CN114123980B - 基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，属于太赫兹无线通信技术领域，包括中频电路和太赫兹电路，太赫兹电路包括本振三倍频器、本振同向3 dB滤波耦合器、射频180°滤波耦合器和两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器包括环柱形谐振腔和四个矩形波导，环柱形谐振腔通过四个扇环形凹槽被分为一个大扇环形谐振腔和三个小扇环形谐振腔，大扇环形谐振腔的圆心角角度为小扇环形谐振腔的两倍；四个矩形波导分别与四个扇环形谐振腔对应相连。本发明采用兼具耦合和滤波功能的本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器，实现低本振噪声抑制收发前端。

Description

基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端
技术领域
本发明属于太赫兹无线通信技术领域，具体涉及基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端。
背景技术
随着空间组网高速互联应用的日益发展，无线通信所面临的有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾，对新型高速通信技术的发展提出了迫切的需求，发展宽带大容量无线信息传输技术是未来通信***首要的关键技术。
太赫兹波处于宏观电子学与微观光子学的过渡区域，具有不同于微波和光波的特性，是电磁波谱中至今尚待开发、亟待全面探索的新频段。近二十年，太赫兹科学成为了国际电磁领域的焦点，被国际科技界公认的一个具有重大科学价值和战略需求的前沿技术领域。太赫兹波介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光两个区域之间，融合了微波和红外可见光的优点，并且频段资源丰富，带宽大，太赫兹无线通信技术除了能满足地面短距离大容量通信需求外，还能用于空间通信、信号探测等方面，发展太赫兹无线通信技术具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。因此，太赫兹高速无线通信是通信技术发展的必然趋势，是实现下一代海量数据实时传输的最有效途径，是信息科学技术、新一代信息产业的重要技术基础。
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，混频器通常作为收发前端的第一级电路，其性能将直接决定收发前端噪声性能。
目前，已有在研的太赫兹固态电子学通信***仍面临着收发前端噪声性能较差、电路一致性差、难以集成化小型化等诸多技术难题。噪声性能差主要是由于收发前端混频器的本振驱动源采用多次倍频方式，倍频次数往往在十次以上，这极大地恶化了收发前端噪声的性能；由于太赫兹电路尺寸较小，如果简单的将各电路进行集成，虽然可以减小***体积实现便携化，但是体积减小会增加加工难度，各电路之间的相互干扰也会加剧，所以合理的电路架构非常重要。本发明面向未来高速通信***应用，重点突破太赫兹低噪声通信***收发前端技术。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，解决本振驱动源多次倍频所导致的收发前端噪声性能恶化的固有问题。
本发明具体技术方案如下：
基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，包括上下布置的中频电路和太赫兹电路；所述太赫兹电路包括本振三倍频器、本振同向3 dB滤波耦合器、射频180°滤波耦合器和两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；
所述本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器均包括一个环柱形谐振腔和四个矩形波导，所述环柱形谐振腔的高度和环宽分别与矩形波导的长边尺寸和短边尺寸相等，环柱形谐振腔在两侧环形面分别设置四个对应的扇环形凹槽，使得环柱形谐振腔被分为一个大扇环形谐振腔和三个小扇环形谐振腔，大扇环形谐振腔的圆心角角度为小扇环形谐振腔的两倍；四个矩形波导分别与四个扇环形谐振腔对应相连；
所述本振同向3 dB滤波耦合器以与大扇环形谐振腔相连的矩形波导为隔离端，射频180°滤波耦合器以与大扇环形谐振腔相连的矩形波导为输入端；
射频信号经射频180°滤波耦合器滤波耦合为两路信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，输入至本振同向3 dB滤波耦合器滤波耦合为两路本振驱动信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器驱动混频；两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生的中频分量分别输入至中频电路，经180°耦合、放大后，输出抑制本振噪声后的中频信号。
进一步地，所述中频电路和太赫兹电路通过两个低损耗探针连接。
进一步地，所述扇环形凹槽的槽深不超过矩形波导的长边尺寸的1/3，扇环形凹槽的外圆弧的两端点间距不超过矩形波导的短边尺寸。
进一步地，对于与小扇环形谐振腔相连的矩形波导，矩形波导连接于小扇环形谐振腔的外圆弧中心区域处。
进一步地，对于与大扇环形谐振腔相连的矩形波导，矩形波导连接于大扇环形谐振腔的外圆弧1/4区域处。
进一步地，所述中频电路包括依次设置的中频180°环形电桥和中频低噪声放大器，两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生的中频分量经中频180°电桥耦合，中频低噪声放大器放大后，输出抑制本振噪声后的中频信号。
进一步地，两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器均采用GaAs单片集成将二极管装配在混频器电路中，保证了两个混频器电路性能的一致性。
进一步地，所述太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。
进一步地，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导、输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带线过渡和输出波导。
所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端的工作原理具体为：射频信号经射频180°滤波耦合器滤波耦合为两路功率相同、相位差180°的信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，输入至本振同向3dB滤波耦合器滤波耦合为两路功率相同、相位相同的本振驱动信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器驱动混频；两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生两路相位差180°的中频分量，分别输入至上层的中频电路进行180°耦合和放大，此时两路中频分量的相位差为360°，同向叠加；从本振同向3 dB滤波耦合器馈入两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器的本征噪声经中频电路的180°相位变化后，相位差为180°，反向抵消，实现了本振噪声的抑制，从而输出抑制本振噪声后的中频信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提出了基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，采用双层电路布局架构，将中频电路布置在太赫兹电路的上层，实现太赫兹收发前端整体电路的集成化小型化；
2、在太赫兹低噪声通信***收发前端中，本发明设计了一种新型的本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器，兼具信号耦合和滤波功能，在实现小型化的同时抑制本振噪声，解决本振源经过多次倍频放大后的噪声基底恶化的问题，从而实现低本振噪声抑制收发前端，为采用高阶调制方式的太赫兹高速通信***的实现提供有力的理论及技术支撑；
3、本发明采用低损耗探针连接太赫兹电路和中频电路等方式，减少电路输出端口，保证了电路的可实现性。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端的电路模型示意图；
图2为本发明实施例1中本振三倍频器的电路结构示意图；
图3为本发明实施例1中本振同向3 dB滤波耦合器的结构示意图；
图4为本发明实施例1中第一太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器的电路结构示意图；
图5为本发明实施例1中本振同向3 dB滤波耦合器的S参数仿真结果；
图6为本发明实施例1中本振同向3 dB滤波耦合器的幅度不平坦度和相位不平坦度的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提出了基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，如图1所示，包括第一低损耗探针、第二低损耗探针、中频电路和太赫兹电路；所述中频电路布置在太赫兹电路的上层，二者通过第一低损耗探针和第二低损耗探针连接，使得所述太赫兹低噪声通信***收发前端的整体集成在30 mm×20 mm×20 mm的电路腔体内，保证电路可实现性的同时实现了收发前端小型化。
所述太赫兹电路包括本振三倍频器、本振同向3 dB滤波耦合器、第一太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器、第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器和射频180°滤波耦合器；所述中频电路包括依次设置的中频180°环形电桥和中频低噪声放大器。
如图2所示，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导WR-28、输入波导-微带线 过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带 线过渡和输出波导WR-8；频率为
Figure 292914DEST_PATH_IMAGE001
的本振信号从本振三倍频器的输入波导WR-28输入后，经 输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器和输入匹配电路输入至同向并联二极管对中进行 三倍倍频，倍频后信号经输出匹配电路、输出波导-微带线过渡后，从输出波导WR-8输出频 率为
Figure 269966DEST_PATH_IMAGE002
的本振三倍频信号；其中，输入匹配电路和输出匹配电路基于负载牵引的方法设计， 使输入信号能量最大化地进入同向并联二极管对中参与倍频，倍频后又以能量最大化地进 行输出；对于同向并联二极管对无法对偶次谐波分量进行抑制的问题，对输出波导-微带线 过渡进行波导减高处理，提高输出波导-微带线过渡的输出端口的截止频率，有效防止三次 谐波分量的泄漏。
所述本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器均包括一个环柱形谐振腔和四个矩形波导，所述环柱形谐振腔的高度和环宽分别与矩形波导的长边尺寸和短边尺寸相等，环柱形谐振腔在两侧环形面分别设置四个对应的扇环形凹槽，使得环柱形谐振腔被分为依次的第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔、TE102谐振腔和第三TE101谐振腔，第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔和第三TE101谐振腔的圆心角角度相同，TE102谐振腔的圆心角角度为第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔和第三TE101谐振腔的两倍；四个矩形波导分别与第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔、TE102谐振腔和第三TE101谐振腔对应相连；与TE102谐振腔相连的矩形波导连接于TE102谐振腔的外圆弧1/4区域处，分别与第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔和第三TE101谐振腔相连的矩形波导连接于对应谐振腔（第一TE101谐振腔、第二TE101谐振腔或第三TE101谐振腔）的外圆弧中心区域处。
所述本振同向3 dB滤波耦合器的矩形波导为标准波导WR-8，扇环形凹槽的槽深为0.33 mm，扇环形凹槽的外圆弧的两端点间距为0.22 mm；如图3所示，本振同向3 dB滤波耦合器以与第一TE101谐振腔相连的矩形波导为输入端，与TE102谐振腔相连的矩形波导为隔离端，与第二TE101谐振腔相连的矩形波导和与第三TE101谐振腔相连的矩形波导为输出端（第一输出端和第二输出端）；所述本振三倍频器输出的本振三倍频信号从本振同向3 dB滤波耦合器的输入端进入，经凹槽滤除噪声后，分别从两个输出端输出两路功率相同、相位相同的本征驱动信号，此时隔离端因180°相位差发生反相抵消，无信号输出。
所述本振同向3 dB滤波耦合器的S参数仿真结果如图5所示，可以看出在所需220GHz射频信号附近，回波损耗S11优于-20 dB，结合图6所示的幅度不平坦度和相位不平坦度的仿真结果，可知两个输出端口的幅度不平坦度低于0.2 dB，与180°相位差相比，相位不平坦度低于3°，性能优良。
所述射频180°滤波耦合器的矩形波导为标准波导WR-5，扇环形凹槽的槽深为0.17mm，扇环形凹槽的外圆弧的两端点间距为0.12 mm；所述射频180°滤波耦合器以与TE102谐振腔相连的矩形波导为输入端，与第一TE101谐振腔相连的矩形波导为隔离端，与第二TE101谐振腔相连的矩形波导和与第三TE101谐振腔相连的矩形波导为输出端；射频信号从射频180°滤波耦合器的输入端进入，经凹槽滤除噪声后，分别从两个输出端输出两路功率相同、相位差180°的信号，此时隔离端因180°相位差发生反相抵消，无信号输出。
如图4所示，所述第一太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器为平衡电路结构，采用GaAs单片集成将二极管装配在混频器电路中，保证两个混频器电路性能的一致性。第一太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器均包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。射频180°滤波耦合器输出的信号从射频波导-悬置微带过渡进入，经射频匹配电路进入反向并联二极管对；本振同向3 dB滤波耦合器输出的本振驱动信号从本振波导-悬置微带过渡进入，经本振低通滤波器、本振匹配电路进入反向并联二极管对驱动混频；射频信号和本振驱动信号在反向并联二极管对中混频后产生中频分量，经本振匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器，从中频输出端口输出。
本实施例基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端的工作原理为：射 频信号经射频180°滤波耦合器滤波耦合为两路功率相同、相位差180°的信号，分别进入第 一太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；频率为
Figure 493137DEST_PATH_IMAGE001
的本振信号经本振三倍频器倍频后，获得频率为
Figure 902253DEST_PATH_IMAGE002
的本振三倍频信号，输入至本振同向3 dB滤波耦合器进行滤波耦合，有效降低多次倍频后的噪声基底，进而优化收发前端的噪声， 输出两路功率相同、相位相同的本征驱动信号，分别进入第一太赫兹GaAs单片集成分谐波 混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器驱动混频；第一太赫兹GaAs单片集成分谐 波混频器和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生两路相位差180°的中频分 量（分别为中频分量1和中频分量2），分别经第一低损耗探针和第二低损耗探针输入至上层 的中频电路的中频180°环形电桥中进行耦合，此时两路相位差180°的中频分量经中频180° 环形电桥相位变化后，相位差为360°，同向叠加，经中频低噪声放大器放大后，输出抑制本 振噪声后的中频信号；而从本振同向3 dB滤波耦合器分别馈入第一太赫兹GaAs单片集成分 谐波混频器3-1和第二太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器3-2中的本征噪声经中频180°环 形电桥相位变化后，相位差为180°，反向抵消，从而实现了本振噪声的抑制。

Claims (8)

1.基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，包括上下布置的中频电路和太赫兹电路；所述太赫兹电路包括本振三倍频器、本振同向3 dB滤波耦合器、射频180°滤波耦合器和两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；
所述本振同向3 dB滤波耦合器和射频180°滤波耦合器均包括一个环柱形谐振腔和四个矩形波导，所述环柱形谐振腔的高度和环宽分别与矩形波导的长边尺寸和短边尺寸相等，环柱形谐振腔在两侧环形面分别设置四个对应的扇环形凹槽，使得环柱形谐振腔被分为一个大扇环形谐振腔和三个小扇环形谐振腔，大扇环形谐振腔的圆心角角度为小扇环形谐振腔的两倍；四个矩形波导分别与四个扇环形谐振腔对应相连；
所述本振同向3 dB滤波耦合器以与大扇环形谐振腔相连的矩形波导为隔离端，射频180°滤波耦合器以与大扇环形谐振腔相连的矩形波导为输入端；
射频信号经射频180°滤波耦合器滤波耦合为两路信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，输入至本振同向3 dB滤波耦合器滤波耦合为两路本振驱动信号，分别进入对应太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器驱动混频；两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生的中频分量分别输入至中频电路，经180°耦合、放大后，输出抑制本振噪声后的中频信号。
2.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，所述中频电路和太赫兹电路通过两个低损耗探针连接。
3.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，所述扇环形凹槽的槽深不超过矩形波导的长边尺寸的1/3，扇环形凹槽的外圆弧的两端点间距不超过矩形波导的短边尺寸。
4.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，对于与小扇环形谐振腔相连的矩形波导，矩形波导连接于小扇环形谐振腔的外圆弧中心区域处。
5.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，对于与大扇环形谐振腔相连的矩形波导，矩形波导连接于大扇环形谐振腔的外圆弧1/4区域处。
6.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，所述中频电路包括依次设置的中频180°环形电桥和中频低噪声放大器，两个太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器混频后产生的中频分量经中频180°电桥耦合，中频低噪声放大器放大后，输出抑制本振噪声后的中频信号。
7.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，所述太赫兹GaAs单片集成分谐波混频器包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。
8.根据权利要求1所述基于GaAs单片集成的太赫兹低噪声通信***收发前端，其特征在于，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导、输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带线过渡和输出波导。
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