利用波导的截止频率，以及因变频效率提高时产生的天然隔离，与加本振滤波器的太赫兹混频器相比，隔离度会稍差，但是电路整体性能较优，加工难度较低，通过适当设计，可以直接使输入悬置微带探针段与肖特基二极管处的悬置微带进行匹配，无需像传统混频器设计时在输入探针、CMRC低通滤波器(或高低阻抗滤波器)、二极管的之间进行匹配电路设计，从而大大减小了电路设计尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明太赫兹混频器的示意图；
图2为本发明中心频率为500GHz的混频器仿真结果图；
图3为本发明太赫兹混频器与传统太赫兹混频器长度对比示意图；
图标：1-RF输入波导；2-LO输入波导；3-减高波导；4-混频电路基板；5-RF探针；6-LO探针；7-肖特基二极管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一实施例
请参照图1、图2和图3，本实施例提供一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其包括RF输入波导1、LO输入波导2、减高波导3、混频电路基板4和悬置微带探针段，悬置微带探针段设置有RF探针5和LO探针6；本发明创新提出无本振滤波器结构的太赫兹混频器，最终仿真结果如图2，在475-525GHz变频损耗小于10dB，回波损耗优于10dB，带宽50GHz；本发明在传统太赫兹混频器的基础上进行了改进，其有电路简单、电路尺寸小，电路稳定性高等优点，因为具体微波电路根据频率，指标要求不同，混频器电路的具体尺寸也不同，所以本发明没有规定具体的电路尺寸，根据图3中本实施例的太赫兹混频器与同一频段传统混频器的物理尺寸的比较，左边为传统混频器，右边为本实施例的混频器，可明显看出无本振滤波器结构的太赫兹混频器结构更加简单，石英基板缩短一半以上。
本实施例的混频器基于整体电路法设计，平面电路只由高低阻抗线构成，为了验证该结构与设计方法的可行性，用该结构设计了一款中心频率为500GHz，带宽50GHz的混频器，其中，混频电路基板4采用石英基板，混频电路基板4的一端为IF微带输出端，混频电路基板4的另一端为屏蔽腔体结构，RF输入波导1和LO输入波导2分别在混频电路基板4的两侧形成腔体结构，RF输入波导1和LO输入波导2的腔体结构对称，且形成闭合波导，混频电路的屏蔽腔体结构也为闭合波导，闭合波导结构的尺寸随工作频率变化而改变。
混频电路基板4上相互间隔的位置分别设置有悬置微带探针段，两个悬置微带探针段上分别设置有RF探针5和LO探针6，RF输入波导1和LO输入波导2分别连接两个不同的减高波导3，减高波导3通过RF探针5和LO探针6与混频电路基板4形成波导-悬置微带线过渡，两个减高波导3通过悬置微带探针段相互间隔地连接在混频电路基板4上，这样RF输入波导1和LO输入波导2与混频电路基板4上的悬置微带线实现过渡转换；混频电路是微波平面集成电路，采用悬置微带线实现，集成电路包括混频二极管，且阻抗匹配，本实施例的混频二极管为肖特基二极管7，肖特基二极管7设置在两个悬置微带探针段之间的混频电路基板4上，肖特基二极管7分别与RF探针5和LO探针6之间连接有高阻抗线，且该高阻抗线连接混频电路，混频电路是基于整体电路法设计的悬置微带结构，混频电路基板4上设置有混频电路，混频电路位于上述腔体结构内，太赫兹混频器通过肖特基二极管7整体调节混频电路、提高变频效率，使能量尽量转换到中频，从而实现本振与射频的自然隔离。
综上所述，本发明实例利用波导的截止频率，以及因变频效率提高时产生的天然隔离，与加本振滤波器的太赫兹混频器相比，隔离度会稍差，但是电路整体性能较优，加工难度较低，通过适当设计，可以直接使输入悬置微带探针段与肖特基二极管处的悬置微带进行匹配，无需像传统混频器设计时在输入探针、CMRC低通滤波器(或高低阻抗滤波器)、二极管的之间进行匹配电路设计，从而大大减小了电路设计尺寸。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，包括RF输入波导、LO输入波导、减高波导、混频电路基板和悬置微带探针段，所述混频电路基板的一端为IF微带输出端，所述混频电路基板的另一端为屏蔽腔体结构，所述RF输入波导和LO输入波导分别连接两个不同的减高波导，两个减高波导通过悬置微带探针段相互间隔地连接在混频电路基板上，两个悬置微带探针段之间设置有肖特基二极管，两个悬置微带探针段上分别设置有RF探针和LO探针，所述肖特基二极管分别与RF探针和LO探针之间连接有高阻抗线，所述混频电路基板上设置有混频电路，所述混频电路位于上述腔体结构内。
2.根据权利要求1所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述太赫兹混频器通过肖特基二极管整体调节混频电路、提高变频效率，使能量尽量转换到中频，从而实现本振与射频的自然隔离。
3.根据权利要求2所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述RF输入波导和LO输入波导分别在混频电路基板的两侧形成腔体结构，所述RF输入波导和LO输入波导的腔体结构对称，且形成闭合波导，所述混频电路的屏蔽腔体结构也为闭合波导。
4.根据权利要求3所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，上述闭合波导结构的尺寸随工作频率变化而改变。
5.根据权利要求2所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述混频电路是微波平面集成电路，采用悬置微带线实现。
6.根据权利要求4所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述混频器包括混频二极管，且阻抗匹配。
7.根据权利要求5所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述混频电路是基于整体电路法设计的悬置微带结构。
8.根据权利要求6所述的一种无本振滤波器结构的太赫兹混频器，其特征在于，所述混频二极管与RF探针、LO探针之间设置有一段高阻抗线，且该高阻抗线连接混频电路。
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