CN104377418B - 基于集成技术的太赫兹多功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于集成技术的太赫兹多功能器件包括太赫兹二倍频器、太赫兹谐波混频器。其结构从左到右依次为：输入基波波导微带过渡、微带线短路面、四管芯倍频二极管、本振匹配电路、混频二极管、射频匹配电路、输入射频波导微带过渡、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

基于集成技术的太赫兹多功能器件

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指基于集成技术的太赫兹多功能器件。

背景技术

太赫兹器件是太赫兹技术中的重要组成部分，是传播太赫兹波实现太赫兹系统的载体，特别是太赫兹频率转换器件更是发展太赫兹技术的重中之重。由于在太赫兹频段，稳定本振源的设计和研究很困难，因此利用频率转换电路将低频功率源应用到太赫兹频段具有很大的实际意义。目前所研究的太赫兹电路器件多为单一器件，仅能实现倍频或混频单一功能，并在单一器件的基础上进行级联或并联来实现太赫兹系统电路。设计中每个单独器件需要一个基片和腔体来承载电路，因此在整体电路中需要多个基片和腔体，且需要连接波导。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的内部传输损耗。

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。

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、二极管匹配电路。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。

单独设计和加工每一个太赫兹器件，设计加工复杂度比较大，需要多个介质基板和腔体，成本高且存在不必要的内部传输损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供基于集成技术的太赫兹多功能器件，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：基于集成技术的太赫兹多功能器件，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微带线短路面、四管芯倍频二极管、本振匹配电路、混频二极管、射频匹配电路、中频低通滤波器；还包括输入基波波导微带过渡，微带线短路面所在区域的空气腔和微带线短路面所在区域的介质基板都延伸到输入基波波导微带过渡内，还包括输入射频波导微带过渡，输入射频波导微带过渡和输入基波波导微带过渡都为一个中空的波导结构，射频匹配电路与中频低通滤波器之间的微带线P穿过输入射频波导微带过渡，空气腔的右端具备一个输出端口，输入射频波导微带过渡具备一个输入端口，输入基波波导微带过渡也具备一个输入端口。

本发明的技术方案是：基于集成技术的太赫兹多功能器件包括太赫兹二倍频器、太赫兹谐波混频器。其结构从左到右依次为：输入基波波导微带过渡、微带线短路面、四管芯倍频二极管、本振匹配电路、混频二极管、射频匹配电路、输入射频波导微带过渡、中频低通滤波器；其中输入基波波导微带过渡的输入端口为标准波导WR-8，标准波导WR-8作为输入端口，输入基波功率经输入基波波导微带过渡进入四管芯倍频二极管，射频信号由输入射频波导微带过渡的输入端口进入，输入射频波导微带过渡的输入端口为标准波导WR-2.2，经输入射频波导微带过渡进入混频二极管参与混频，产生的中频信号由中频低通滤波器输出；其中输入基波波导微带过渡、四管芯倍频二极管、本振匹配电路构成二次倍频器：基波信号由输入基波波导微带过渡输入，直接进入四管芯倍频二极管并平均分配在四个管芯上，四个管芯对输入端口来说为反相串联、对输出来说是同向并联，因此，可以组成平衡式二倍频电路，只有偶次谐波分量，奇次谐波分量相互抵消；混频二极管、射频匹配电路、输入射频波导微带过渡、中频低通滤波器构成太赫兹谐波混频器：射频信号由输入射频波导微带过渡输入，经由射频匹配电路进入混频二极管与来自二次倍频器的本振信号进行混频，产生的中频信号经由输入射频波导微带过渡和中频低通滤波器输出器件；其中输入基波波导微带过渡采用波导减高的形式可以使匹配更加良好；其中微带线短路面作为本振短路截面可以使本振信号全反射使其向另一端传输。在二极管对向输入端有一个三角形结构的金属导带，即微带线短路面，这对于调节本振信号的短路面的距离很有帮助，可以减小微带线短路面的长度和增加带宽；其中匹配电路包括本振匹配电路和射频匹配电路，都采用多枝节匹配器；其中输入基波波导微带过渡的输入匹配电路主要是利用波导减高和输入基波波导微带过渡的短路面的调节来实现。耦合到二极管对（四管芯倍频二极管）的基波，经过反向串联二极管对，产生的二次谐波以TEM模式经输出，经本振匹配电路进入混频二极管。在基波波导微带过渡中倍频二极管产生的奇次谐波由于二极管对的平衡结构而受到抑制，在输出端没有奇次谐波的输出；射频输入波导过渡和中频低通滤波器构成射频双工器，输入射频信号和输出中频信号。中频低通滤波器为改进型的CMRC低通滤波器，具有宽频带抑制寄生通带的特性，这样可以阻止基波信号、本振信号、射频信号由中频段输出并将其反射回去，提高倍频和混频效率；标准波导WR-2.2具有抑制低频信号的作用，因此中频信号、本振信号、基波信号不会从射频端输出；其中电路装置在一个腔体中，并在同一个石英基片上同时实现二次倍频及分谐波混频功能，并合理设计各自工作频段，使倍频器的输出可作为混频器的本振源，则可实现功能等同于四次谐波混频器的集成器件。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。

不设滤波器的说明：在输入基波波导微带过渡中输入端输入信号以TE₁₀模传入标准波导中，然后经过起阻抗匹配作用的减高波导传输后以TE₁₀模耦合到四管芯倍频二极管上并通过波导短路截面抑制基波的向前传输。由于微带线空气腔的尺寸经过调节后可以抑制TE₁₀模而传输TEM模，因此四管芯倍频二极管产的二次谐波以TEM模向前传输。这使输入基波波导微带过渡中输入电磁场模式与输出电磁场模式具有正交特性，输入端电路与输出端电路是相互隔离的。同时，微带短路面与输入波导共同形成输出频率的短路面来抑制二次谐波频率处产生的高次模传输到输入端。因此在本发明的四管芯倍频二极管前级，不需要设置滤波器。

输入基波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，空气腔的左端从短路面插入到小矩形空气腔内部，微带线短路面所在区域的空气腔和微带线短路面所在区域的介质基板都延伸到小矩形空气腔内。

四管芯倍频二极管即为肖特基变容二极管，输入基波波导微带过渡的输入波导宽边宽度为a，其频率范围由该波导TE₁₀模式截止频率确定。短路面与空气腔的交界处的开口宽度为c， c的取值对于输出匹配电路阻抗匹配影响很大。大矩形空气腔的减高部分高度为b，该值对输入匹配电路阻抗匹配影响很大。从肖特基变容二极管到TE₁₀模式截止面的距离为d，该值对输入匹配电路影响也很大。e为肖特基变容二极管到大矩形空气腔的距离，该值的选取对输入匹配电路阻抗影响也很大。以上三个参数的取值虽然对输入匹配电路影响很大，但是对输出匹配电路的影响非常小。因此我们需要将输入基波波导微带过渡与空气腔按照上述结构设置。即空气腔从短路面插入。

输入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，射频匹配电路与中频低通滤波器之间的微带线P穿过小矩形空气腔。

四管芯倍频二极管是一个特殊的结构体，四管芯倍频二极管包括5个一字排列的多层半导体块，5个多层半导体块都生长在介质基板上，多层半导体块上设置有空气桥焊盘，5个多层半导体块分别是：多层半导体块B、多层半导体块A、中间多层半导体块、多层半导体块C、多层半导体块D，中间多层半导体块上的空气桥焊盘通过其上的金属阳极空气桥分别与多层半导体块A和多层半导体块C桥接，多层半导体块A上的空气桥焊盘通过其上的金属阳极空气桥与多层半导体块B桥接，多层半导体块C上的空气桥焊盘通过其上的金属阳极空气桥与多层半导体块D桥接，中间多层半导体块上的空气桥焊盘，微带线短路面本振匹配电路之间存在连接微带，中间多层半导体块上的空气桥焊盘与连接微带连接，四管芯倍频二极管倒贴在连接微带上，且多层半导体块的排列方向是Y方向，连接微带的轴线方向为X方向，所有多层半导体块都连接在同一个支撑基板体上，支撑基板体与连接微带平行。

上述结构中，5个多层半导体块之间共有4个金属阳极空气桥，也就是有4个管芯，因此四管芯倍频二极管包含的四个管芯以级联的方式生长的一个基片上。本设计的四管芯倍频二极管基于容性肖特基二极管，四个管芯构成非平衡电路，通过前置的微带线短路面和输入基波波导微带过渡来提取所需频段。每个二极管结构分别包括：与金属阳极空气桥相连的空气桥焊盘、多层半导体块，多层半导体块包括层连的欧姆接触焊盘、二氧化硅层、外延层、缓冲层、缓冲层下表面紧接着缓冲层横截面突出1微米厚度的GaAs层和GaAs半绝缘衬底。在本发明基于单片集成电路设计时二极管结构中的GaAs半绝缘衬底存在，GaAs半绝缘衬底即支撑基板体，然后形成的多层半导体块，然后利用倒贴的方式实现四管芯倍频二极管与本振匹配电路和倍频匹配电路的连接，也即将中间多层半导体块上的空气桥焊盘与连接微带连接，四管芯倍频二极管倒贴在连接微带上。

四管芯倍频二极管所在区域的空气腔向外部区域凸出形成空气腔P，多层半导体块排列的方向与介质基板的长边垂直。

混频二极管包括2个二极管体，二极管体包括半导体支撑，半导体支撑上设置有二氧化硅层和金属阳极板，2个二极管体分别为管A和管B，管A的金属阳极板通过其上的金属阳极空气桥P与管B的二氧化硅层桥接，管B的金属阳极板通过其上的金属阳极空气桥P与管A的二氧化硅层桥接，同时，管A的金属阳极板与本振匹配电路的微带直接连接，管B的金属阳极板与射频匹配电路的微带直接连接，管A的半导体支撑和管B的半导体支撑都连接到同一个支撑基板体P。

在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，目前在太赫兹频段的分谐波混频器的这种正向桥接并联二极管对的封装形式很少存在。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。对本发明的混频二极管同样采用单片集成技术，保留衬底（支撑基板体P）在生成二极管模型，采用倒贴的方式与射频匹配电路和本振匹配电路连接，倒贴是为了方便装配和减小装配误差，达到节省空间的目的，同时在提高结构性能方面也有贡献。

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T形微带M，每2个T形微带M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T形微带M、微带T型输入枝节、微带T型输出枝节都装配在介质基板上，T形微带M包括互相连接并垂直的横向微带线和竖向微带线，横向微带线的轴线与介质基板的长边平行，竖向微带线与高阻微带线B连接，2个T形微带M之间设置有分割微带，分割微带与高阻微带线B交叉连接后构成十字形微带结构。

每2个对称的T形微带M称为CMRC单元，中频低通滤波器采用改进型的CMRC低通滤波器，在单元CMRC的基础上增加CMRC单元个数并级联，通过不同CMRC单元对不同频段的阻带作用级联后消除高频段的寄生通带，达到阻止基波信号、本振信号、射频信号的目的。该结构中去掉CMRC中的带内小微带线耦合结构，使滤波器结构更加简单设计方面，且通过调节不同单元的长度来控制每个单元的抑制频段，实现寄生通带的消除。

射频双工器包括输入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，并进行了进一步的改进使得其在高频处的抑制范围更广。射频信号由输入射频波导微带过渡输入经由端口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、在一个基片上设计加工多功能器件，使其类似四次谐波混频器，可极大降低太赫兹接收机的成本及复杂度。

2、多功能器件在一个电路中实现相比现有单器件连接组成的电路加工更加简单、需要的介质基片和腔体数目更少。

3、该多功能电路内部不必要的传输损耗更少，可降低所需的基波信号功率，使器件更容易设计。

4、相比普通的四次谐波混频器，该多功能电路所具有的变频损耗更小，变频效率更高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为输入基波波导微带过渡的结构示意图。

图3为四管芯倍频二极管的俯视示意图。

图4为混频二极管的侧视示意图。

图5为混频二极管的立体示意图。

图6为输入射频波导微带过渡和中频低通滤波器的示意图。

图7为中频低通滤波器的仿真结果图。

图8为射频双工器射频频段的仿真结果图。

图9为射频双工器本振频段的仿真结果图。

图10为a、b、e参数的尺寸设置图。

图11为d和c参数的尺寸设置图。

图中的标号分别表示为：1、输入基波波导微带过渡；2、微带线短路面；3、四管芯倍频二极管；4、本振匹配电路；5、混频二极管；6、射频匹配电路；7、输入射频波导微带过渡；8、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；43、金属阳极空气桥；44、空气腔P；45、空气桥焊盘；46、支撑基板体；421、中间多层半导体块；422、多层半导体块A、423、多层半导体块B；424、多层半导体块C；425、多层半导体块D；62、金属阳极板；63、二氧化硅层；64、半导体支撑；65、支撑基板体P；66、金属阳极空气桥P；91、T形微带M；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；95、分割微带。

具体实施方式

实施例一

如图1至图6所示。

基于集成技术的太赫兹多功能器件，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微带线短路面2、四管芯倍频二极管3、本振匹配电路4、混频二极管5、射频匹配电路6、中频低通滤波器8；还包括输入基波波导微带过渡1，微带线短路面2所在区域的空气腔11和微带线短路面2所在区域的介质基板10都延伸到输入基波波导微带过渡1内，还包括输入射频波导微带过渡7，输入射频波导微带过渡7和输入基波波导微带过渡1都为一个中空的波导结构，射频匹配电路6与中频低通滤波器8之间的微带线P穿过输入射频波导微带过渡7，空气腔11的右端具备一个输出端口，输入射频波导微带过渡7具备一个输入端口，输入基波波导微带过渡1也具备一个输入端口。

本发明的技术方案是：基于集成技术的太赫兹多功能器件包括太赫兹二倍频器、太赫兹谐波混频器。其结构从左到右依次为：输入基波波导微带过渡、微带线短路面、四管芯倍频二极管3、本振匹配电路4、混频二极管5、射频匹配电路6、输入射频波导微带过渡7、中频低通滤波器8；其中输入基波波导微带过渡的输入端口为标准波导WR-8，标准波导WR-8作为输入端口，输入基波功率经输入基波波导微带过渡的波导减高进入四管芯倍频二极管3，射频信号由输入射频波导微带过渡7的输入端口进入，输入射频波导微带过渡7的输入端口为标准波导WR-2.2，经输入射频波导微带过渡7进入混频二极管参与混频，产生的中频信号由中频低通滤波器输出；其中输入基波波导微带过渡1、四管芯倍频二极管3、本振匹配电路4构成二次倍频器：基波信号由输入基波波导微带过渡输入，直接进入四管芯倍频二极管3并平均分配在四个管芯上，四个管芯对输入端口来说为反相串联、对输出来说是同向并联，因此，可以组成平衡式二倍频电路，只有偶次谐波分量，奇次谐波分量相互抵消；混频二极管5、射频匹配电路6、输入射频波导微带过渡7、中频低通滤波器8构成太赫兹谐波混频器：射频信号由输入射频波导微带过渡7输入，经由射频匹配电路进入混频二极管与来自二次倍频器的本振信号进行混频，产生的中频信号经由输入射频波导微带过渡7和中频低通滤波器8输出器件；其中输入基波波导微带过渡1采用波导减高的形式可以使匹配更加良好；其中微带线短路面2作为本振短路截面可以使本振信号全反射使其向另一端传输。在二极管对向输入端有一个三角形结构的金属导带，即微带线短路面2，这对于调节本振信号的短路面的距离很有帮助，可以减小微带线短路面2的长度和增加带宽；其中匹配电路包括本振匹配电路和射频匹配电路，都采用多枝节匹配器；其中输入基波波导微带过渡1的输入匹配电路主要是利用波导减高和输入基波波导微带过渡1的短路面的调节来实现。耦合到二极管对（四管芯倍频二极管3）的基波，经过反向串联二极管对，产生的二次谐波以TEM模式经输出匹配电路传输到二倍频器输出直流偏置结构，经本振匹配电路进入混频二极管。而奇次谐波由于二极管对的平衡结构而受到抑制，在输出端没有奇次谐波的输出；基波波导微带过渡中输入电磁场模式与输出电磁场模式具有正交特性，输入端电路与输出端电路是相互隔离的，可对输入匹配和输出匹配分别设计；射频输入波导过渡7和中频低通滤波器8构成射频双工器，输入射频信号和输出中频信号。中频低通滤波器8为改进型的CMRC低通滤波器，具有宽频带抑制寄生通带的特性，这样可以阻止基波信号、本振信号、射频信号由中频段输出并将其反射回去，提高倍频和混频效率；标准波导WR-2.2具有抑制低频信号的作用，因此中频信号、本振信号、基波信号不会从射频端输出；其中电路在一个腔体中，并在同一个石英基片上同时实现二次倍频及分谐波混频功能，并合理设计各自工作频段，使倍频器的输出可作为混频器的本振源，则可实现功能等同于四次谐波混频器的集成器件。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，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。

输入基波波导微带过渡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的左端从短路面15插入到小矩形空气腔14内部，微带线短路面2所在区域的空气腔11和微带线短路面2所在区域的介质基板10都延伸到小矩形空气腔14内。

如图10和图11，四管芯倍频二极管3即为肖特基变容二极管，输入基波波导微带过渡1的输入波导宽边宽度为a，其频率范围由该波导TE₁₀模式截止频率确定。短路面与空气腔的交界处的开口宽度为c， c的取值对于输出匹配电路阻抗匹配影响很大。大矩形空气腔12的减高部分高度为b，该值对输入匹配电路阻抗匹配影响很大。从肖特基变容二极管到TE₁₀模式截止面的距离为d，该值对输入匹配电路影响也很大。e为肖特基变容二极管到大矩形空气腔12的距离，该值的选取对输入匹配电路阻抗影响也很大。以上三个参数的取值虽然对输入匹配电路影响很大，但是对输出匹配电路的影响非常小。因此我们需要将输入基波波导微带过渡1与空气腔按照上述结构设置。即空气腔从短路面插入。

输入射频波导微带过渡7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，射频匹配电路6与中频低通滤波器8之间的微带线P穿过小矩形空气腔14。输入射频波导微带过渡7与输入基波波导微带过渡1的结构一致，但在尺寸上可以有差异，因此图2的结构为输入基波波导微带过渡或输入射频波导微带过渡的结构示意图。

四管芯倍频二极管是一个特殊的结构体，四管芯倍频二极管4包括5个一字排列的多层半导体块，5个多层半导体块都生长在介质基板10上，多层半导体块上设置有空气桥焊盘45，5个多层半导体块分别是：多层半导体块B423、多层半导体块A422、中间多层半导体块421、多层半导体块C424、多层半导体块D425，中间多层半导体块421上的空气桥焊盘45通过其上的金属阳极空气桥43分别与多层半导体块A422和多层半导体块C424桥接，多层半导体块A422上的空气桥焊盘45通过其上的金属阳极空气桥43与多层半导体块B423桥接，多层半导体块C424上的空气桥焊盘45通过其上的金属阳极空气桥43与多层半导体块D425桥接，中间多层半导体块421上的空气桥焊盘45，微带线短路面2本振匹配电路4之间存在连接微带，中间多层半导体块421上的空气桥焊盘45与连接微带连接，四管芯倍频二极管4倒贴在连接微带上，且多层半导体块的排列方向是Y方向，连接微带的轴线方向为X方向，所有多层半导体块都连接在同一个支撑基板体46上，支撑基板体46与连接微带平行。

上述结构中，5个多层半导体块之间共有4个金属阳极空气桥，也就是有4个管芯，因此四管芯倍频二极管包含的四个管芯以级联的方式生长的一个基片上。本设计的四管芯倍频二极管基于容性肖特基二极管，四个管芯构成非平衡电路，通过前置的微带线短路面2和输入基波波导微带过渡1来提取所需频段。每个二极管结构分别包括：与金属阳极空气桥相连的空气桥焊盘、多层半导体块，多层半导体块包括层连的欧姆接触焊盘、二氧化硅层、外延层、缓冲层、缓冲层下表面紧接着缓冲层横截面突出1微米厚度的GaAs层和GaAs半绝缘衬底。在本发明基于单片集成电路设计时二极管结构中的GaAs半绝缘衬底存在，GaAs半绝缘衬底即支撑基板体46，然后形成的多层半导体块，然后利用倒贴的方式实现四管芯倍频二极管与本振匹配电路和倍频匹配电路的连接，也即将中间多层半导体块421上的空气桥焊盘45与连接微带连接，四管芯倍频二极管4倒贴在连接微带上。

四管芯倍频二极管4所在区域的空气腔11向外部区域凸出形成空气腔P44，多层半导体块42排列的方向与介质基板10的长边垂直。

混频二极管5包括2个二极管体，二极管体包括半导体支撑64，半导体支撑64上设置有二氧化硅层63和金属阳极板62，2个二极管体分别为管A和管B，管A的金属阳极板62通过其上的金属阳极空气桥P66与管B的二氧化硅层63桥接，管B的金属阳极板62通过其上的金属阳极空气桥P66与管A的二氧化硅层63桥接，同时，管A的金属阳极板62与本振匹配电路4的微带直接连接，管B的金属阳极板62与射频匹配电路6的微带直接连接，管A的半导体支撑64和管B的半导体支撑64都连接到同一个支撑基板体P65。

在太赫兹频段波长很小，混频二极管5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，目前在太赫兹频段的分谐波混频器的这种正向桥接并联二极管对的封装形式很少存在。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。对本发明的混频二极管同样采用单片集成技术，保留衬底（支撑基板体P65）在生成二极管模型，采用倒贴的方式与射频匹配电路6和本振匹配电路4连接，达到节省空间的目的，同时在提高结构性能方面也有贡献。

中频低通滤波器8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T形微带M91，每2个T形微带M91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T形微带M91、微带T型输入枝节94、微带T型输出枝节93都装配在介质基板10上，T形微带M91包括互相连接并垂直的横向微带线和竖向微带线，横向微带线的轴线与介质基板10的长边平行，竖向微带线与高阻微带线B92连接，位于高阻微带线 B （ 92 ）同一侧的两个 T 形微带M91之间设置有分割微带95，分割微带95与高阻微带线B92交叉连接后构成十字形微带结构。

如图7，图7为中频低通滤波器8的仿真图，从该图可以看出：

可以看出：在精确的分段仿真下在中频段（0-5GHz）其端口回波损耗S11小于-20dB，带内插损大于-0.2dB，而在所需抑制的频段基波频段（80GHz-105GHz）、本振频段（160GHz-210GHz）、射频频段（360GHz-420GHz）其插损都基本小于-20以下，且在上述频段内不存在寄生通带，因此该滤波器可以很好的对上述三个频段进行抑制，满足了设计需求。

每2个对称的T形微带M称为CMRC单元，中频低通滤波器8采用改进型的CMRC低通滤波器，在单元CMRC的基础上增加CMRC单元个数并级联，通过不同CMRC单元对不同频段的阻带作用级联后消除高频段的寄生通带，达到阻止基波信号、本振信号、射频信号的目的。该结构中去掉CMRC中的带内小微带线耦合结构，使滤波器结构更加简单设计方面，且通过调节不同单元的长度来控制每个单元的抑制频段，实现寄生通带的消除。

射频双工器包括输入射频波导微带过渡7和中频低通滤波器8。其中中频低通滤波器8也采用CMRC结构来实现，并进行了进一步的改进使得其在高频处的抑制范围更广。射频信号由输入射频波导微带过渡7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。

射频双工器包括射频输入波导8和CMRC结构中频低通滤波器9。其中CMRC结构中频低通滤波器9也采用CMRC结构来实现，并进行了进一步的改进使得其在高频处的抑制范围更广。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6，端口A为端口2，端口B为端口1，端口C为端口3，图8和图9可以看出：

有上述两图可以看出：在射频频段（366GHz-420GHz）S11（1端口的回波损耗）小于-15dB，特别是在385GHz处为-46dB，这证明射频信号可良好的进入端口。在图8中S21（端口1到端口2的传输损耗）大于-0.3dB，特别在375GHz到400GHz大于-0.2dB，说明射频信号可在较小损耗的下由1端口传输到2端口。S31（1端口到3端口的传输损耗）在360GHz-420GHz处小于-50dB ,说明射频信号几乎没有向3端口传输。在图9中在本振频段（165GHz-210GHz）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。仿真结果说明该射频双工器可以很好的满足设计需求。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (6)

1.基于集成技术的太赫兹多功能器件，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微带线短路面（2）、四管芯倍频二极管（3）、本振匹配电路（4）、混频二极管（5）、射频匹配电路（6）、中频低通滤波器（8）；还包括输入基波波导微带过渡（1），微带线短路面（2）所在区域的空气腔（11）和微带线短路面（2）所在区域的介质基板（10）都延伸到输入基波波导微带过渡（1）内，空气腔（11）的宽度小于输入基波波导微带过渡（1）的宽度，还包括输入射频波导微带过渡（7），输入射频波导微带过渡（7）和输入基波波导微带过渡（1）都为一个中空的波导结构，射频匹配电路（6）与中频低通滤波器（8）之间的微带线P穿过输入射频波导微带过渡（7），空气腔（11）的右端具备一个输出端口，输入射频波导微带过渡（7）具备一个输入端口，输入基波波导微带过渡（1）也具备一个输入端口；混频二极管（5）包括2个二极管体，二极管体包括半导体支撑（64），半导体支撑（64）上设置有二氧化硅层（63）和金属阳极板（62），2个二极管体分别为管A和管B，管A的金属阳极板（62）通过其上的金属阳极空气桥P（66）与管B的二氧化硅层（63）桥接，管B的金属阳极板（62）通过其上的金属阳极空气桥P（66）与管A的二氧化硅层（63）桥接，同时，管A的金属阳极板（62）与本振匹配电路（4）的微带直接连接，管B的金属阳极板（62）与射频匹配电路（6）的微带直接连接，管A的半导体支撑（64）和管B的半导体支撑（64）都连接到同一个支撑基板体P（65）。

2.根据权利要求1所述的基于集成技术的太赫兹多功能器件，其特征在于：输入基波波导微带过渡（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）的左端从短路面（15）插入到小矩形空气腔（14）内部，微带线短路面（2）所在区域的空气腔（11）和微带线短路面（2）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所述的基于集成技术的太赫兹多功能器件，其特征在于：输入射频波导微带过渡（7）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，射频匹配电路（6）与中频低通滤波器（8）之间的微带线P穿过小矩形空气腔（14）。

4.根据权利要求1所述的基于集成技术的太赫兹多功能器件，其特征在于：四管芯倍频二极管（4）包括5个一字排列的多层半导体块，5个多层半导体块都生长在介质基板（10）上，多层半导体块上设置有空气桥焊盘（45），5个多层半导体块分别是：多层半导体块B（423）、多层半导体块A（422）、中间多层半导体块（421）、多层半导体块C(424)、多层半导体块D（425），中间多层半导体块（421）上的空气桥焊盘（45）通过其上的金属阳极空气桥（43）分别与多层半导体块A（422）和多层半导体块C(424)桥接，多层半导体块A（422）上的空气桥焊盘（45）通过其上的金属阳极空气桥（43）与多层半导体块B（423）桥接，多层半导体块C(424)上的空气桥焊盘（45）通过其上的金属阳极空气桥（43）与多层半导体块D（425）桥接，中间多层半导体块（421）上的空气桥焊盘（45），微带线短路面（2）本振匹配电路（4）之间存在连接微带，中间多层半导体块（421）上的空气桥焊盘（45）与连接微带连接，四管芯倍频二极管（4）倒贴在连接微带上，且多层半导体块的排列方向是Y方向，连接微带的轴线方向为X方向，所有多层半导体块都连接在同一个支撑基板体（46）上，支撑基板体（46）与连接微带平行。

5.根据权利要求4所述的基于集成技术的太赫兹多功能器件，其特征在于：四管芯倍频二极管（4）所在区域的空气腔（11）向外部区域凸出形成空气腔P（44），多层半导体块（42）排列的方向与介质基板（10）的长边垂直。

6.根据权利要求1所述的基于集成技术的太赫兹多功能器件，其特征在于：中频低通滤波器（8）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T形微带M（91），每2个T形微带M（91）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T形微带M（91）、微带T型输入枝节（94）、微带T型输出枝节（93）都装配在介质基板（10）上，T形微带M（91）包括互相连接并垂直的横向微带线和竖向微带线，横向微带线的轴线与介质基板（10）的长边平行，竖向微带线与高阻微带线B（92）连接，位于高阻微带线 B （ 92 ）同一侧的2个T形微带M（91）之间设置有分割微带（95），分割微带（95）与高阻微带线B（92）交叉连接后构成十字形微带结构。