CN104362421A - 一种单基片集成的太赫兹前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单基片集成的太赫兹前端，包括介质基板、输入波导微带过渡、微带空气腔，微带空气腔就是指上述空气腔。从左到右依次是输入波导微带过渡（标准波导口WR-15）、CMRC结构微带低通滤波器、并联双倍频二极管、倍频匹配枝节、本振带通滤波器、混频匹配枝节、混频二极管、射频波导微带过渡（标准波导WR-2.2）、中频低通滤波器。减少了介质基片的个数使电路集成在一个基片上，这样还减少了腔体的加工数目，使加工装配简单，另一方面该发明减少了波导过渡的设计与加工，减小了腔体尺寸。

Description

一种单基片集成的太赫兹前端

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指一种单基片集成的太赫兹前端。

背景技术

在太赫兹技术领域混频器和倍频器作为频率变换器件具有非常重要的作用，目前固态太赫兹器件主要是采用混合集成电路和单片集成电路实现。辐射计前端或者雷达前端通常需要混频器和倍频器联合工作，但目前混频器和倍频器都是作为一个单独器件集成实现的，因此在实现太赫兹前端的时候会出现连接损耗。现有技术中连接倍频器和混频器需要两个波导到微带线的过渡结构，且需要在两个不同宽度的基片上来加工倍频器和混频器使得加工和装配比较困难。

THz波是指频率在0.1~10THz频率范围内的电磁波，该波段处于微波与红外光波之间，是人类目前尚未完全开发的一个电磁波谱区，由于太赫兹波的研究理论处在经典理论与量子跃迁理论的过渡区，其性质呈现出一些有别于其他电磁辐射的特殊性，从而在许多领域具有独特的应用。如遥感遥测、目标探测、无线高速通信、医学成像、材料科学研究及射电天文等应用领域。

自20世纪90年代中期开始，世界上许多国家在军事、航天技术、医学、大气探测等领域对太赫兹科学技术的研究提供了大量的研发资金，并在该领域取得了丰硕的研究成果。但是，目前太赫兹技术远不及微波和光学技术的成熟应用，其发展在很大程度上受制于太赫兹波源和太赫兹探测设备的限制。当今主要有三条路径开发太赫兹波源：（1）激光光学技术，如半导体激光器、气体激光器等，这类技术主要基于激光技术向太赫兹高频端发展；（2）以电真空器件、二极管、三极管技术等微波器件为代表的电子技术主导微波技术向太赫兹低频端发展；（3）超快激光技术，该类技术是从1 THz向低频和高频同时发展。目前，基于半导体技术由微波频段向太赫兹频段发展的固态倍频源占据了太赫兹波源的主要地位，该类倍频源所具有的结构紧凑、重量轻、可靠性高、低成本等优势是其他太赫兹辐射源所不具备的，所以基于半导体倍频技术的固态太赫兹源在太赫兹波段低端及辐射功率要求不是特别高的应用领域备受关注。

目前基于半导体倍频技术的固态太赫兹源主要是采用混合集成电路和单片集成电路实现。但是，应用于太赫兹频段的半导体器件的封装尺寸非常小，采用混合集成电路的方式将难以实现工作频率高于400GHz以上的倍频电路和混频电路。所以，采用单片集成电路的固态太赫兹电路将会成为主流. 

实现固态太赫兹应用系统的前提，首先需要研究高性能太赫兹接收前端系统。在现有的技术中都单独对混频器和倍频器使用混合集成或者单片集成的方式做出单独的混频器件和倍频器件然后用波导把两者连接起来。倍频器作为单独的器件将其各元件集成在一个介质基板上包括：输入波导过渡、低通滤波器、倍频二极管封装模型、输出波导过渡、匹配电路和二极管。这些元件依次相连组成倍频器。混频器在另外一个介质基板上设计包括：RF波导过渡，混频二极管封装模型、本振双工器（本振低通滤波器、中频低通滤波器、LO波导过渡）、中频输出。然后将倍频器的输出波导和混频器的本振波导相连接，使倍频器为混频器提供能量组成一个前端。在这种设计中存在两个介质基板分别承载混频电路和倍频电路。

现有的技术集成度不够高，存在两个介质基板且需要用波导经行连接过渡存在损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单基片集成的太赫兹前端，本发明将倍频电路和混频电路集成在一个介质基板上，减少了腔体和基板加工的复杂度（只加工一个腔体），减少了电路元件的数目，可减少能量在内部传播的损耗。

本发明的实现方案如下：一种单基片集成的太赫兹前端，包括设置在空气腔内的介质基板，在从左到右方向上，介质基板上设置有依次通过微带线连接的CMRC结构微带低通滤波器、并联双倍频二极管、倍频匹配枝节、本振带通滤波器、混频匹配枝节、混频二极管、中频低通滤波器，还包括输入波导微带过渡，介质基板上还设置有过渡微带线，过渡微带线通过输入微带线A与CMRC结构微带低通滤波器连接，过渡微带线所在区域的空气腔和介质基板都延伸到输入波导微带过渡内，还包括射频波导微带过渡，射频波导微带过渡为一个中空的波导结构，混频二极管与中频低通滤波器之间的微带线P穿过射频波导微带过渡，空气腔的右端具备一个输出端口，射频波导微带过渡具备一个输入端口，输入波导微带过渡也具备一个输入端口。

在上述结构中，一种基于单基片集成的单基片太赫兹前端，包括介质基板、输入波导微带过渡、微带空气腔，微带空气腔就是指上述空气腔。从左到右依次是输入波导微带过渡（标准波导口WR-15）、CMRC结构微带低通滤波器、并联双倍频二极管、倍频匹配枝节、本振带通滤波器、混频匹配枝节、混频二极管、射频波导微带过渡（标准波导WR-2.2）、中频低通滤波器。输入波导微带过渡的波导口为标准波导WR-15，输入波导微带过渡具备一个输入端口，射频波导微带过渡的波导口为标准波导WR-2.2，射频波导微带过渡也具备一个输入端口，其中标准波导口WR-15作为输入端口输入基频功率，标准波导口WR-2.2作为射频输入端口输入射频信号，混频产生的中频信号通过中频低通滤波器后输出；输入波导微带过渡、CMRC低通滤波器、倍频二极管构成三倍频器，进入输入波导微带过渡内的基频信号由输入波导微带过渡输入后通过低通滤波器进入混频二极管进行倍频，产生的三次倍频本振信号通过本振带通滤波器输出进入混频器中参与混频，其中CMRC结构微带低通滤波器可以使基波通过进入倍频二极管参与倍频而使从倍频二极管传输过来的二次谐波和三次谐波反射回去使其再次进入二极管，增大了倍频器的输出效率。微带本振带通滤波器作为连接倍频器和混频器的中间结构具有可以通本振信号（三次谐波）阻高频和低频的效果，从倍频器传输过来的基波和二次谐波会被带通滤波器反射回去继续参与倍频而本振信号可以以极小的损耗通过进入混频器，且从混频器传过来的中频信号和射频信号也无法通过而被反射回去。本振带通滤波器与倍频二极管之间用微带枝节匹配器进行匹配。混频二极管、射频双工、中频低通滤波器构成太赫兹谐波混频器：射频信号由标准波导WR-2.2输入通过射频双工进入混频二极管与来自倍频器的本振信号进行谐波混频产生的中频信号经由射频双工器和中频低通滤波器输出；其中射频双工器可使射频信号由波导进入微带线并和中频低通滤波器联合起来使射频信号进入混频二极管电路，中频低通滤波器可以通过混频产生的低频信号通过，反射本振及射频信号提高混频器的混频效率。

上述倍频结构和混频结构集成到一个介质基板上，减少了腔体和基板加工的复杂度（只加工一个腔体），减少了电路元件的数目，可减少能量在内部传播的损耗。单基片集成太赫兹前端具备减少能量在内部传播损耗的特点，性能比传统结构的多基片集成太赫兹结构优越。

输入波导微带过渡部分的具体结构为：所述输入波导微带过渡包括大矩形空气腔、缩径空气腔、小矩形空气腔、短路面，缩径空气腔连接在大矩形空气腔与小矩形空气腔之间，缩径空气腔的宽度逐渐变小，缩径空气腔的最大宽度与大矩形空气腔的宽度一致，缩径空气腔的最小宽度与小矩形空气腔的宽度一致，短路面连接在小矩形空气腔远离缩径空气腔的一端，且短路面为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，空气腔的左端插入到小矩形空气腔内部，过渡微带线和过渡微带线所在区域的空气腔和过渡微带线所在区域的介质基板都延伸到小矩形空气腔内。

射频信号由标准波导WR-15馈入，经由大矩形空气腔、缩径空气腔、小矩形空气腔传输到过渡微带线上，从而通过CMRC结构微带低通滤波器并进入倒贴结构的并联双倍频二极管对进行倍频。微带线屏蔽腔尺寸经过优化，避免了高次模和传输零点的出现。标准波导WR-15减高可以调节匹配、增加过渡带宽和提高过渡性能。

射频波导微带过渡部分的具体结构为：射频波导微带过渡包括大矩形空气腔、缩径空气腔、小矩形空气腔、短路面，缩径空气腔连接在大矩形空气腔与小矩形空气腔之间，缩径空气腔的宽度逐渐变小，缩径空气腔的最大宽度与大矩形空气腔的宽度一致，缩径空气腔的最小宽度与小矩形空气腔的宽度一致，短路面连接在小矩形空气腔远离缩径空气腔的一端，且短路面为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，混频二极管与中频低通滤波器之间的微带线P穿过小矩形空气腔。所述射频波导微带过渡的结构形状与输入波导微带过渡的结构形状一致。

 

CMRC结构微带低通滤波器部分的具体结构为：CMRC结构微带低通滤波器包括连接在输入微带线A和输出微带线A之间的高阻微带线A，高阻微带线A两侧共有4个“山”形微带线A，有2个“山”形微带线A以高阻微带线A为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线A也以高阻微带线A为对称线成对称排布，高阻微带线A和4个“山”形微带线A都装配在介质基板上，“山”形微带线A包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线A连接，输出微带线A与并联双倍频二极管连接。

CMRC结构微带低通滤波器的采用了一种紧凑微带谐振单元结构，紧凑微带谐振单元是一种通过微带光刻腐蚀技术在标准50欧姆微带传输线中形成的特定图形的特殊微带电路结构，特定图形是指上述4个“山”形微带线A和高阻微带线A和输入微带线A和输出微带线A。由于在正常的50欧姆微带线上蚀刻掉了一部分金属，形成的上下相连的细窄的微带线将增加其等效的串联电感。相反，蚀刻出的两条缝隙则增加了其等效并联电容。上述结构可等效为RLC谐振电路，呈现带阻特性。通过调节紧凑微带谐振单元结构的长度及腐蚀图形的结构，可获得不同频段下的带阻效应。CMRC结构微带低通滤波器可以通基波信号而阻止二次和三次谐波信号以及更高的射频信号通过并使其反射回去再次进入倍频二极管或者混频二极管，这样提高了端口的隔离度和变频的效率。并且CMRC结构微带低通滤波器和输入波导微带过渡一起构成频率输入元件实现基波信号的低损耗进入。

并联双倍频二极管部分的具体结构为：并联双倍频二极管包括空气腔P和位于空气腔P内的砷化镓衬底A、安装在砷化镓衬底A上的半导体基板，还包括安装在半导体基板上的金属衬垫A、二极管管芯B、金属衬垫C、二极管管芯A、金属衬垫B，二极管管芯B连接在金属衬垫C的端面，二极管管芯A连接在金属衬垫B的端面，二极管管芯B位于金属衬垫C与金属衬垫A之间，二极管管芯A位于金属衬垫C与金属衬垫B之间，金属衬垫C与安装在介质基板上的连接微带线靠近，连接微带线位于金属衬垫C的正上方，连接微带线的一端与CMRC结构微带低通滤波器连接，连接微带线的另一端与倍频匹配枝节连接。具体的，连接微带线的一端与输出微带线A连接，连接微带线的另一端与倍频匹配枝节连接。

并联双倍频二极管包含两个管芯（二极管管芯A和二极管管芯B）通过倒贴的方式并联连接在微带线上，其倒贴的方式可以在上述结构中可以看出。本设计倍频器基于阻性肖特基二极管，从输入输出看，二极管均为反向并联结构，构成平衡结构，输出端无偶次谐波，只有奇次分量。无需外加直流偏置电压源，方便调谐，简化了系统。

本振带通滤波器部分的具体结构为：本振带通滤波器包括对称的2个微带T型开路枝节，微带T型开路枝节包括一字形微带线，在一字形微带线的中部凸出生长有一个微带凸起，微带凸起与一字形微带线构成一个T形结构的微带T型开路枝节，在两个一字形微带线之间设置有2个微带插入枝节，一个微带插入枝节与倍频匹配枝节连接，另一个微带插入枝节与混频匹配枝节连接，微带插入枝节与一字形微带线之间存在缝隙。

本振带通滤波器采用双T型微带结构和交趾结构实现，在本振带通滤波器中，上下有两个对称的微带T型开路枝节，微带T型开路枝节和微带传输线（微带插入枝节）又构成交趾形状，它们之间的缝隙形成交趾缝隙和传输线空隙，会引入耦合并等效成感抗元件。微带T型开路枝节的宽度和长度可以控制谐振频率使滤波器在合适的频率下工作。通过调节交趾缝隙的大小和微带线（微带插入枝节）尺寸可调节滤波器的通带范围和衰减范围，达到对本振的传输和对基波和二次谐波的阻断作用。

混频二极管部分的具体结构为：混频二极管包括砷化镓基板，砷化镓基板上设置有2个肖特基结，肖特基结包括依次层叠的砷化镓衬垫B、N型掺杂砷化镓层、二氧化硅层，砷化镓衬垫B放置在砷化镓基板上，N型掺杂砷化镓层上还放置有金属阳极板，第一个肖特基结的金属阳极板通过金属阳极空气桥与第二个肖特基结的二氧化硅层桥接，第二个肖特基结的金属阳极板通过金属阳极空气桥与第一个肖特基结的二氧化硅层桥接，还包括输入微带线B和输出微带线B，第一个肖特基结的金属阳极板远离砷化镓基板的一面放置到输入微带线B上，第二个肖特基结的金属阳极板远离砷化镓基板的一面放置到输出微带线B上，输入微带线B与混频匹配枝节连接，输出微带线B与微带线P连接。

由于太赫兹频段波长很小，混频二极管的封装尺寸会对其性能造成很大的影响，因此建立平面肖特基混频管3D电磁模型是非常有必要的，根据常用的太赫兹混频二极管技术建立的三维二极管封装模型。目前在太赫兹频段的分谐波混频器的这种反向并联二极管对的封装形式已成为主流。先进的半导体制造工艺将两个肖特基结集成在一个封装内，并构成反向并联的形式，最大程度地保证了两管的对称性，减小了封装寄生参数。

中频低通滤波器部分的具体结构为：中频低通滤波器包括与微带线P连接的微带T型输入枝节，微带T型输入枝节依次连接有高阻微带线B、微带T型输出枝节，高阻微带线B两侧共有4个“山”形微带线B，有2个“山”形微带线B以高阻微带线B为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线B也以高阻微带线B为对称线成对称排布，高阻微带线B和4个“山”形微带线B都装配在介质基板上，“山”形微带线B包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线B连接。

射频双工器包括射频波导微带过渡和中频低通滤波器，其中中频低通滤波器也采用CMRC结构来实现并经行了进一步的改进使得其在高频处的抑制范围更广。射频双工器由射频波导微带过渡、微带线P和中频低通滤波器构成，射频信号由标准波导WR-2.2输入经由端口A进入混频二极管和本振信号混频产生的中频信号经由端口A进入端口C输出设备。在该结构中，中频低通滤波器作为对高频信号的抑制器件将射频信号和本振信号从端口C中反射回去使其不能由C端口输出。而本振信号由于波导对低频信号的抑制作用而不能从B端口处输出。

本发明的优点有。

1、相比现有技术本发明结构更加简单。一方面该发明减少了介质基片的个数使电路集成在一个基片上，这样还减少了腔体的加工数目，使加工装配简单，另一方面该发明减少了波导过渡的设计与加工，减小了腔体尺寸。

2、相比现有技术本发明需要的基波功率更低，由于减少了太赫兹前端设计的波导过渡结构使得内部损耗更小特别是使倍频得到的本振功率直接输入到混频二极管上，使损耗变小，因此在倍频效率不变的情况下所需基波功率更小。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为输入波导微带过渡的结构示意图。

图3为CMRC结构微带低通滤波器的示意图。

图4为本振带通滤波器的示意图。

图5为射频波导微带过渡和中频低通滤波器的示意图。

图6为并联双倍频二极管与介质基板连接示意图。

图7为并联双倍频二极管脱离介质基板的示意图。

图8为混频二极管的层叠示意图。

图9为2个混频二极管连接的示意图。

图10为混频二极管与介质基板连接示意图。

图11为CMRC结构微带低通滤波器的仿真结果图。

图12为输入波导微带过渡的仿真结果图。

图13为本振带通滤波器的仿真结果图。

图14为射频双工器射频频段的仿真结果图。

图15为射频双工器本振频段的仿真结果图。

图中的标号分别表示为：1、输入波导微带过渡；2、CMRC结构微带低通滤波器；3、并联双倍频二极管；4、倍频匹配枝节；5、本振带通滤波器；6、混频匹配枝节；7、混频二极管；8、射频波导微带过渡；9、中频低通滤波器；10、介质基板；11、空气腔；12、大矩形空气腔；13、缩径空气腔；14、小矩形空气腔；15、短路面；21、“山”形微带线A；22、输入微带线A；23、输出微带线A；24、高阻微带线A；31、连接微带线；32、砷化镓衬底A；33、金属衬垫A；34、金属衬垫B；35、半导体基板；36、空气腔P；37、二极管管芯A；38、金属衬垫C；39、二极管管芯B；52、微带插入枝节；53、微带T型开路枝节；71、砷化镓基板；72、砷化镓衬垫B；73、N型掺杂砷化镓层；74、二氧化硅层；75、金属阳极板；76、金属阳极空气桥；77、输入微带线B；78、输出微带线B；91、“山”形微带线B；92、高阻微带线B；93、微带T型输出枝节；94、微带T型输入枝节。

具体实施方式

实施例一

如图1至图10所示。

一种单基片集成的太赫兹前端，包括设置在空气腔11内的介质基板10，在从左到右方向上（如图，沿X轴方向），介质基板10上设置有依次通过微带线连接的CMRC结构微带低通滤波器2、并联双倍频二极管3、倍频匹配枝节4、本振带通滤波器5、混频匹配枝节6、混频二极管7、中频低通滤波器9，还包括输入波导微带过渡1，介质基板10上还设置有过渡微带线，过渡微带线通过输入微带线A22与CMRC结构微带低通滤波器2连接，过渡微带线所在区域的空气腔11和介质基板10都延伸到输入波导微带过渡1内，还包括射频波导微带过渡8，射频波导微带过渡8为一个中空的波导结构，混频二极管7与中频低通滤波器9之间的微带线P穿过射频波导微带过渡8，空气腔11的右端具备一个输出端口，射频波导微带过渡8具备一个输入端口，输入波导微带过渡1也具备一个输入端口。

在上述结构中，一种基于单基片集成的单基片太赫兹前端，包括介质基板、输入波导微带过渡、微带空气腔，微带空气腔就是指上述空气腔。从左到右依次是输入波导微带过渡（标准波导口WR-15）、CMRC结构微带低通滤波器、并联双倍频二极管、倍频匹配枝节、本振带通滤波器、混频匹配枝节、混频二极管、射频波导微带过渡（标准波导WR-2.2）、中频低通滤波器。输入波导微带过渡的波导口为标准波导WR-15，输入波导微带过渡具备一个输入端口，射频波导微带过渡的波导口为标准波导WR-2.2，射频波导微带过渡也具备一个输入端口，其中标准波导口WR-15作为输入端口输入基频功率，标准波导口WR-2.2作为射频输入端口输入射频信号，混频产生的中频信号通过中频低通滤波器后输出；输入波导微带过渡、CMRC低通滤波器、倍频二极管构成三倍频器，进入输入波导微带过渡内的基频信号由输入波导微带过渡输入后通过低通滤波器进入混频二极管进行倍频，产生的三次倍频本振信号通过本振带通滤波器输出进入混频器中参与混频，其中CMRC结构微带低通滤波器可以使基波通过进入倍频二极管参与倍频而使从倍频二极管传输过来的二次谐波和三次谐波反射回去使其再次进入二极管，增大了倍频器的输出效率。微带本振带通滤波器作为连接倍频器和混频器的中间结构具有可以通本振信号（三次谐波）阻高频和低频的效果，从倍频器传输过来的基波和二次谐波会被带通滤波器反射回去继续参与倍频而本振信号可以以极小的损耗通过进入混频器，且从混频器传过来的中频信号和射频信号也无法通过而被反射回去。本振带通滤波器与倍频二极管之间用微带枝节匹配器进行匹配。混频二极管、射频双工、中频低通滤波器构成太赫兹谐波混频器：射频信号由标准波导WR-2.2输入通过射频双工进入混频二极管与来自倍频器的本振信号进行谐波混频产生的中频信号经由射频双工器和中频低通滤波器输出；其中射频双工器可使射频信号由波导进入微带线并和中频低通滤波器联合起来使射频信号进入混频二极管电路，中频低通滤波器可以通过混频产生的低频信号通过，反射本振及射频信号提高混频器的混频效率。

上述倍频结构和混频结构集成到一个介质基板上，减少了腔体和基板加工的复杂度只加工一个腔体，减少了电路元件的数目，可减少能量在内部传播的损耗。通过检测，制备出来的单基片集成太赫兹前端具备减少能量在内部传播损耗的特点，性能比传统结构的多基片集成太赫兹结构优越。

输入波导微带过渡部分的具体结构为：所述输入波导微带过渡1包括大矩形空气腔12、缩径空气腔13、小矩形空气腔14、短路面15，缩径空气腔13连接在大矩形空气腔12与小矩形空气腔14之间，缩径空气腔13的宽度逐渐变小，缩径空气腔13的最大宽度与大矩形空气腔12的宽度一致，缩径空气腔13的最小宽度与小矩形空气腔14的宽度一致，短路面15连接在小矩形空气腔14远离缩径空气腔13的一端，且短路面15为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，空气腔11的左端插入到小矩形空气腔14内部，过渡微带线和过渡微带线所在区域的空气腔11和过渡微带线所在区域的介质基板10都延伸到小矩形空气腔14内。

如图12，可以得到以下参数：

图12为输入波导微带过渡的仿真结果。有图12可知本振输入端口的回波损耗即S11在本振频段（50GHz-75GHz）小于-20dB，1端口到2端口的传输损耗S21（带内插损）大于-0.2dB。可以看出该波导到微带过过渡良好的实现了本振频段的输入，且输入损耗很小。

射频信号由标准波导WR-15馈入，经由大矩形空气腔12、缩径空气腔13、小矩形空气腔14传输到过渡微带线上，从而通过CMRC结构微带低通滤波器并进入倒贴结构的并联双倍频二极管3对进行倍频。微带线屏蔽腔尺寸经过优化，避免了高次模和传输零点的出现。标准波导WR-15减高可以调节匹配、增加过渡带宽和提高过渡性能。

射频波导微带过渡8部分的具体结构为：射频波导微带过渡8包括大矩形空气腔12、缩径空气腔13、小矩形空气腔14、短路面15，缩径空气腔13连接在大矩形空气腔12与小矩形空气腔14之间，缩径空气腔13的宽度逐渐变小，缩径空气腔13的最大宽度与大矩形空气腔12的宽度一致，缩径空气腔13的最小宽度与小矩形空气腔14的宽度一致，短路面15连接在小矩形空气腔14远离缩径空气腔13的一端，且短路面15为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，混频二极管7与中频低通滤波器9之间的微带线P穿过小矩形空气腔14。所述射频波导微带过渡8的结构形状与输入波导微带过渡1的结构形状一致。

CMRC结构微带低通滤波器2部分的具体结构为：CMRC结构微带低通滤波器2包括连接在输入微带线A22和输出微带线A23之间的高阻微带线A24，高阻微带线A24两侧共有4个“山”形微带线A，有2个“山”形微带线A以高阻微带线A24为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线A也以高阻微带线A24为对称线成对称排布，高阻微带线A24和4个“山”形微带线A都装配在介质基板10上，“山”形微带线A包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线A24连接，输出微带线A23与并联双倍频二极管3连接。

CMRC结构微带低通滤波器的采用了一种紧凑微带谐振单元结构，紧凑微带谐振单元是一种通过微带光刻腐蚀技术在标准50欧姆微带传输线中形成的特定图形的特殊微带电路结构，特定图形是指上述4个“山”形微带线A和高阻微带线A24和输入微带线A22和输出微带线A23。由于在正常的50欧姆微带线上蚀刻掉了一部分金属，形成的上下相连的细窄的微带线将增加其等效的串联电感。相反，蚀刻出的两条缝隙则增加了其等效并联电容。上述结构可等效为RLC谐振电路，呈现带阻特性。通过调节紧凑微带谐振单元结构的长度及腐蚀图形的结构，可获得不同频段下的带阻效应。CMRC结构微带低通滤波器可以通基波信号而阻止二次和三次谐波信号以及更高的射频信号通过并使其反射回去再次进入倍频二极管或者混频二极管，这样提高了端口的隔离度和变频的效率。并且CMRC结构微带低通滤波器和输入波导微带过渡1一起构成频率输入元件实现基波信号的低损耗进入。

参见图11，可以看出其参数特性为：

图11为CMRC微带低通滤波器仿真结果。有仿真结果图11知该低通滤波器的通带为0-90GHz，在该频段内滤波器的端口回拨损耗在（S11）-20dB以下，带内插损小于-0.2dB，可是本振频段的信号以较小的损耗通过。在带外130GHz附近其带外抑制已达到-20dB，可良好的实现对二次谐波和三次谐波的阻碍和反射作用。因此该滤波器实现了所需要的功能。

并联双倍频二极管3部分的具体结构为：并联双倍频二极管3包括空气腔P36和位于空气腔P内的砷化镓衬底A32、安装在砷化镓衬底A上的半导体基板35，还包括安装在半导体基板35上的金属衬垫A33、二极管管芯B39、金属衬垫C38、二极管管芯A37、金属衬垫B34，二极管管芯B39连接在金属衬垫C38的端面，二极管管芯A37连接在金属衬垫B34的端面，二极管管芯B39位于金属衬垫C38与金属衬垫A33之间，二极管管芯A37位于金属衬垫C38与金属衬垫B34之间，金属衬垫C38与安装在介质基板10上的连接微带线31靠近，连接微带线31位于金属衬垫C38的正上方，连接微带线31的一端与CMRC结构微带低通滤波器2连接，连接微带线31的另一端与倍频匹配枝节4连接。具体的，连接微带线31的一端与输出微带线A23连接，连接微带线31的另一端与倍频匹配枝节4连接。

并联双倍频二极管3包含两个管芯二极管管芯A37和二极管管芯B39通过倒贴的方式并联连接在微带线上，其倒贴的方式可以在上述结构中可以看出。本设计倍频器基于阻性肖特基二极管，从输入输出看，二极管均为反向并联结构，构成平衡结构，输出端无偶次谐波，只有奇次分量。无需外加直流偏置电压源，方便调谐，简化了系统。

本振带通滤波器5部分的具体结构为：本振带通滤波器5包括对称的2个微带T型开路枝节53，微带T型开路枝节53包括一字形微带线，在一字形微带线的中部凸出生长有一个微带凸起，微带凸起与一字形微带线构成一个T形结构的微带T型开路枝节53，在两个一字形微带线之间设置有2个微带插入枝节52，一个微带插入枝节52与倍频匹配枝节4连接，另一个微带插入枝节52与混频匹配枝节6连接，微带插入枝节52与一字形微带线之间存在缝隙。

本振带通滤波器5采用双T型微带结构和交趾结构实现，在本振带通滤波器中，上下有两个对称的微带T型开路枝节，微带T型开路枝节和微带传输线微带插入枝节又构成交趾形状，它们之间的缝隙形成交趾缝隙和传输线空隙，会引入耦合并等效成感抗元件。微带T型开路枝节的宽度和长度可以控制谐振频率使滤波器在合适的频率下工作。通过调节交趾缝隙的大小和微带线微带插入枝节尺寸可调节滤波器的通带范围和衰减范围，达到对本振的传输和对基波和二次谐波的阻断作用。

参见图13，可以获得参数为：

图13为本振带通滤波器仿真S曲线图。由图可以看出该带通滤波器的通带范围是175GHz-210GHz，在通带范围内带内插损（S21）小于0.3dB，通带平缓。在带外的低频端150GHz 是S11（回波损耗）小于-10dB，可良好实现对二次谐波的阻碍和反射作用。在高频段其抑制亦可满足需求。

混频二极管7部分的具体结构为：混频二极管7包括砷化镓基板71，砷化镓基板71上设置有2个肖特基结，肖特基结包括依次层叠的砷化镓衬垫B72、N型掺杂砷化镓层73、二氧化硅层24，砷化镓衬垫B72放置在砷化镓基板71上，N型掺杂砷化镓层73上还放置有金属阳极板75，第一个肖特基结的金属阳极板75通过金属阳极空气桥76与第二个肖特基结的二氧化硅层24桥接，第二个肖特基结的金属阳极板75通过金属阳极空气桥76与第一个肖特基结的二氧化硅层24桥接，还包括输入微带线B77和输出微带线B78，第一个肖特基结的金属阳极板75远离砷化镓基板71的一面放置到输入微带线B77上，第二个肖特基结的金属阳极板75远离砷化镓基板71的一面放置到输出微带线B78上，输入微带线B77与混频匹配枝节6连接，输出微带线B78与微带线P连接。

由于太赫兹频段波长很小，混频二极管的封装尺寸会对其性能造成很大的影响，因此建立平面肖特基混频管3D电磁模型是非常有必要的，根据常用的太赫兹混频二极管技术建立的三维二极管封装模型。目前在太赫兹频段的分谐波混频器的这种反向并联二极管对的封装形式已成为主流。先进的半导体制造工艺将两个肖特基结集成在一个封装内，并构成反向并联的形式，最大程度地保证了两管的对称性，减小了封装寄生参数。

中频低通滤波器部分的具体结构为：中频低通滤波器包括与微带线P连接的微带T型输入枝节94，微带T型输入枝节94依次连接有高阻微带线B92、微带T型输出枝节93，高阻微带线B92两侧共有4个“山”形微带线B91，有2个“山”形微带线B91以高阻微带线B92为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线B91也以高阻微带线B92为对称线成对称排布，高阻微带线B92和4个“山”形微带线B91都装配在介质基板10上，“山”形微带线B91包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线B92连接。

射频双工器包括射频波导微带过渡8和中频低通滤波器9，其中中频低通滤波器也采用CMRC结构来实现并经行了进一步的改进使得其在高频处的抑制范围更广。射频双工器由射频波导微带过渡8、微带线P和中频低通滤波器构成，射频信号由标准波导WR-2.2输入经由端口A进入混频二极管和本振信号混频产生的中频信号经由端口A进入端口C输出设备。在该结构中，中频低通滤波器作为对高频信号的抑制器件将射频信号和本振信号从端口C中反射回去使其不能由C端口输出。而本振信号由于波导对低频信号的抑制作用而不能从B端口处输出。

如图5，端口A为端口2，端口B为端口1，端口C为端口3，仿真结果参见图14和图15，图14为射频双工器射频频段的仿真结果图。图15为射频双工器本振频段的仿真结果图。可以看出，参数描述：

有上述两图可以看出，在射频频段（350GHz-420GHz）S11（1端口的回波损耗）小于-15dB，特别是在380GHz处为-33dB，这证明射频信号可良好的进入端口。在图14中S21（端口1到端口2的传输损耗）大于-0.3dB，说明射频信号可在较小损耗的下传输到2端口。S31（1端口到3端口的传输损耗）小于在350GHz-420GHz处小于-30dB ,说明射频信号几乎没有向3端口传输。在图15中在本振频段S22（2端口回波损耗）几乎为0，S12和S32都小于-30dB，说明在本振信号不能由射频双工进入3端口和2端口，只能反射回二极管电路。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (8)

1.一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：包括设置在空气腔（11）内的介质基板（10），在从左到右方向上，介质基板（10）上设置有依次通过微带线连接的CMRC结构微带低通滤波器（2）、并联双倍频二极管（3）、倍频匹配枝节（4）、本振带通滤波器（5）、混频匹配枝节（6）、混频二极管（7）、中频低通滤波器（9），还包括输入波导微带过渡（1），介质基板（10）上还设置有过渡微带线，过渡微带线通过输入微带线A（22）与CMRC结构微带低通滤波器（2）连接，过渡微带线所在区域的空气腔（11）和介质基板（10）都延伸到输入波导微带过渡（1）内，还包括射频波导微带过渡（8），射频波导微带过渡（8）为一个中空的波导结构，混频二极管（7）与中频低通滤波器（9）之间的微带线P穿过射频波导微带过渡（8），空气腔（11）的右端具备一个输出端口，射频波导微带过渡（8）具备一个输入端口，输入波导微带过渡（1）也具备一个输入端口。

2.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：所述输入波导微带过渡（1）包括大矩形空气腔（12）、缩径空气腔（13）、小矩形空气腔（14）、短路面（15），缩径空气腔（13）连接在大矩形空气腔（12）与小矩形空气腔（14）之间，缩径空气腔（13）的宽度逐渐变小，缩径空气腔（13）的最大宽度与大矩形空气腔（12）的宽度一致，缩径空气腔（13）的最小宽度与小矩形空气腔（14）的宽度一致，短路面（15）连接在小矩形空气腔（14）远离缩径空气腔（13）的一端，且短路面（15）为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，空气腔（11）的左端插入到小矩形空气腔（14）内部，过渡微带线和过渡微带线所在区域的空气腔（11）和过渡微带线所在区域的介质基板（10）都延伸到小矩形空气腔（14）内。

3.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：射频波导微带过渡（8）包括大矩形空气腔（12）、缩径空气腔（13）、小矩形空气腔（14）、短路面（15），缩径空气腔（13）连接在大矩形空气腔（12）与小矩形空气腔（14）之间，缩径空气腔（13）的宽度逐渐变小，缩径空气腔（13）的最大宽度与大矩形空气腔（12）的宽度一致，缩径空气腔（13）的最小宽度与小矩形空气腔（14）的宽度一致，短路面（15）连接在小矩形空气腔（14）远离缩径空气腔（13）的一端，且短路面（15）为一个开口指向小矩形空气腔的凹槽体，混频二极管（7）与中频低通滤波器（9）之间的微带线P穿过小矩形空气腔（14）。

4.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：CMRC结构微带低通滤波器（2）包括连接在输入微带线A（22）和输出微带线A（23）之间的高阻微带线A（24），高阻微带线A（24）两侧共有4个“山”形微带线A，有2个“山”形微带线A以高阻微带线A（24）为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线A也以高阻微带线A（24）为对称线成对称排布，高阻微带线A（24）和4个“山”形微带线A都装配在介质基板（10）上，“山”形微带线A包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线A（24）连接，输出微带线A（23）与并联双倍频二极管（3）连接。

5.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：并联双倍频二极管（3）包括空气腔P（36）和位于空气腔P内的砷化镓衬底A（32）、安装在砷化镓衬底A上的半导体基板（35），还包括安装在半导体基板（35）上的金属衬垫A（33）、二极管管芯B（39）、金属衬垫C（38）、二极管管芯A（37）、金属衬垫B（34），二极管管芯B（39）连接在金属衬垫C（38）的端面，二极管管芯A（37）连接在金属衬垫B（34）的端面，二极管管芯B（39）位于金属衬垫C（38）与金属衬垫A（33）之间，二极管管芯A（37）位于金属衬垫C（38）与金属衬垫B（34）之间，金属衬垫C（38）与安装在介质基板（10）上的连接微带线（31）靠近，连接微带线（31）位于金属衬垫C（38）的正上方，连接微带线（31）的一端与CMRC结构微带低通滤波器（2）连接，连接微带线（31）的另一端与倍频匹配枝节（4）连接。

6.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：本振带通滤波器（5）包括对称的2个微带T型开路枝节（53），微带T型开路枝节（53）包括一字形微带线，在一字形微带线的中部凸出生长有一个微带凸起，微带凸起与一字形微带线构成一个T形结构的微带T型开路枝节（53），在两个一字形微带线之间设置有2个微带插入枝节（52），一个微带插入枝节（52）与倍频匹配枝节（4）连接，另一个微带插入枝节（52）与混频匹配枝节（6）连接，微带插入枝节（52）与一字形微带线之间存在缝隙。

7.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：混频二极管（7）包括砷化镓基板（71），砷化镓基板（71）上设置有2个肖特基结，肖特基结包括依次层叠的砷化镓衬垫B（72）、N型掺杂砷化镓层（73）、二氧化硅层（24），砷化镓衬垫B（72）放置在砷化镓基板（71）上，N型掺杂砷化镓层（73）上还放置有金属阳极板（75），第一个肖特基结的金属阳极板（75）通过金属阳极空气桥（76）与第二个肖特基结的二氧化硅层（24）桥接，第二个肖特基结的金属阳极板（75）通过金属阳极空气桥（76）与第一个肖特基结的二氧化硅层（24）桥接，还包括输入微带线B（77）和输出微带线B（78），第一个肖特基结的金属阳极板（75）远离砷化镓基板（71）的一面放置到输入微带线B（77）上，第二个肖特基结的金属阳极板（75）远离砷化镓基板（71）的一面放置到输出微带线B（78）上，输入微带线B（77）与混频匹配枝节（6）连接，输出微带线B（78）与微带线P连接。

8.根据权利要求1所述的一种单基片集成的太赫兹前端，其特征在于：中频低通滤波器包括与微带线P连接的微带T型输入枝节（94），微带T型输入枝节（94）依次连接有高阻微带线B（92）、微带T型输出枝节（93），高阻微带线B（92）两侧共有4个“山”形微带线B（91），有2个“山”形微带线B（91）以高阻微带线B（92）为对称线成对称排布，剩余的2个“山”形微带线B（91）也以高阻微带线B（92）为对称线成对称排布，高阻微带线B（92）和4个“山”形微带线B（91）都装配在介质基板（10）上，“山”形微带线B（91）包括凹槽型微带线和凸出微带线，凸出微带线连接在凹槽型微带线的内凹面内，凸出微带线还与高阻微带线B（92）连接。