CN104065345B - 一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器，包括倍频电路基片，倍频电路基片为双面印刷电路板，倍频电器由输入波导/悬置微带转换探针、输入低通滤波器、输入匹配电路、输出匹配电路、输出悬置微带/波导转换探针、偏置电路以及2N个肖特基二极管构成，倍频电路基片正反两面镜像印刷电路，2N个肖特基二极管分别安装于基片正、反两面，其中，N个肖特基二极管并联安装于基片正面，N个肖特基二极管并联安装于基片反面，安装于正面的肖特基二极管与安装于背面的二极管反向。本发明采用双面印刷电路基片实现平衡式三倍频器，便于外加直流偏置，从而可以提高倍频效率。此外由于倍频器采用的二极管数量提高了N倍，从而倍频器可实现N路功率合成，其功率容量也得到了相应的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器。
背景技术
基于肖特基二极管的倍频器作为本振频率源的一部分，在毫米波、亚毫米波频段通信、雷达等领域的应用较为广泛。近年来，在地球大气以及天文探测领域更是得到了得到了飞速的发展和广泛的应用[P. H. Siegel, Terahertz technology [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002, 50(3): pp. 910-928]。
平衡式三倍频器具有可以有效抑制偶次谐波、空闲电路简单、倍频效率高的优点[M. T. Faber, J. Chramiec, and M. E. Adamski, Microwave and Millimeterwave Diode Frequency Multipliers. Boston-London: Artech House, 1995. 104-107]，因此相比于单管三倍频器应用更加广泛。
常用平衡式三倍频器的原理结构如图4所示（见A. Maestrini, C. Tripon-Canseliet, J. Ward, et al. Multi-Anode Frequency Triplers at Sub-MillimeterWavelengths[C]. 16th International Symposium on Space TerahertzTechnology,2005）。输入信号由TEM（横电磁波）模式馈入到两只肖特基二极管，输入信号在两只同向串联的肖特基二极管上的电压呈等幅反向分布；而由输入电压信号在二极管中激励出的信号电流等幅反向叠加，从而实现平衡式的三倍频结构。由于直流偏置可显著提高倍频器的输出功率以及带宽性能，在单片平衡式三倍频器设计中，通常在二极管回路中加入隔直电容，隔直电路的一端与金属壁相连（接地），另一端与二极管以及偏置电路引线相连，从而实现二极管的直流偏置。
图4所示平衡式三倍频器的射频等效电路如图5所示。另一种与图4及图5等效的平衡式三倍频器如图6所示。图4、图5及图6中都省略了输入低通滤波器以及输出带通滤波器等其他外围电路。在图6中，当分析基波输入信号时，输出端的带通滤波器等效在反向二极管对的输出端射频接地；而在分析输出三次谐波时，输入端的低通滤波器等效在反向二极管对的输入端射频接地。这其实就是图6中所示的三倍频器与图4及图5等效的原因。
目前各种已报道的平衡式三倍频器的结构一般都属于上述三种结构中的一种。对于图4所示的平衡式三倍频器，如果采用单片集成电路的方法实现，则必须设计片上电容，然而片上电容的引入可能会破坏电路的平衡性，并且会引入一定的损耗。而对于图5及图6所示的平衡式三倍频器，直流偏置无法加到两只二极管上。
因此，需要一种新的紧凑型功率合成平衡式三倍频器以解决上述问题。
发明内容
本发明针对现有技术中药粒包装入瓶人工对缺粒进行监测效率低，容易发生漏检的缺陷，提供一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器。
为解决上述技术问题，本发明的紧凑型功率合成平衡式三倍频器所采用的技术方案为：
一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器，包括倍频器电路基片，所述倍频器电路基片为双面印刷电路板，所述倍频器电路基片包括正面和反面，所述正面和反面均包括偏置电路低通滤波器、输入波导/微带转换探针、输入低通滤波器、输入匹配电路、输出匹配电路和输出悬置微带/波导转换探针，所述正面还包括至少一个并联连接的第一肖特基二极管，所述反面还包括至少一个并联连接的第二肖特基二极管。
所述偏置电路低通滤波器、输入波导/微带转换探针、输入低通滤波器、输入匹配电路、第一肖特基二极管、输出匹配电路和输出悬置微带/波导转换探针依次连接。
所述偏置电路低通滤波器、输入波导/微带转换探针、输入低通滤波器、输入匹配电路、第二肖特基二极管、输出匹配电路和输出悬置微带/波导转换探针依次连接。
所述第一肖特基二极管和第二肖特基二极管的安装方向相反。
所述输出悬置微带/波导转换探针的一端设置有接地金属化孔。
所述偏置电路低通滤波器的一端设置有正面偏置电源端口和反面偏置电源端口。
更进一步的，还包括下盒体和与所述下盒体扣合的上盒体，所述倍频器电路基片设置在所述下盒体上。
更进一步的，所述下盒体和上盒体均包括输入波导腔体、输出波导腔体、悬置微带线核心倍频电路腔体和悬置微带线偏置电路腔体，所述悬置微带线核心倍频电路腔体连通所述输入波导腔体和输出波导腔体，所述悬置微带线偏置电路腔体的一端与输入波导腔体连通，所述输出悬置微带/波导转换探针设置所述输出波导腔体中。
更进一步的，还包括安装槽，所述悬置微带线核心倍频电路腔体内侧设置有所述安装槽，所述倍频器电路基片设置在所述安装槽中。
有益效果：本发明的紧凑型功率合成平衡式三倍频器通过采用巧妙的倍频结构，实现平衡式的三次倍频器。与传统的平衡式倍频器相比，不需要片上或芯片电容，保证了平衡式电路严格的对称性。与传统的平衡式三倍频器相比，肖特基二极管的数目提高了至少一倍，从而也将倍频器的功率容量（等效于输出功率）提高了至少一倍，即基片上、下两面的两个倍频电路等效进行了功率合成。本发明提出的功率合成结构与传统的空间功率合成以及波导功率合成相比，只使用一个倍频电路基片，具有结构紧凑的优点。
附图说明
图1为本发明的紧凑型功率合成平衡式三倍频器的装配结构图；
图2为本发明的紧凑型功率合成平衡式三倍频器的电路基片印刷电路图及肖特基二极管的安装方向；
图3(a)为本发明所提出的紧凑型功率合成平衡式三倍频器的内腔结构图；
图3(b)为图3(a)虚线部分的放大图；
图4、图5及图6为传统的平衡式三倍频器原理图；
图7为本发明提出的紧凑型功率合成平衡式三倍频器原理图；
图8为经过波导/悬置微带过渡后；悬置微带线的电场结构分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1-图8所示，本发明的紧凑型功率合成平衡式三倍频器，包括下盒体1、与下盒体扣合的上盒体2、安装于下盒体1中的倍频器电路基片3；倍频器电路基片3为双面印刷电路，正、反面印刷电路镜像对称。
倍频器的端口包括输入波导端口4、输出波导端口5、倍频电路基片3正面偏置电源端口7以及背面偏置电源端口8。
倍频器的内腔包括输入波导腔体20，输出波导腔体21，悬置微带线核心倍频电路腔体22以及悬置微带线偏置电路腔体23；其中悬置微带线核心倍频电路腔体22位于输入波导腔体20与输出波导腔体21之间且将输入波导腔体20与输出波导腔体21连接，悬置微带线偏置电路腔体23的一端与输入波导腔体20相连。
倍频器电路基片3的正面9并联安装有N个第一肖特基二极管17，其中，N≥1；倍频器电路基片3的反面10并联安装有N个第二肖特基二极管18，其中，N≥1；第一肖特基二极管17及第二肖特基二极管18的安装方向相反。
倍频器电路基片3的正面9或反面10由以下几个部分构成：偏置低通滤波器11、输入波导/微带转换探针12、输入低通滤波器13、输入匹配电路14、第一肖特基二极管17或第二肖特基二极管18、输出匹配电路15、输出悬置微带/波导转换探针16构成；其中，输入波导/微带转换探针12位于输入波导腔体20中，其一侧与输入低通滤波器13、输入匹配电路14、N个第一肖特基二极管17或N个第二肖特基二极管18、输出匹配电路15、输出微带/波导转换探针16依次相连，另一侧与偏置低通滤波器11、偏置电路端口7或8依次相连；输出悬置微带/波导转换探针16位于输出波导腔体21中。
本发明所述的毫米波、亚毫米波频段平衡式三倍频器的结构原理如图7所示。为使原理图更加简洁，图7中未给出输入低通滤波器、输入匹配电路、输出匹配电路、直流偏置电路以及输入、输出悬置微带探针电路。当倍频器的驱动信号由输入波导端口馈入后，经过波导/悬置微带过渡探针12后转化为悬置微带线传输模式，该模式的电场分布如图8所示。由图8可以看出，正面电路与反面电路的电场具有等幅同向的特点。该信号经过输入低通滤波器13、输入匹配电路14等幅同向馈入到正、反两面的肖特基二极管的输入端（如图7中A点），由于正、反两面的肖特基二极管为反向并联，因此正、反两面产生的谐波电流信号在二极管的输出端（如图7中B点）等幅反向叠加，从而实现偶次谐波相互抵消，只有奇次谐波输出。在分析上述输入信号时，由于输出波导腔体21在输入信号频率上呈现截至效应，通过结合输出匹配电路15，可以在二极管的输出端等效实现输入基波频率上的射频接地。同样，为了避免二极管产生的三次谐波信号反馈到二极管的输入端，输入匹配电路14以及输入低通滤波器13必须在二极管的输入端等效实现输出三次谐波频率上的射频接地。通过将输入低通滤波器13的截至频率设计在输入基波频率与输出三次谐波频率之间，调整输入匹配电路14的参数，总可以实现上述效果。
图2所示的直流偏置电路11实际主要为一个低通滤波器，该低通滤波器的截至频率应远小于输入基波频率，这样避免输入基波信号泄漏到偏置电源端口。同时，正面并联安装的N个第一肖特基二极管17由偏置端口7加电，反面并联安装的N个第二肖特基二极管18由偏置端口8加电。并且，由于正面肖特基二极管与反面肖特基二极管反向，因此正面偏置电压应该与反面偏置电压互为相反数。
倍频电路基片3最终应焊接到图3（b）所示的安装槽中。
下面以96GHz三倍频器为例对本发明技术方案进行说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：
如图1所示，倍频器沿着输入及输出波导口的E面中心分割为下盒体1、上盒体2。外部接口包括：输入波导端口4，输出波导端口5，正面偏置电源端口7和反面偏置电源端口8。倍频器电路基片3安装于下盒体1上。倍频器电路基片正面9及反面10分别安装N个第一肖特基二极管17及18，第一肖特基二极管17的P极与输出匹配电路15的正面电路相连，第一肖特基二极管17的N极与输入匹配电路14的正面相连；第二肖特基二极管18的N极与输出匹配电路15的反面电路相连，第二肖特基二极管18的P极与输入匹配电路14的反面相连。肖特基二极管采用UMS公司的DBES105a。
输入波导/悬置微带转换探针12将频率约32GHz的输入信号耦合进倍频器电路基片3中。输入低通滤波器13的截止频率设计在60GHz，允许输入信号通过，而由肖特基二极管非线性产生的三次倍频信号（即所需的输出信号，约96GHz）无法通过该滤波器反馈到输入端，从而防止有用信号泄漏到输入端以及直流偏置端。该低通滤波器属于高低阻抗线低通滤波器[见J.S. Hong and M.J. Lancaster. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. New York: J. Wiley & Sons, 2001, pp. 109-115]，在96GHz频率处的抑制度设计在30dB以上。
倍频电路基片3中，输入匹配电路14结合输入低通滤波器13使得在肖特基二极管的输入端（即图2中肖特基二极管的右侧）在96GHz频率处呈现短路状态，即提供等效射频接地（在输出频率）。
输出匹配电路15结合输出微带/波导转换探针16，利用波导的截止效应，使得在肖特基二极管的输出端（即图2中肖特基二极管的左侧）在约32GHz频率处呈现短路状态，即提供等效射频接地（在输入频率）；同时使得倍频器的负载阻抗为最佳匹配阻抗，即使得输出功率最大化。
直流偏置低通滤波器11同样为高低阻抗线低通滤波器。滤波器的截止频率设计在约15GHz，保证对32GHz的输入驱动信号的抑制度在30dB以上，防止输入驱动信号泄漏到直流偏置端口，从而可能会降低倍频器的倍频效率。而对于直流偏置信号，可以通过低通滤波器，从而直达肖特基二极管。
悬置微带线核心倍频电路腔体22的宽度选择为0.8mm，在该宽度的限制下，正、反两面肖特基二极管的个数分别都为3只（即N=3），从而该倍频器的输出功率应约为常用平衡式三倍频器（如图4、5、6所示）输出功率的三倍（在采用同样型号的二极管前提下）。
Claims (4)
1.一种紧凑型功率合成平衡式三倍频器，包括倍频器电路基片(3)，所述倍频器电路基片(3)为双面印刷电路板，所述倍频器电路基片(3)包括正面(9)和反面(10)，其特征在于，所述正面(9)和反面(10)均包括偏置电路低通滤波器(11)、输入波导/微带转换探针(12)、输入低通滤波器(13)、输入匹配电路(14)、输出匹配电路(15)和输出悬置微带/波导转换探针(16)，所述正面(9)还包括一个或并联多个的第一肖特基二极管(17)，所述反面(10)还包括一个或并联多个的第二肖特基二极管(18)，
所述偏置电路低通滤波器(11)、输入波导/微带转换探针(12)、输入低通滤波器(13)、输入匹配电路(14)、第一肖特基二极管(17)、输出匹配电路(15)和输出悬置微带/波导转换探针(16)依次连接，
所述偏置电路低通滤波器(11)、输入波导/微带转换探针(12)、输入低通滤波器(13)、输入匹配电路(14)、第二肖特基二极管(18)、输出匹配电路(15)和输出悬置微带/波导转换探针(16)依次连接，
所述第一肖特基二极管(17)和第二肖特基二极管(18)的安装方向相反，
所述输出悬置微带/波导转换探针(16)的一端设置有接地金属化孔(25)
所述偏置电路低通滤波器(11)的一端设置有正面偏置电源端口(7)和反面偏置电源端口(8)。
2.如权利要求1所述的紧凑型功率合成平衡式三倍频器，其特征在于，还包括下盒体(1)和与所述下盒体(1)扣合的上盒体(2)，所述倍频器电路基片(3)设置在所述下盒体(1)上。
3.如权利要求1所述的紧凑型功率合成平衡式三倍频器，其特征在于，所述下盒体(1)和上盒体(2)均包括输入波导腔体(20)、输出波导腔体(21)、悬置微带线核心倍频电路腔体(22)和悬置微带线偏置电路腔体(23)，所述悬置微带线核心倍频电路腔体(22)连通所述输入波导腔体(20)和输出波导腔体(21)，所述悬置微带线偏置电路腔体(23)的一端与输入波导腔体(20)连通，所述输出悬置微带/波导转换探针(16)设置所述输出波导腔体(21)中。
4.如权利要求3所述的紧凑型功率合成平衡式三倍频器，其特征在于，还包括安装槽(24)，所述悬置微带线核心倍频电路腔体(22)内侧设置有所述安装槽(24)，所述倍频器电路基片(3)设置在所述安装槽(24)中。
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