CN104467681B - 基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，基波输入波导微带过渡、CMRC结构本振低通滤波器、倍频匹配电路、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、射频输入波导微带过渡、CMRC结构中频低通滤波器。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

基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置。

背景技术

分谐波混频器作为频率变换器件在太赫兹应用领域中具有很重要的地位，但在太赫兹频段高频源制作困难且功率较低。因此解决分谐波混频器的本振源是一个重要的技术难题。在现有技术中，要得到高频段的本振源需要用到倍频原件将低频转换到高频，但实际中存在的倍频器和混频器都是作为单独元件分开设计并加工的，因此其占用空间比较多，且需要两个宽度不同的基片分别承载倍频电路和混频电路，这既增加了器件间的损耗，也增加了腔体的加工难度。

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、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。

现有的技术集成度不够高，存在两个介质基板且要用波导连接过渡，存在损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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输的损耗。

本发明的实现方案如下：基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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结构本振低通滤波器、倍频匹配电路、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、CMRC结构中频低通滤波器；还包括基波输入波导微带过渡，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过渡微带线所在区域的介质基板都延伸到基波输入波导微带过渡内，还包括射频输入波导微带过渡，射频输入波导微带过渡为一个中空的波导结构，射频匹配电路与CMRC结构中频低通滤波器之间的微带线P穿过射频输入波导微带过渡，空气腔的右端具备一个输出端口，射频输入波导微带过渡具备一个输入端口，基波输入波导微带过渡也具备一个输入端口。

本发明的技术方案是：其结构从左到右依次是：基波输入波导微带过渡、CMRC结构本振低通滤波器、倍频匹配电路、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、射频输入波导微带过渡、CMRC结构中频低通滤波器；其中基波输入波导微带过渡的波导口为标准波导WR-10，标准波导WR-10作为本振基频能量输入端输入本振基频信号，射频输入波导微带过渡的波导口为标准波导WR-2.2，标准波导WR-2.2作为射频输入端输入射频信号，然后通过混频二极管产生中频信号经由射频输入波导微带过渡和CMRC结构中频低通滤波器后输出器件；基波输入波导微带过渡、CMRC结构本振低通滤波器、倍频匹配电路、四管芯倍频二极管构成二倍频电路，本振基频信号由基波输入波导微带过渡的输入端输入后，经由CMRC结构本振低通滤波器和倍频匹配电路进入四管芯倍频二极管进行倍频、并输出本振功率信号进入太赫兹谐波混频电路；混频二极管、射频匹配电路、射频输入波导微带过渡、CMRC结构中频低通滤波器构成太赫兹谐波混频电路，射频信号由射频输入波导微带过渡输入端进入，经由射频输入波导微带过渡、射频匹配电路进入混频二极管和来自倍频电路的本振功率信号进行混频，产生的中频信号由中频低通滤波器输出；其中本振匹配电路用来匹配四管芯倍频二极管和混频二极管的阻抗使本振信号更好的传输；其中基波输入波导微带过渡具有截止低频信号的作用可以使中频信号反射回去由另一端输出；其中CMRC结构本振低通滤波器可以使输入的基波信号无阻的通过而阻碍本振信号和射频信号的通过，这可以使传输过来的本振信号和射频信号反射回去继续参与混频增加混频效益；射频输入波导微带过渡、CMRC结构中频低通滤波器构成射频双工器，射频双工器输入射频信号和输出中频信号，CMRC结构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、射频信号由中频端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；其中四管芯倍频二极管和混频二极管直接由单片集成技术生长在石英材质的介质基板上并通过金带结构和微带线电路相连。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输的损耗。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。

基波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。

基波输入波导微带过渡输入的基波信号由标准波导WR-10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结构本振低通滤波器并进入四管芯倍频二极管进行倍频。基波输入波导微带过渡尺寸经过优化，避免了高次模和传输零点的出现。波导减高可以调节匹配，增加过渡带宽和提高过渡性能。

射频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，射频匹配电路与CMRC结构中频低通滤波器之间的微带线P穿过小矩形空气腔。

射频输入波导微带过渡的结构形状与基波输入波导微带过渡的结构形状一致，但是二者之间的尺寸可以是有差异的。

CMRC结构本振低通滤波器的具体结构为：CMRC结构本振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2个“山”形微带线A，2个“山”形微带线A以高阻微带线A为对称线成对称排布，高阻微带线A和2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与倍频匹配电路连接。

CMRC结构本振低通滤波器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，特定图形是指输入微带线A和输出微带线A、高阻微带线A、2个“山”形微带线A构成的微带图形结构。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。该CMRC结构本振低通滤波器可以通基波信号而阻止本振信号和射频信号通过，并使其反射回去再次进入四管芯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。CMRC结构本振低通滤波器和基波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。CMRC结构本振低通滤波器的运用减小了电路整体长度。

由测试结果可以看出该滤波器良好的实现了所需要的性能。测试结果如图9。

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，本振匹配电路和倍频匹配电路之间架设有金带桥，金带桥面向介质基板的一面与中间多层半导体块上的空气桥焊盘连接。

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CMRC结构本振低通滤波器等其他无源电路来提取所需频段。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半绝缘衬底将去掉，然后形成的多层半导体块直接在介质基板上生成，然后利用金带桥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。

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个生长在介质基板上的二极管体，二极管体包括生长在介质基板上的半导体支撑，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的金属阳极板通过金带桥P与本振匹配电路桥接，管B的金属阳极板通过另外一个金带桥P与射频匹配电路桥接。

在太赫兹频段波长很小，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，去掉衬底在基片上直接生成二极管模型，并用金带连接微带线。

CMRC结构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，位于高阻微带线 B同一侧的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，CMRC结构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。

射频双工器包括射频输入波导微带过渡和CMRC结构中频低通滤波器。其中CMRC结构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。该发明使用了单片集成技术将太赫兹分谐波混频器及其倍频源电路集成到一个基片上，并将二极管直接生长在基片上，减小了装配误差。该发明减少了介质基板的个数使电路集成在一个基板上，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。由于减少了电路中波导过渡结构个数，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为基波输入波导微带过渡的结构示意图。

图3为CMRC结构本振低通滤波器的示意图。

图4为四管芯倍频二极管的立体示意图。

图5为四管芯倍频二极管的俯视示意图。

图6为混频二极管的俯视示意图。

图7为混频二极管的侧视示意图。

图8为射频输入波导微带过渡和CMRC结构中频低通滤波器的示意图。

图9为CMRC结构本振低通滤波器的仿真结果图。

图10为基波输入波导微带过渡的仿真结果图。

图11为CMRC结构中频低通滤波器的仿真结果图。

图12为射频双工器本振频段的仿真结果图。

图13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、基波输入波导微带过渡；2、CMRC结构本振低通滤波器；3、倍频匹配电路；4、四管芯倍频二极管；5、本振匹配电路；6、混频二极管；7、射频匹配电路；8、射频输入波导微带过渡；9、CMRC结构中频低通滤波器；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；41、金带桥，42、多层半导体块；43、金属阳极空气桥；44、空气腔P；45、空气桥焊盘；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；61、金带桥P；62、半导体支撑；63、二氧化硅层； 65、金属阳极板；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10所示。

基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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结构本振低通滤波器2、倍频匹配电路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、CMRC结构中频低通滤波器9；还包括基波输入波导微带过渡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和过渡微带线所在区域的介质基板10都延伸到基波输入波导微带过渡1内，还包括射频输入波导微带过渡8，射频输入波导微带过渡8为一个中空的波导结构，射频匹配电路7与CMRC结构中频低通滤波器9之间的微带线P穿过射频输入波导微带过渡8，空气腔11的右端具备一个输出端口，射频输入波导微带过渡8具备一个输入端口，基波输入波导微带过渡1也具备一个输入端口。

本发明的技术方案是：其结构从左到右依次是：基波输入波导微带过渡1、CMRC结构本振低通滤波器2、倍频匹配电路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、射频输入波导微带过渡8、CMRC结构中频低通滤波器9；其中基波输入波导微带过渡1的波导口为标准波导WR-10，标准波导WR-10作为本振基频能量输入端输入本振基频信号，射频输入波导微带过渡8的波导口为标准波导WR-2.2，标准波导WR-2.2作为射频输入端输入射频信号，然后通过混频二极管6产生的中频信号经由射频输入波导微带过渡8和CMRC结构中频低通滤波器9后输出器件；基波输入波导微带过渡1、CMRC结构本振低通滤波器2、倍频匹配电路3、四管芯倍频二极管4构成二倍频电路，本振基频信号由基波输入波导微带过渡1的输入端输入后，经由CMRC结构本振低通滤波器2和倍频匹配电路3进入四管芯倍频二极管4进行倍频、并输出本振功率信号进入太赫兹谐波混频电路；混频二极管6、射频匹配电路7、射频输入波导微带过渡8、CMRC结构中频低通滤波器9构成太赫兹谐波混频电路，射频信号由射频输入波导微带过渡8输入端进入，经由射频输入波导微带过渡8、射频匹配电路7进入混频二极管6和来自倍频电路的本振功率信号进行混频，产生的中频信号由中频低通滤波器输出；其中本振匹配电路5用来匹配四管芯倍频二极管4和混频二极管6的阻抗使信号更好的传输；其中基波输入波导微带过渡1具有截止低频信号的作用可以使中频信号反射回去由另一端输出；其中CMRC结构本振低通滤波器2可以使输入的基波信号无阻的通过而阻碍本振信号和射频信号的通过，这可以使传输过来的本振信号和射频信号反射回去继续参与混频增加混频效益；射频输入波导微带过渡8、CMRC结构中频低通滤波器9构成射频双工器，射频双工器输入射频信号和输出中频信号，CMRC结构中频低通滤波器9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；其中四管芯倍频二极管4和混频二极管6直接由单片集成技术生长在石英材质的介质基板10上并通过金带结构和微带线电路相连。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。

基波输入波导微带过渡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。

基波输入波导微带过渡1输入的射频信号由标准波导WR-10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结构本振低通滤波器2并进入四管芯倍频二极管4进行倍频。基波输入波导微带过渡1尺寸经过优化，避免了高次模和传输零点的出现。波导减高可以调节匹配，增加过渡带宽和提高过渡性能。

参考图10，图10为基波输入波导微带过渡的仿真结果图。

从图10 看出：基波输入端口（标准波导口）的回波损耗即S11在基波频段（80GHz-105GHz）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渡良好的实现了基波频段的输入，且输入损耗很小。该无源结构可以很好的将基波输入进装置内。

射频输入波导微带过渡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，射频匹配电路7与CMRC结构中频低通滤波器9之间的微带线P穿过小矩形空气腔14。

射频输入波导微带过渡8的结构形状与基波输入波导微带过渡1的结构形状一致，但是二者之间的尺寸可以是有差异的。

CMRC结构本振低通滤波器2的具体结构为：CMRC结构本振低通滤波器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2个“山”形微带线A，2个“山”形微带线A以高阻微带线A24为对称线成对称排布，高阻微带线A24和2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与倍频匹配电路3连接。

CMRC结构本振低通滤波器2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，特定图形是指输入微带线A22和输出微带线A23、高阻微带线A24、2个“山”形微带线A构成的微带图形结构。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。该CMRC结构本振低通滤波器2可以通基波信号而阻止本振信号和射频信号通过，并使其反射回去再次进入四管芯倍频二极管4或者混频二极管6，这样提高了端口的隔离度和变频的效率。CMRC结构本振低通滤波器2和基波输入波导微带过渡1一起构成频率输入元件，实现基波信号的低损耗进入。CMRC结构本振低通滤波器2的运用减小了电路整体长度。

由测试结果可以看出该滤波器良好的实现了所需要的性能。测试结果如图9，图9为CMRC结构本振低通滤波器的仿真结果图。

参见图9，可以看出其参数特性为：

图9为CMRC结构本振低通滤波器2仿真结果。有仿真结果图9知该低通滤波器的通带为0-115GHz，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，可使本振频段的信号以较小的损耗通过。在带外156GHz处其带外抑制已达到-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。

四管芯倍频二极管4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42，5个多层半导体块都生长在介质基板10上，多层半导体块42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，本振匹配电路5和倍频匹配电路3之间架设有金带桥41，金带桥41面向介质基板10的一面与中间多层半导体块421上的空气桥焊盘45连接。

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43，也就是有4个管芯，因此四管芯倍频二极管4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CMRC结构本振低通滤波器2等其他无源电路来提取所需频段。每个二极管结构分别包括：与金属阳极空气桥43相连的空气桥焊盘45、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半绝缘衬底将去掉，然后形成的多层半导体块直接在介质基板上生成，然后利用金带桥41实现四管芯倍频二极管4与本振匹配电路5和倍频匹配电路3的连接。

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。长边是指沿X轴方向。

混频二极管6包括2个生长在介质基板10上的二极管体，二极管体包括生长在介质基板10上的半导体支撑62，半导体支撑62上设置有二氧化硅层63和金属阳极板65，2个二极管体分别为管A和管B，管A的金属阳极板65通过其上的金属阳极空气桥P与管B的二氧化硅层63桥接，管B的金属阳极板65通过其上的金属阳极空气桥P与管A的二氧化硅层63桥接，同时，管A的金属阳极板65通过金带桥P与本振匹配电路5桥接，管B的金属阳极板65通过另外一个金带桥P与射频匹配电路7桥接。

在太赫兹频段波长很小，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，去掉衬底在基片上直接生成二极管模型，并用金带连接微带线。

CMRC结构中频低通滤波器9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同一侧的2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。

每2个对称的T形微带M91称为CMRC单元，CMRC结构中频低通滤波器9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。

图11为CMRC结构中频低通滤波器的仿真结果图。

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。

射频双工器包括射频输入波导微带过渡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8，端口A为端口2，端口B为端口1，端口C为端口3，图12为射频双工器本振频段的仿真结果图。图13为射频双工器本振频段的仿真结果图。

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12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13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 (8)

1.基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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结构本振低通滤波器（2）、倍频匹配电路（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）、CMRC结构中频低通滤波器（9）；还包括基波输入波导微带过渡（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）和过渡微带线所在区域的介质基板（10）都延伸到基波输入波导微带过渡（1）内，还包括射频输入波导微带过渡（8），射频输入波导微带过渡（8）为一个中空的波导结构，射频匹配电路（7）与CMRC结构中频低通滤波器（9）之间的微带线P穿过射频输入波导微带过渡（8），空气腔（11）的右端具备一个输出端口，射频输入波导微带过渡（8）具备一个输入端口，基波输入波导微带过渡（1）也具备一个输入端口。

2.根据权利要求1所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，其特征在于：基波输入波导微带过渡（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所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，其特征在于：射频输入波导微带过渡（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，射频匹配电路（7）与CMRC结构中频低通滤波器（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所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，其特征在于：CMRC结构本振低通滤波器（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2个“山”形微带线A，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，高阻微带线A（24）和2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）与倍频匹配电路（3）连接。

5.根据权利要求1所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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（42），5个多层半导体块都生长在介质基板（10）上，多层半导体块（42）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，本振匹配电路（5）和倍频匹配电路（3）之间架设有金带桥（41），金带桥（41）面向介质基板（10）的一面与中间多层半导体块（421）上的空气桥焊盘（45）连接。

6.根据权利要求5所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，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。

7.根据权利要求1所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，其特征在于：混频二极管（6）包括2个生长在介质基板（10）上的二极管体，二极管体包括生长在介质基板（10）上的半导体支撑（62），半导体支撑（62）上设置有二氧化硅层（63）和金属阳极板（65），2个二极管体分别为管A和管B，管A的金属阳极板（65）通过其上的金属阳极空气桥P与管B的二氧化硅层（63）桥接，管B的金属阳极板（65）通过其上的金属阳极空气桥P与管A的二氧化硅层（63）桥接，同时，管A的金属阳极板（65）通过金带桥P与本振匹配电路（5）桥接，管B的金属阳极板（65）通过另外一个金带桥P与射频匹配电路（7）桥接。

8.根据权利要求1所述的基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置，其特征在于：CMRC结构中频低通滤波器（9）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。