CN112968671B

CN112968671B - 新型单片集成太赫兹二次谐波混频器

Info

Publication number: CN112968671B
Application number: CN202110126446.9A
Authority: CN
Inventors: 何锐聪; 胡志富; 何美林; 王亚冰; 刘亚男; 彭志农; 徐敏
Original assignee: Hebei Xiongan Taixin Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hebei Xiongan Taixin Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: CN112968671A

Abstract

本发明公开了一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，涉及太赫兹混频器技术领域。所述混频器包括衬底，所述衬底上形成有混频电路，所述混频电路包括射频输入端口，所述射频输入端口经射频匹配结构与射频滤波结构的一端连接，所述射频匹配结构的另一端分为两路，第一路与中频滤波结构的一端连接，第二路与混频二极管对的输入端连接；本振端口经本振匹配结构与本振滤波结构的一端连接，所述本振滤波结构的另一端与混频二极管对的输入端连接，所述中频滤波结构的另一端与中频输出端口连接。本申请所述混频器工艺成熟，芯片一致性好，可在片测试筛选。

Description

新型单片集成太赫兹二次谐波混频器

技术领域

本发明涉及太赫兹混频器技术领域，尤其涉及一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器。

背景技术

太赫兹（THz）波是指0.3THz~3THz频率范围内的电磁波，其中1THz=1000GHz。现在业内普遍认为，太赫兹频率的范围可以扩展到0.1THz~10THz，既高于100GHz的频率属于太赫兹频率。THz波在电磁波频谱中占据独特位置，在安检成像、高速无线通信等方面具有广阔的应用前景，是当前国际科技界和产业界的重点聚焦领域。

由于在太赫兹频段难以获得较大的本振驱动功率，太赫兹频段的混频器通常采用谐波混频的形式，将本振频率降低到射频频率的N分之一（N=2、4、6……），其中最常用的是二次谐波混频器。

目前国内外公开报道的太赫兹混频器芯片主要是基于混合集成的方法实现。分别设计加工基于石英衬底的电路无源结构和基于GaAs基的太赫兹肖特基二极管，再通过倒装焊接技术将分立的二极管与石英基板集成为完整的混频器电路。这种混合集成电路的实现方法具有很多的局限性，使得混合集成的混频器芯片难以实用和量产。

首先，太赫兹频段的肖特基二极管尺寸非常小，通常小于百微米，这就需要芯片的倒装焊接步骤需要由非常专业的技术人员操作，效率极低。即便如此，倒装焊接的移位误差通常也在十微米量级，这个误差对于太赫兹频段的电路来说是难以接受的，会导致混频损耗增加。另一方面，混合集成的混频器芯片的各端口采用波导微带过渡的电路形式，必须将混频器芯片装配成模块形式才能进行测试和使用，无法直接进行芯片测试。由于太赫兹频段频率高，波导尺寸小，对模块腔体的机械加工精度要求极高，这就导致了加工成本高昂，工时长，加大了太赫兹混频器芯片的研发周期和成本。

也有人提出了一些混合集成电路的改进方法，在电路设计时，将电路无源结构的衬底由石英衬底替换成与肖特基二极管相同的GaAs基衬底，并且保持无源结构衬底厚度与肖特基二极管厚度相同。在电路制造时，先制作分立的肖特基二极管，再通过金属溅射和电镀方式在二极管***制作电路无源结构。通过这种方法可以实现芯片的一体化设计，有利于提升设计精度和效率。但是，这种方法在制作电路时无法实现连接衬底背面的金属通孔，制作完成的芯片仍需额外设计接地的***电路。同时，预先制作好的肖特基二极管受到后续的溅射电镀工艺的影响导致性能恶化的风险也难以避免。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种工艺成熟，芯片一致性好，可在片测试筛选的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：包括衬底，所述衬底上形成有混频电路，所述混频电路包括射频输入端口，所述射频输入端口经射频匹配结构与射频滤波结构的一端连接，所述射频匹配结构的另一端分为两路，第一路与中频滤波结构的一端连接，第二路与混频二极管对的输入端连接；本振端口经本振匹配结构与本振滤波结构的一端连接，所述本振滤波结构的另一端与混频二极管对的输入端连接，所述中频滤波结构的另一端与中频输出端口连接；射频信号由射频端口输入后依次通过射频匹配结构、射频滤波结构后进入混频二极管对；混频器的本振信号由本振端口输入后依次通过本振匹配结构、本振滤波结构后进入混频二极管对；中频信号由混频二极管对的两个二极管中间输出，经由中频滤波结构、中频端口输出。

进一步的技术方案在于：所述射频输入端口以及本振端口分别经一个隔直平面电容与匹配结构连接。

进一步的技术方案在于：所述混频器包括射频端口信号压点，所述射频端口信号压点经射频匹配微带线与第一连接微带线的一端连接，第一连接微带线的另一端经射频带通滤波器与第二连接微带线的一端连接，所述第二连接微带线的另一端经第三连接微带线与二极管间连接微带线的一端连接，一个太赫兹肖特基混频二极管的负极与二极管间连接微带线连接，该太赫兹肖特基混频二极管的正极接地，另一个太赫兹肖特基混频二极管的正极与二极管间连接微带线连接，该太赫兹肖特基混频二极管的负极接地；本振端口信号压点经本振隔直电容与本振匹配微带线的一端连接，本振匹配微带线的另一端经第四连接微带线与本振低通滤波器的一端连接，所述本振低通滤波器的另一端经第五连接微带线与二极管间连接微带线连接；中频低通滤波器的一端与第二连接微带线连接，中频低通滤波器的另一端与中频端口信号压点连接。

进一步的技术方案在于：射频端口信号压点的两侧各设置有一个射频端口接地压点，射频端口接地压点各自通过连接基板背面金属通孔连接衬底背面金属实现接地。

优选的，射频匹配微带线采用高低阻抗微带线的形式实现。

优选的，射频带通滤波器采用由微带线构成的交叉耦合线滤波器。

进一步的技术方案在于：所述本振端口信号压点的两侧各形成有一个本振端口接地压点，本振端口接地压点各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地。

优选的：本振隔直电容采用GaAs二极管工艺中的上下两层金属层组成电容的上下极板。

进一步的技术方案在于：所述中频低通滤波器为串联微带线并联开路扇形微带线的结构，其中串联微带线的等效电长度为射频波长的四分之一。

进一步的技术方案在于：中频端口信号压点的两侧各形成有一个中频端口接地压点，中频端口接地压点各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述二次谐波混频器在GaAs衬底上同时制作肖特基二极管和无源电路结构，通过一次工艺流程就可以形成完整的太赫兹二次谐波混频器电路，避免由额外的装配焊接过程引入的误差，具有设计成功率高，集成度高，一致性好等优点，可以实现芯片在片测试和批量筛选。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述混频器的基本拓扑图；

图2是本发明实施例所述混频器的详细电路结构示意图；

图3是本发明实施例中一种180GHz谐波混频器的结构示意图；

图4是图3所示混频器的变频损耗仿真结果图；

图5是图3所示混频器的射频端口驻波比（VSWR）仿真结果图；

图6是图3所示混频器的本振端口驻波比（VSWR）仿真结果图；

图7是图3所示混频器的中频端口驻波比（VSWR）仿真结果图；

其中：101、射频匹配结构；102、射频滤波结构；103、本振滤波结构；104、本振匹配结构；105、隔直平面电容；106、混频二极管对；107、中频滤波结构； 108、射频输入端口；109、本振端口；110、中频端口；201、射频匹配微带线；202、射频带通滤波器；203、本振低通滤波器；204、本振匹配微带线；205、本振隔直电容；206、太赫兹肖特基混频二极管；207、地；208、中频低通滤波器；209、第一连接微带线；210、第二连接微带线；211、第三连接微带线212、二极管间连接微带线；213、第五连接微带线；214、第四连接微带线；215、射频端口信号压点；216、射频端口接地压点；217、本振端口信号压点；218、本振端口接地压点；219、中频端口信号压点；220、中频端口接地压点；221、衬底。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，包括衬底221，所述衬底221上形成有混频电路，所述混频电路包括射频输入端口108，所述射频输入端口108经射频匹配结构101与射频滤波结构102的一端连接，所述射频匹配结构102的另一端分为两路，第一路与中频滤波结构107的一端连接，第二路与混频二极管对106的输入端连接；本振端口109经本振匹配结构104与本振滤波结构103的一端连接，所述本振滤波结构103的另一端与混频二极管对106的输入端连接，所述中频滤波结构107的另一端与中频输出端口110连接；射频信号由射频端口108 输入后依次通过射频匹配结构101、射频滤波结构102后进入混频二极管对106；混频器的本振信号由本振端口109输入后依次通过本振匹配结构 104、本振滤波结构103后进入混频二极管对106；中频信号由混频二极管对106的两个二极管中间输出，经由中频滤波结构107、中频端口110输出，进一步的，所述射频输入端口108以及本振端口109分别经一个隔直平面电容105与匹配结构连接。

为了更好的说明本发明所述混频器，以图2一款单片集成的180GHz二次谐波混频器芯片对本发明的具体实施方式加以说明，其中：

射频输入端口108包括射频端口信号压点 215和两个射频端口接地压点 216组成，射频端口接地压点 216各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地；

射频匹配结构 101通过射频匹配微带线 201实现，采用高低阻抗微带线的形式实现匹配。

射频滤波结构102由射频带通滤波器 202实现，采用由微带线构成的交叉耦合线滤波器形式，该滤波器同时具有隔离直流的功能，因此在射频侧没有单独的隔直平面电容105。

混频二极管对 106由图2中的太赫兹肖特基混频二极管206和两个二极管间连接微带线 212共同组成；其中的一个太赫兹肖特基混频二极管 206的阴极经二极管间连接微带线 212与另一个太赫兹肖特基混频二极管 206的阳极互联构成混频二极管对 106，同时第一个太赫兹肖特基混频二极管 206的阳极与第二个太赫兹肖特基混频二极管 206的阴极各连接一个连接基板背面金属的通孔，形成完整的直流回路；

本振端口 109包括本振端口信号压点 217和两个本振端口接地压点 218，本振端口接地压点 218各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地；

本振隔直电容 205采用GaAs二极管工艺中的上下两层金属层组成上下极板；

本振匹配结构 104由本振匹配微带线 204实现，采用高低阻抗微带线连接并联开路微带线的形式实现匹配；

本振滤波结构 103由本振低通滤波器 203实现，采用改进的紧凑微带谐振单元结构，具有结构紧凑、损耗小的优点，可以有效减小整体芯片的尺寸；

中频滤波结构 107为串联微带线并联开路扇形微带线的结构。其中串联微带线的等效电长度为射频波长的四分之一，可以有效隔离射频信号泄漏到中频端口。上述结构中的并联开路扇形微带线也可以由相应容值的隔直平面电容105等位替换，有利于进一步缩小版图尺寸。

中频端口110包括中频端口信号压点 219和两个中频端口接地压点 220组成，中频端口接地压点 220各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地。

第一连接微带线 209、第二连接微带线210、第三连接微带线 211、二极管间连接微带线 212、第五连接微带线 213、第四连接微带线 214为电路各部分之间的连接过渡结构；

衬底 221定义了上述混频器的长宽尺寸；

进一步的，如图2所示，本申请公开了一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，所述混频器包括射频端口信号压点215，所述射频端口信号压点215经射频匹配微带线201与第一连接微带线209的一端连接，第一连接微带线209的另一端经射频带通滤波器202与第二连接微带线210的一端连接，所述第二连接微带线210的另一端经第三连接微带线211与二极管间连接微带线212的一端连接，一个太赫兹肖特基混频二极管206的负极与二极管间连接微带线212连接，该太赫兹肖特基混频二极管206的正极接地207，另一个太赫兹肖特基混频二极管206的正极与二极管间连接微带线212连接，该太赫兹肖特基混频二极管206的负极接地207；本振端口信号压点217经本振隔直电容205与本振匹配微带线204的一端连接，本振匹配微带线204的另一端经第四连接微带线214与本振低通滤波器203的一端连接，所述本振低通滤波器203的另一端经第五连接微带线213与二极管间连接微带线212连接；中频低通滤波器208的一端与第二连接微带线210连接，中频低通滤波器210的另一端与中频端口信号压点219连接。

如图3所示为一种180GHz谐波混频器的结构示意图；图4为上述混频器的变频损耗仿真结果，工作条件为：射频频率范围为160GHz至200GHz；本振频率范围79.5GHz至99.5GHz；中频1GHz。图5为上述混频器的射频端口驻波比（VSWR）仿真结果，工作条件为：射频频率范围160GHz至200GHz；本振频率范围79.5GHz至99.5GHz；中频1GHz。图6为上述混频器的本振端口驻波比（VSWR）仿真结果，工作条件为：射频频率范围160GHz至200GHz；本振频率范围79.5GHz至99.5GHz；中频1GHz。图7为上述混频器的中频端口驻波比（VSWR）仿真结果，工作条件为：射频频率范围160GHz至200GHz；本振频率范围79.5GHz至99.5GHz；中频1GHz。

Claims

1.一种新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：包括衬底（221），所述衬底（221）上形成有混频电路，所述混频电路包括射频输入端口（108），所述射频输入端口（108）经射频匹配结构（101）与射频滤波结构（102）的一端连接，所述射频匹配结构（102）的另一端分为两路，第一路与中频滤波结构（107）的一端连接，第二路与混频二极管对（106）的输入端连接；本振端口（109）经本振匹配结构（104）与本振滤波结构（103）的一端连接，所述本振滤波结构（103）的另一端与混频二极管对（106）的输入端连接，所述中频滤波结构（107）的另一端与中频输出端口（110）连接；射频信号由射频端口（108）输入后依次通过射频匹配结构（101）、射频滤波结构（102）后进入混频二极管对（106）；混频器的本振信号由本振端口（109）输入后依次通过本振匹配结构（104）、本振滤波结构（103）后进入混频二极管对（106）；中频信号由混频二极管对（106）的两个二极管中间输出，经由中频滤波结构（107）、中频端口（110）输出；所述二次谐波混频器在GaAs衬底上同时制作肖特基二极管和无源电路结构，通过一次工艺流程形成完整的太赫兹二次谐波混频器电路。

2.如权利要求1所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：所述射频输入端口（108）以及本振端口（109）分别经一个隔直平面电容（105）与匹配结构连接。

3.如权利要求1所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：所述混频器包括射频端口信号压点（215），所述射频端口信号压点（215）经射频匹配微带线（201）与第一连接微带线（209）的一端连接，第一连接微带线（209）的另一端经射频带通滤波器（202）与第二连接微带线（210）的一端连接，所述第二连接微带线（210）的另一端经第三连接微带线（211）与二极管间连接微带线（212）的一端连接，一个太赫兹肖特基混频二极管（206）的负极与二极管间连接微带线（212）连接，该太赫兹肖特基混频二极管（206）的正极接地（207），另一个太赫兹肖特基混频二极管（206）的正极与二极管间连接微带线（212）连接，该太赫兹肖特基混频二极管（206）的负极接地（207）；本振端口信号压点（217）经本振隔直电容（205）与本振匹配微带线（204）的一端连接，本振匹配微带线（204）的另一端经第四连接微带线（214）与本振低通滤波器（203）的一端连接，所述本振低通滤波器（203）的另一端经第五连接微带线（213）与二极管间连接微带线（212）连接；中频低通滤波器（208）的一端与第二连接微带线（210）连接，中频低通滤波器（210）的另一端与中频端口信号压点（219）连接。

4.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：射频端口信号压点（215）的两侧各设置有一个射频端口接地压点（216），射频端口接地压点（216）各自通过连接基板背面金属通孔连接衬底背面金属实现接地。

5.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：射频匹配微带线（201）采用高低阻抗微带线的形式实现。

6.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：射频带通滤波器（202）采用由微带线构成的交叉耦合线滤波器。

7.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：所述本振端口信号压点（217）的两侧各形成有一个本振端口接地压点（218），本振端口接地压点（218）各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地。

8.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：本振隔直电容（205）采用GaAs二极管工艺中的上下两层金属层组成电容的上下极板。

9.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：所述中频低通滤波器（208）为串联微带线并联开路扇形微带线的结构，其中串联微带线的等效电长度为射频波长的四分之一。

10.如权利要求3所述的新型单片集成太赫兹二次谐波混频器，其特征在于：中频端口信号压点（219）的两侧各形成有一个中频端口接地压点（220），中频端口接地压点（220）各自通过连接基板背面金属的通孔连接衬底背面金属实现接地。