CN102843100B - 高效宽频全金属结构1毫米二倍频器 - Google Patents
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Abstract
一种高效宽频全金属结构1毫米二倍频器，倍频电路采用金属结构构成，消除了介质对高频信号的影响，提高了倍频器的效率，倍频器的整体结构主要有上腔、板片和下腔三部分组成，板片用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导，上腔用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽；该倍频器工作时，首先通过一条多曲线拟合为渐变函数的脊，将70GHz-110GHz频段范围的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经二极管对整流产生偶次谐波，其中二次谐波经过脊波导传输至1mm标准波导口输出，四次谐波通过合理的设置空气桥，将其反射回二极管重新进行参与倍频，进而提高倍频效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效宽频全金属结构1毫米二倍频器。
背景技术
毫米波信号源是毫米波系统的核心，其质量优劣可以决定系统质量优劣。目前，涉及整个毫米波频谱的能量产生问题可以由固态功率源来承担。毫米波固态源是通过谐振电路与微波半导体器件的相互作用，把直流功率转化为射频功率的装置，其主要优点是工作电压低、效率高、寿命长、体积小、重量轻。最10多年来，固态微波倍频器发展十分迅速，由早期的非线性变阻二极管倍频器发展到变容二极管、阶跃管和雪崩管倍频器，又由双极晶体管倍频器发展到单栅和双栅微波场效应管倍频器。随着新型器件和理论的不断发展，HBV二极管倍频器、ATL倍频器、平面肖特基二极管倍频器和HEMT(高电子迁移率晶体管)倍频器等不断涌现。
倍频器是以器件的非线性为基础的，当用一正弦信号激励任何一个非线性器件时，便会在基波信号频率的谐波上产生功率，从而产生倍频效应。器件的非线性可以分为电阻非线性和电抗非线性，电阻非线性即电阻可变，也就是直流电流与电压之间具有非线性的静态关系，pn节在射频频率上就呈现这种特性。分析国内外的参考文献，采用二极管倍频在带宽较窄时，为保证最低限度的倍频损耗，大多采用变容二极管或饱和截止二极管，而实现宽带倍频器大多采用混频二极管，这样就导致倍频损耗较大，但宽带匹配等问题就比较容易解决。
现在采用的倍频的方式主要分为奇次和偶次倍频，偶次倍频器电路原理框图如图1所示，二极管对用作全波整流器件。输入低通滤波器的作用主要是抑制输入信号的谐波并完成输入阻抗匹配，以便使能量有效地耦合至倍频二极管对进行倍频；输出滤波器的作用是滤除输入信号的基波分量并为输入信号的二次谐波提供最佳阻抗匹配。
图2是W波段二倍频器的实现形式，该倍频器的基于串联变阻二极管设计的，倍频电路制作在软基板材料5880上，在75GHz至110GHz的频率范围内，该倍频器的变频损耗优于20dB.
固态的毫米波信号源由于体积小、价格低廉、易于集成及使用寿命长等优点已成为很多系统的首选，因此采用倍频二极管将信号倍频至毫米波频段的倍频源模块尤为引人注目，平衡式二倍频器由于其可以消除奇次谐波，具有较高的倍频效率，成为了高效倍频器设计的首选。平衡式的二倍频器需要设计平衡到不平衡结构的转换，即巴伦结构。在频率较低的微波频段，巴伦的结构设计较为成熟，形式多样。然而，随着频率的升高，基于介质基材形式的巴伦结构损耗较大，致使毫米波倍频器的变频损耗增大，频率越高介质的影响就越突出。因此在宽带倍频器的设计中，为提高倍频的效率，除要对非线性器件的进行宽带匹配之外，消除介质对高频信号的影响，降低整个通路插损，对于倍频器的性能的提高有着极为重要的意义。
通过分析国内外参考文献和产品，现在微波和毫米波频段倍频器的电路多制作在介质材料上，但随着频率扩展到1mm频段，介质损耗已不容忽视，为降低介质对倍频电路的影响，一种方法是通过先进的工艺能够对承载倍频电路的基板进行减薄或者去除，然这种工艺对国外依赖于先进的工艺条件，制作的难度较大，同时由于基板的厚度较薄，可靠性较差，而且装配的难度也较大，同时本发明采用多渐变线分段拟合，实现阻抗的宽带匹配。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是，通过合理的设计，实现全金属结构的倍频电路，消除介质对1毫米波的影响，提高倍频器的性能。该倍频电路涉及到高性能的全金属结构的巴伦、输入和输出匹配电路设计。其具体的实现是通过波导宽边的指数渐变的脊，将输入的信号传输至金属脊与金属板片构成的缝隙中，在以金属脊为对称的缝隙中，实现信号的等幅反向，传输至串联非线性二极管对处，产生信号的偶次谐波。基波的二次谐波通过脊波导传输至波导输出，最终实现宽带高效的1mm二倍频器。
本发明的技术方案是：以T型二极管对用作全波整流器件，倍频器由跨接于共面波导上的梁式引线二极管对组成，输入信号通过共面波导推动倍频二极管对，倍频输出信号在槽线中传播。输出信号在槽线中可双向传播，可向着负载方向传播，也可以向着源方向传播，距倍频二极管λ/4处的短接线保证信号的主要传播方向为向着负载方向，输出波导自然形成一高通滤波器滤除输入信号的基波信号，输入信号的二次谐波经高通滤波器输出，该倍频器的输入频率范围为70GHz-110GHz，输出频率范围为140GHz-220GHz。输入波导接口形式为WR10，输出波导接口形式为WR05；倍频电路采用金属结构构成，消除了介质对高频信号的影响，提高了倍频器的效率，倍频器的整体结构主要有上腔、板片和下腔三部分组成，板片用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导，上腔用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽；该倍频器工作时，首先通过一条多曲线拟合为渐变函数的脊，将70GHz-110GHz频段范围的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经二极管对整流产生偶次谐波，其中二次谐波经过脊波导传输至1mm标准波导口输出，四次谐波通过合理的设置空气桥，将其反射回二极管重新进行参与倍频，进而提高倍频效率。
本发明的1mm二倍频器消除了介质对高频信号的影响，具有较高的倍频效率，同时没有薄介质的存在，倍频器的可生产线、操作性及可靠性较高，在空间通信、雷达等领域具有很好使用价值。
本发明采用了指数渐变线函数，与余弦的n次方渐变线函数分段拟合使用，实现超宽带阻抗匹配，同时该方法使用灵活方便。
附图说明
图1是偶次倍频原理图。
图2是3mm频段2倍频器实现结构。
图3是1mm二倍频器整体结构视图。
图4是1mm二倍频器整体分离结构视图。
图5是1mm二倍频器上腔剖视图。
图6是1mm二倍频器下腔剖视图。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实施例包括：
一种高效宽频全金属结构1毫米二倍频器，以T型二极管对用作全波整流器件，采用输入波导/脊波导/共面波导/鳍线/波导结构实现全波整流电路。采用这种结构器件安装方便，倍频后输出信号到输出波导的转换易于实现，而且输出波导自然形成一高通滤波器，不必单独设计额外的滤波器，即可方便地滤除输入信号的基波信号。所有的电路通过合理的结构设计，全部由金属结构构成，消除介质的存在对1mm信号的影响，降低了输出信号的损耗，进而提高了倍频效率。倍频器由跨接于共面波导上的梁式引线二极管对组成，输入信号通过共面波导推动倍频二极管对，倍频输出信号在槽线中传播。输出信号在槽线中可双向传播：可向着负载方向(输出波导方向)传播，也可以向着源方向(输入信号的方向)传播，距倍频二极管λ/4处的短接线保证信号的主要传播方向为向着负载方向，输出波导自然形成一高通滤波器滤除输入信号的基波信号，输入信号的二次谐波经高通滤波器输出。该倍频器的输入频率范围为70GHz-110GHz，输出频率范围为140GHz-220GHz。输入波导接口形式为WR10，输出波导接口形式为WR05。图3为本发明提出的倍频器的整体结构示意图，其主要有上腔、板片和下腔三部分组成，这三部分的整体结构剖视图如图4所示，黄色部分为板片，其用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导。板片与下腔配合后的剖视图为图6所示，图5为上腔的剖视图，其用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽。该倍频器的具体的工作原理是，首先通过一条多曲线拟合为渐变函数的脊，将70GHz-110GHz频段范围的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经二极管对整流产生偶次谐波，其中二次谐波经过脊波导传输至1mm标准波导口输出，四次谐波通过合理的设置空气桥，将其反射回二极管重新进行参与倍频，进而提高倍频效率。
本发明不但可以在高频段和宽频带内获取毫米波信号，而且可以在突破了单层倍频电路输出功率小的限制，尤其是在高频段具有很好的使用价值。
本发明的1mm二倍频器消除了介质对高频信号的影响，具有较高的倍频效率，同时没有薄介质的存在，倍频器的可生产线、操作性及可靠性较高，在空间通信、雷达等领域具有很好使用价值。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (1)
1.一种高效宽频全金属结构1毫米二倍频器，其特征在于，以T型二极管对用作全波整流器件，倍频器由跨接于共面波导上的梁式引线二极管对组成，输入信号通过共面波导推动倍频二极管对，倍频输出信号在槽线中传播；输出信号在槽线中可双向传播，可向着负载方向传播，也可以向着源方向传播，距倍频二极管λ/4处的短接线保证信号的主要传播方向为向着负载方向，输出波导自然形成一高通滤波器滤除输入信号的基波信号，输入信号的二次谐波经高通滤波器输出，该倍频器的输入频率范围为70GHz-110GHz，输出频率范围为140GHz-220GHz，λ为输出频率180GHz对应信号的波长；输入波导接口形式为WR10，输出波导接口形式为WR05；倍频电路采用金属结构构成，消除了介质对高频信号的影响，提高了倍频器的效率，倍频器的整体结构主要有上腔、板片和下腔三部分组成，板片用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导，上腔用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽；该倍频器工作时，首先通过一条多曲线拟合为渐变函数的脊，将70GHz-110GHz频段范围的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经二极管对整流产生偶次谐波，其中二次谐波经过脊波导传输至1mm标准波导口输出，四次谐波通过合理的设置空气桥，将其反射回二极管重新进行参与倍频，进而提高倍频效率。
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