CN102969976B - 紧凑型太赫兹功率合成倍频电路 - Google Patents

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本发明公开了一种紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的输入波导结构、合成通道、输出波导结构和直流偏置电路；合成通道的一端连接输入波导结构，另一端连接输出波导结构，合成通道内设置两组相互镜像对称的薄膜芯片，薄膜芯片的一组连接到金属上基座上，另一组连接到金属下基座上，直流偏置电路上设置芯片电容，芯片电容和薄膜芯片相连。本发明基于微纳技术，具有结构紧凑、集成度高的特点；本发明具有端口性能好的特点；本发明具有效率较高的特点；同时具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。

Description

紧凑型太赫兹功率合成倍频电路
技术领域
本发明涉及的是一种基于微纳集成制造技术的太赫兹倍频电路，尤其涉及的是一种紧凑型太赫兹功率合成倍频电路。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简写THz)通常是指频率在0.1THz～10THz(波长为30μm～3mm)范围内的电磁波。1THz(1012Hz)对应波数为33.3cm-1，能量为4.1meV，波长为300μm。从频谱上看，太赫兹波在电磁波谱中介于微波与红外之间，处于电子学向光子学过渡的区域，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。在电子学领域，太赫兹波被称为亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。
传统的电子学方法和光学方法都难以产生高质量的太赫兹波，随着光电子技术和半导体技术的发展，使用超快激光轰击非线性晶体或光电导偶极可以实现毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波，这就为研究提供了一个稳定和有效的手段；利用电真空返波管(BWO)通过锁相，也可以实现1.2THz频率以下毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波；量子级联(QCL)外加锁相机制，可实现2THz频率以上毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波。但这些技术都存在系统复杂、集成度差以及造价昂贵等问题。因此具有紧凑及较高功率输出优点的太赫兹波功率倍频合成成为太赫兹波技术研究的重要技术。
太赫兹倍频理论中，要获得更大的输出功率，一般需要增大输入功率，但倍频效率与输入功率有关，过高的输入功率易导致器件饱和，导致倍频效率大大降低，甚至引起势垒反向击穿，器件受到损害。对于这些问题，只有提高器件对大输入功率的承载能力，同时不降低倍频效率η，才可实现较大功率输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，在输出功率提高的同时保持良好的倍频性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的输入波导结构、合成通道、输出波导结构和直流偏置电路；合成通道的一端连接输入波导结构，另一端连接输出波导结构，合成通道内设置两组相互镜像对称的薄膜芯片，薄膜芯片的一组连接到金属上基座上，另一组连接到金属下基座上，直流偏置电路上设置芯片电容，芯片电容和薄膜芯片相连。
所述每组薄膜芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的第一梁式引线、第二梁式引线、第三梁式引线、太赫兹肖特基管对、输入耦合单元、输出耦合单元和低通滤波器；所述芯片本体的首端和末端分别通过第一梁式引线和第二梁式引线定位在合成通道内，太赫兹肖特基管对的两端通过第一梁式引线连接到金属上基座或金属下基座上以形成直流和射频回路，输入耦合单元设置于太赫兹肖特基管对的中间，输出耦合单元和输入耦合单元相连，低通滤波器和输出耦合单元相连，低通滤波器通过第三梁式引线和芯片电容相连以进行直流馈电，输入耦合单元和输入波导结构相连，输出耦合单元和输出波导结构相连。
作为本发明的优选方式之一，所述薄膜芯片为砷化镓薄膜，薄膜芯片的厚度为10～15μm。
所述两组薄膜芯片的距离大于或等于100μm，可以实现更好的倍频性能。
所述太赫兹肖特基管对的拓扑结构为反串联结构，利于实现杂波抑制。
为实现与外部其他部件的连接，所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接法兰盘。
所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接，通过定位销实现固定定位。
所述金属上基座和金属下基座上分别设有直流馈电SMA(Small A Type)连接器，所述直流馈电SMA连接器和直流偏置电路相连。
薄膜芯片及其部件的制作工艺选用电子束光刻(EBL，electronic beam lithography)、电感耦合反应离子刻蚀(ICP Etching，inductively coupled plasma reactive ion etching)、分子束外延(MBE，Molecular beam epitaxy)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD，PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)中的任一种。
本发明的输入输出耦合采用损耗较小的波导微带过渡方式，薄膜芯片上太赫兹肖特基管对采用平衡电路结构，利于实现杂波抑制。通过增加太赫兹肖特基管对的数目，提高对输入功率的承载能力，两组薄膜芯片分别完成信号的激励，并在合成通道的输出一侧内完成两路信号合成，两倍提升倍频输出功率。薄膜芯片太赫兹肖特基管对两侧经由第一梁式引线固定在合成通道内，并由第一梁式引线提供直流回路和射频回路，薄膜芯片在直流偏置电路由第三梁式引线提供直流通路，经芯片电容直流供电。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明基于微纳技术，具有结构紧凑、集成度高的特点：两组薄膜芯片镜像对称放置于同一个合成通道之中，所采用的功率合成由输入输出两端波导微带过渡实现，无需波导合成网络，结构较紧凑；
本发明具有端口性能好的特点：在进行薄膜倍频电路设计时，综合考虑端口匹配与其它电路结构的协同设计，明显减弱了端口驻波，提高了端口性能；
本发明具有效率较高的特点：由于避免采用具有一定损耗的波导合成网络，减少了导波路径损耗3dB以上，效率较高；
本发明同时具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点：本发明是由两组镜像对称的薄膜芯片放置在输入输出波导之间的合成通道中，两组薄膜芯片电路完全一致，其采用的工艺为微纳集成制造技术，一致性好。无需波导合成网络，减少了金属基座高精度机械加工的费用。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是金属下基座的立体示意图；
图3是金属下基座的俯视图；
图4是薄膜芯片的结构示意图；
图5是太赫兹肖特基管对的局部示意图；
图6是输入功率为120mW条件下输出功率结果；
图7是输入功率为120mW条件下倍频效率结果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2和图3所示，本实施例包括金属上基座1和金属下基座2，金属上基座1和金属下基座2形成的腔体内分别设置结构相同的输入波导结构3、合成通道4、输出波导结构5和直流偏置电路6；合成通道4的一端连接输入波导结构3，另一端连接输出波导结构5，合成通道4内设置两组相互镜像对称的薄膜芯片7，薄膜芯片7的一组连接到金属上基座1上，另一组连接到金属下基座2上，直流偏置电路6上设置芯片电容61，芯片电容61和薄膜芯片7相连。为实现与外部其他部件的连接，金属上基座1和金属下基座2的两侧分别设置连接法兰盘8。金属上基座1和金属下基座2通过定位销9连接，通过定位销9实现固定定位。金属上基座1和金属下基座2上分别设有直流馈电SMA连接器10，所述直流馈电SMA连接器10和直流偏置电路6相连。
本实施例中合成通道4、输入波导结构3、输出波导结构5、直流偏置电路6是在金属上下基座上通过精密数控铣(CNC Milling，Computerized Numerical Control Milling)的方式得到。金属上基座1和金属下基座2为铜制成，其他实施例中可以选择铝，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金得到。
如图4和图5所示，每组薄膜芯片7包括芯片本体71和分别设置于芯片本体71上的第一梁式引线72、第二梁式引线73、第三梁式引线74、太赫兹肖特基管对75、输入耦合单元76、输出耦合单元77和低通滤波器78；所述芯片本体71的首端和末端分别通过第一梁式引线72和第二梁式引线73定位在合成通道4内，太赫兹肖特基管对75的两端通过第一梁式引线72连接到金属上基座1或金属下基座2上以形成直流和射频回路，输入耦合单元76设置于太赫兹肖特基管对75的中间，输出耦合单元77和输入耦合单元76相连，低通滤波器78和输出耦合单元77相连，低通滤波器78通过第三梁式引线74和芯片电容61相连以进行直流馈电，输入耦合单元76和输入波导结构3相连，输出耦合单元77和输出波导结构5相连。本实施例的太赫兹肖特基管对75的拓扑结构为反串联结构，利于实现杂波抑制。
本实施例中，薄膜芯片7及其部件的制作工艺选用电子束光刻制成。本实施例的薄膜芯片7面积为280μm*1150μm，厚度12μm，金属上基座1和下基座的总尺寸为27mm*30mm*25mm。本实施例的薄膜芯片7为砷化镓薄膜。两组薄膜芯片7的距离大于100μm，可以实现更好的倍频性能。
薄膜芯片7和合成通道4主要是负责信号的耦合、激励、合成等工作。在合成通道4内薄膜芯片7呈镜像放置，调节薄膜芯片7之间距离，可调整得到不同的倍频性能。薄膜芯片7通过第一梁式引线72和第二梁式引线73定位及固定。同时第一梁式引线72用于连接太赫兹肖特基管对75和对应的金属基座以形成直流和射频回路。低通滤波器78经第三梁式引线74通过芯片电容61进行直流馈电。输入耦合单元76用于把输入功率耦合到太赫兹肖特基管对75，由太赫兹肖特基管对75激励出的偶次谐波信号经输出耦合单元77耦合到输出导波结构，最后经波导口输出。
图6和图7为本发明的倍频性能数据结果，其中图6为输入功率为120mW条件下输出功率结果，从曲线可见20GHz带宽范围内输出功率高于24mW，同时无明显驻波。图7为输入功率为120mW条件下倍频效率结果，从曲线可见20GHz带宽范围内，倍频效率为20％，结果表明，在360GHz到380GHz频段上保持相当高的倍频效率与非常优越的端口特性，倍频性能优良。

Claims (7)

1.一种紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的输入波导结构、合成通道、输出波导结构和直流偏置电路；合成通道的一端连接输入波导结构，另一端连接输出波导结构，合成通道内设置两组相互镜像对称的薄膜芯片，薄膜芯片的一组连接到金属上基座上，另一组连接到金属下基座上，直流偏置电路上设置芯片电容，芯片电容和薄膜芯片相连；每组所述薄膜芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的第一梁式引线、第二梁式引线、第三梁式引线、太赫兹肖特基管对、输入耦合单元、输出耦合单元和低通滤波器；所述芯片本体的首端和末端分别通过第一梁式引线和第二梁式引线定位在合成通道内，太赫兹肖特基管对的两端通过第一梁式引线连接到金属上基座或金属下基座上以形成直流和射频回路，输入耦合单元设置于太赫兹肖特基管对的中间，输出耦合单元和输入耦合单元相连，低通滤波器和输出耦合单元相连，低通滤波器通过第三梁式引线和芯片电容相连以进行直流馈电，输入耦合单元和输入波导结构相连，输出耦合单元和输出波导结构相连。
2.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述薄膜芯片为砷化镓薄膜，薄膜芯片的厚度为10～15μm。
3.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述两组薄膜芯片的距离大于或等于100μm。
4.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述太赫兹肖特基管对的拓扑结构为反串联结构。
5.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接法兰盘。
6.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接。
7.根据权利要求1所述的紧凑型太赫兹功率合成倍频电路，其特征在于：所述金属上基座和金属下基座上分别设有直流馈电SMA连接器，所述直流馈电SMA连接器和直流偏置电路相连。
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