CN104702217A - 一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，所述倍频器包含：上腔体和下腔体；所述上腔体内设置第一输入波导沟道、第一主沟道、第一偏置沟道、第二偏置沟道、第一放置电阻沟道以及第一输出波导沟道；所述上腔体中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第一输入波导的末端与第一主沟道连接，第一主沟道的另一端与第一输出波导连接；所述下腔体内设置第二输入波导沟道、第二主沟道、第三偏置沟道、第四偏置沟道、第二放置电阻沟道以及第二输出波导沟道；其中第一石英电路安装在第三偏置沟道内，第二石英电路安装在第二主沟道内，贴片电阻安装在第二放置电阻沟道内；其中，上腔体的表面与下腔体的表面密闭贴和。

Description

一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器

技术领域

本发明涉及倍频器技术领域，具体涉及一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器。

背景技术

太赫兹波(0.1～10THz)介于微波与红外之间，处于电磁波谱中比较特殊的位置。但是由于多种因素的限制，太赫兹波是电磁波谱中最迟被利用的波段，因此也称这段仍有待开发的频率窗口为“THz空隙”。近年来，由于半导体工艺以及一些新材料的发展，使得太赫兹技术有了长足的进步，为大气遥感、天文科学、生物医学、信息科学等多个领域的研究提供了重要的手段。

太赫兹频段本振源作为超外差接收机系统的关键部件，也是核心技术之一。其中对太赫兹信号源的研究主要从两个方向：基于光子学方法和基于电子学方法。综合各种考虑，目前在星载的太赫兹频段超外差接收机系统中，本振源最成熟的方案则是通过倍频级联的方式来产生太赫兹频段的信号。国内现阶段对于W波段源的研究已比较成熟，而对于100GHz以上倍频器研制还处于实验阶段。

倍频器作为本振源时，对其输出功率有一定要求。为了实现较大的输出功率，通常有两种解决办法：多支管芯级联以承受更大的输入功率或是提高倍频器的倍频效率。为了提高倍频效率，需要给二极管单元外加偏压，传统的方法通常会将偏置电路通过SMA接头引出到腔体外面，再外接偏压源，这无疑增加了结构的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服为提供二极管偏压而引入的外部偏置电路，从而提供一种结构简单，易于实现的高转换效率的倍频器电路。

为了实现上述目的，本发明提供一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，所述倍频器包含：上腔体和下腔体；

所述上腔体内设置第一输入波导沟道、第一主沟道、第一偏置沟道、第二偏置沟道、第一放置电阻沟道以及第一输出波导沟道；

所述上腔体中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第一输入波导的末端与第一主沟道连接，第一主沟道的另一端与第一输出波导连接；

所述第一偏置沟道一端与第一主沟道连接，该第一偏置沟道的另一端与第二偏置沟道一端连接；所述第二偏置沟道另一端与第一放置电阻沟道连接；

所述下腔体内设置第二输入波导沟道、第二主沟道、第三偏置沟道、第四偏置沟道、第二放置电阻沟道以及第二输出波导沟道；其中第一石英电路安装在第三偏置沟道内，第二石英电路安装在第二主沟道内，贴片电阻安装在第二放置电阻沟道内；

所述第一石英电路为低通滤波器，且该低通滤波器可以是一个由高低阻抗微带构成的低通滤波器，采用该低通滤波器能够通过直流信号而阻止基频信号；所述第二石英电路包括第一滤波匹配单元、第二匹配单元，且所述第二石英电路上安装有第一和第二二极管；

所述下腔体中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第二输入波导的末端与第二主沟道连接，第二主沟道的另一端与第二输出波导连接；

所述第一石英电路、贴片电阻和第一滤波匹配单元组成第一和第二二极管的偏置电路，且第一石英电路与贴片电阻一端通过第二金丝键合，贴片电阻的另一端与下腔体相连而接地；

所述的第一滤波匹配单元对从输入波导输入的基频信号进行匹配，并对第一和第二二极管产生的各谐波进行阻止，进而使所需信号向输出波导输出；

其中，上腔体的表面与下腔体的表面密闭贴和；此时，所述第一输入波导沟道和第二输入波导沟道组成一个截面是矩形的长方体，即为输入波导；所述第一输出波导沟道与第二输出波导沟道组成一个截面是矩形的长方体，即为输出波导。

可选的，上述第二石英电路位于第二主沟道内，所述第二主沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽。

可选的，上述第三偏置沟道与第二输入波导沟道的夹角大约为15度。

可选的，上述第一石英电路位于第三偏置沟道内，该第一石英电路的一端通过第二金丝与贴片电阻连接；所述第三偏置沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽，第三偏置沟道的宽度和深度分别为0.35mm和0.12mm。

可选的，上述贴片电阻位于第二放置电阻沟道，所述第二放置电阻沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽，第二放置电阻沟道的长度和宽度分别是4mm和1.5mm。

上述第二放置电阻沟道尺寸大于第三偏置沟道尺寸；所述第三偏置沟道尺寸大于第二主沟道尺寸。

上述第一石英电路、第二石英电路分别通过导电胶固定在第三偏置沟道、第二主沟道内，所述第一二极管和第二二极管通过导电胶固定在第二石英电路上；所述第一石英电路和第二石英电路之间通过第一金丝键合；所述第一石英电路通过一根直径为25um金丝与第二石英电路的不敏感处连接；所述第一二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地；所述第二二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地。

可选的，上述第一石英电路和贴片电阻的金丝键合处的上腔体沟道的深度大于下腔体沟道的深度。

可选的，输出波导输出的信号为三次倍频信号；所述第一二极管和第二二极管为两支肖特基变容管；所述第一石英电路和第二石英电路石英基板的厚度为50um，且第一石英电路和第二石英电路石英基板上面的微带线厚度大约4um。

本发明的优点在于：本发明在非平衡式三倍频器电路的基础上，在腔体结构内部利用贴片电阻构建直流回路，为二极管对提供偏置，从而简化掉外部电路。本发明在保证高倍频效率的同时，具有结构简单、易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明的太赫兹频段三倍频器的上下腔体的结构示意图；

图2(a)是本发明的太赫兹频段三倍频器电路部分示意图；

图2(b)是本发明的太赫兹频段三倍频器偏置电路部分结构示意图；

图2(c)是本发明的太赫兹频段三倍频器上下腔体不对称处的局部放大图；

图3是本发明的太赫兹频段三倍频器第二石英电路结构示意图；

图4是本发明的太赫兹频段三倍频器完成后的装配效果图。

附图标识：

1、下腔体             2、上腔体             3、第二输入波导沟道

4、第一输入波导沟道   5、第二输出波导沟道   6、第一输出波导沟道

7、第二主沟道         8、第一主沟道         9、第三偏置沟道

10、第一偏置沟道      11、第四偏置沟道      12、第二偏置沟道

13、第二放置电阻沟道  14、第一放置电阻沟道  15、第二石英电路

16、第一石英电路      17、第一二极管        18、第二二极管

19、第一金丝          20、贴片电阻          21、第二金丝

22、第一滤波匹配单元  23、第二匹配单元      24、输入波导口

25、输出波导口

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，所述倍频器包含：上腔体2和下腔体1；

所述上腔体2内设置第一输入波导沟道4、第一主沟道8、第一偏置沟道10、第二偏置沟道12、第一放置电阻沟道14以及第一输出波导沟道6；

所述上腔体2中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第一输入波导4的末端与第一主沟道8连接，第一主沟道8的另一端与第一输出波导6连接；

所述第一偏置沟道10一端与第一主沟道8连接，该第一偏置沟道10的另一端与第二偏置沟道12一端连接；所述第二偏置沟道12另一端与第一放置电阻沟道14连接；

所述下腔体1内设置第二输入波导沟道3、第二主沟道7、第三偏置沟道9、第四偏置沟道11、第二放置电阻沟道13以及第二输出波导沟道5；其中第一石英电路16安装在第三偏置沟道9内，第二石英电路15安装在第二主沟道7内，贴片电阻20安装在第二放置电阻沟道13内；

所述第一石英电路16是一个由高低阻抗微带构成的低通滤波器，用于通过直流信号而阻止基频信号；所述第二石英电路15包括第一滤波匹配单元22、第二匹配单元23，且所述第二石英电路15上安装有第一二极管17和第二二极管18；

所述下腔体1中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第二输入波导沟道3的末端与第二主沟道7连接，第二主沟道7的另一端与第二输出波导沟道5连接；

所述第一石英电路16、贴片电阻20和第一滤波匹配单元22组成第一二极管17和第二二极管18的偏置电路，且第一石英电路16与贴片电阻20一端通过第二金丝21键合，贴片电阻20的另一端与下腔体1相连而接地；

所述的第一滤波匹配单元22对从输入波导输入的基频信号进行匹配，并对第一二极管17和第二二极管18产生的各谐波进行阻止，进而使所需信号向输出波导输出；

其中，上腔体2的表面与下腔体1的表面密闭贴和；此时，所述第一输入波导沟道4和第二输入波导沟道3组成一个截面是矩形的长方体，即为输入波导；所述第一输出波导沟道6与第二输出波导沟道5组成一个截面是矩形的长方体，即为输出波导。

可选的，上述第二石英电路15位于第二主沟道7内，所述第二主沟道7为设置在下腔体1中的长方体凹槽。上述第三偏置沟道9与第二输入波导沟道3的夹角为15度。上述第一石英电路16位于第三偏置沟道9内，该第一石英电路16的一端通过第二金丝21与贴片电阻20连接；所述第三偏置沟道9为设置在下腔体1中的长方体凹槽，第三偏置沟道9的宽度和深度分别为0.35mm和0.12mm。上述贴片电阻20位于第二放置电阻沟道13，所述第二放置电阻沟道13为设置在下腔体1中的长方体凹槽，第二放置电阻沟道13的长度和宽度分别是4mm和1.5mm。上述第二放置电阻沟道13尺寸大于第三偏置沟道尺寸；所述第三偏置沟道9尺寸大于第二主沟道尺寸。

所述第一石英电路16、第二石英电路15分别通过导电胶固定在第三偏置沟道9和第二主沟道7内，所述第一二极管17和第二二极管18通过导电胶固定在第二石英电路15上；

所述第一石英电路16和第二石英电路15之间通过第一金丝19键合；所述第一石英电路16通过一根直径为25um金丝与第二石英电路15的不敏感处连接；

所述第一二极管17一端与第二石英电路15上微带线相连，另一端与金属下腔体1相连接地；所述第二二极管18一端与第二石英电路15上微带线相连，另一端与金属下腔体1相连接地。

所述第一石英电路16和贴片电阻20的金丝键合处的上腔体2沟道的深度大于下腔体1沟道的深度。

输出波导输出的信号为三次倍频信号；

所述第一二极管17和第二二极管18为两支肖特基变容管；

所述第一石英电路16和第二石英电路15的石英基板的厚度为50um，且第一石英电路16和第二石英电路15的石英基板上面的微带线厚度大约4um。

综上所述，本发明提供一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，包括下腔体1、上腔体2、第一石英电路16、第二石英电路15、第一二极管17、第二二极管18以及贴片电阻20。利用导电胶将两块石英电路15和16安装在下腔体沟道中，并通过第一金丝19键合；第一二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地；第二二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地；贴片电阻安装在第二放置电阻沟道13中，一端与第一石英电路16通过第二金丝21键合，另一端胶粘接地。安装完成后，将上下腔体紧密闭合，从而构成矩形波导。所述第三偏置沟道与第二输入波导沟道的夹角为15度；上述技术方案中，所述贴片电阻为打线式贴片电阻，规格尺寸为0603。上述技术方案中，所述第二放置电阻沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽，其长度和宽度分别是4mm和1.5mm。上述技术方案中，所述贴片电阻20和第一石英电路16金丝键合处，上腔体深度为0.5mm，下腔体深度为0.12mm。上述技术方案中，所述偏置石英电路基板厚度50um。

实施例

首先，内嵌偏置电路的太赫兹频段三倍频器的具体结构为：

在图1中给出了一个实施例中的内嵌偏置电路的太赫兹频段三倍频器的上下腔体结构示意图。包括下腔体1、上腔体2、第一石英电路16、第二石英电路15、第一二极管17、第二二极管18以及贴片电阻20。

参考图2，本发明的三倍频器在第二主沟道7侧壁的不敏感处引入第三偏置沟道9，用于放置第一石英电路16。第二石英电路15安装在第二主沟道7内，所述第二石英电路15和第一石英电路16之间通过第一金丝键合。为了防止在加工时由于第二输入波导沟道3和第三偏置沟道9间距小而可能造成的腔体形变，将第三偏置沟道9以大约15度的角度偏离第二输入波导沟道3。所述第一石英电路16为高低阻抗微带构成的低通滤波器，用于抑制基频及其高次谐波泄露，同时与贴片电阻20构成直流通路。在放置第一石英电路16的第三偏置沟道9末端连接一个稍大尺寸的第四偏置沟道11，其宽度为1mm，目的是为金丝留有空间。考虑到金丝本身的高度，在贴片电阻20与第一石英电路16的连接处上下腔体并不对称，其中上腔体深度为0.5mm，下腔体深度为0.12mm；上下腔体除了上述部分不对称外，其余部分镜像对称；第四偏置沟道11另一端还连接有尺寸更大的第二放置电阻沟道13，第二放置电阻沟道13用于放置贴片电阻20。所述贴片电阻20封装尺寸为0603，电阻长度为1.6mm±0.15mm，宽0.80±0.15mm；放置其的第二放置电阻沟道13长4mm、宽1.5mm。所述的贴片电阻20一端与金属下腔体1表面相连，形成接地；贴片电阻20的另一端则与第一石英电路16表面的金带通过第二金丝21键合。为了保证连接的可靠性，可以选用两根金丝键合。所述金丝直径为25um；所述第一石英电路包括金属层和石英基板，所述金属层的厚度为4um，其最宽处为0.29mm，最窄处为0.03mm；石英基板长为2.04mm，宽为0.32mm，厚为50um。

参考图4，本发明的三倍频器装配完成后的效果图，由于整个偏置电路内置在腔体结构内部，三倍器模块外部只有输入波导口24和输出波导口25，无需外加偏置电路，大大简化了电路的结构。

其次，采用上述的内嵌偏置电路的太赫兹频段三倍频器实现三倍频信号的处理过程为：

1，通过输入波导输入基频信号；

2，采用第二石英电路15中的第一滤波匹配单元22对输入的基频信号进行第一次滤波和匹配，其中滤波用于防止产生的高次谐波返回到输入波导，匹配是对一次信号进行阻抗匹配；

3，经过第一滤波匹配单元22滤波匹配后的基频信号输入到两支肖特基变容管处，进而将基频信号倍频而得到各次谐波信号；

4，将得到的各次谐波信号再次输入第二石英电路15中的第二匹配单元23进行第二次匹配，此时匹配是对三次信号进行阻抗匹配；

5，通过输出波导中的减宽减高波导对二次谐波进行抑制，从而在波导口处获得三次谐波。

其中，通过第一石英电路16和贴片电阻20构成直流回路，利用肖特基变容管产生的直流分量，其经过第二石英电路15流向第一石英电路16，进而在贴片电阻20处产生电压，从而为肖特基变容管提供偏置，因此无需外置电源。

综上所述，本发明提供的一种内嵌偏置电路的太赫兹频段三倍频器，包括有金属下腔体、相应的上腔体、两支肖特基变容管、第一石英电路、第二石英电路以及贴片电阻。在下腔体中进行电路的装配，安装完成后，将上下腔体紧密闭合构成三倍频器模块；电路、电阻之间采用金丝键合的方式相连；考虑到金丝高度，相较于下腔体，上腔体部分沟道尺寸更深；所述倍频电路利用非平衡结构的特点，在腔体模块内部构建直流回路，从而将传统的偏置电路替代。在电路结构大为简化的情况下，实现了高倍频效率和大输出功率的太赫兹频段倍频器。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述倍频器包含：上腔体和下腔体；

所述上腔体内设置第一输入波导沟道、第一主沟道、第一偏置沟道、第二偏置沟道、第一放置电阻沟道以及第一输出波导沟道；

所述上腔体中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第一输入波导的末端与第一主沟道连接，第一主沟道的另一端与第一输出波导连接；

所述第一偏置沟道一端与第一主沟道连接，该第一偏置沟道的另一端与第二偏置沟道一端连接；所述第二偏置沟道另一端与第一放置电阻沟道连接；

所述下腔体内设置第二输入波导沟道、第二主沟道、第三偏置沟道、第四偏置沟道、第二放置电阻沟道以及第二输出波导沟道；其中第一石英电路安装在第三偏置沟道内，第二石英电路安装在第二主沟道内，贴片电阻安装在第二放置电阻沟道内；

所述第一石英电路是一个由高低阻抗微带构成的低通滤波器，用于通过直流信号而阻止基频信号；所述第二石英电路包括第一滤波匹配单元、第二匹配单元，且所述第二石英电路上安装有第一和第二二极管；

所述下腔体中所有沟道为设置在腔体上的凹槽，第二输入波导的末端与第二主沟道连接，第二主沟道的另一端与第二输出波导连接；

所述第一石英电路、贴片电阻和第一滤波匹配单元组成第一和第二二极管的偏置电路，且第一石英电路与贴片电阻一端通过第二金丝键合，贴片电阻的另一端与下腔体相连而接地；

所述的第一滤波匹配单元对从输入波导输入的基频信号进行匹配，并对第一和第二二极管产生的各谐波进行阻止，进而使所需信号向输出波导输出；

其中，上腔体的表面与下腔体的表面密闭贴和；此时，所述第一输入波导沟道和第二输入波导沟道组成一个截面是矩形的长方体，即为输入波导；所述第一输出波导沟道与第二输出波导沟道组成一个截面是矩形的长方体，即为输出波导。

2.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第二石英电路位于第二主沟道内，所述第二主沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽。

3.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第三偏置沟道与第二输入波导沟道的夹角为15度。

4.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第一石英电路位于第三偏置沟道内，该第一石英电路的一端通过第二金丝与贴片电阻连接；所述第三偏置沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽，第三偏置沟道的宽度和深度分别为0.35mm和0.12mm。

5.根据权利要求4所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述贴片电阻位于第二放置电阻沟道，所述第二放置电阻沟道为设置在下腔体中的长方体凹槽，第二放置电阻沟道的长度和宽度分别是4mm和1.5mm。

6.根据权利要求4所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第二放置电阻沟道尺寸大于第三偏置沟道尺寸；所述第三偏置沟道尺寸大于第二主沟道尺寸。

7.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，

所述第一石英电路、第二石英电路分别通过导电胶固定在第三偏置沟道、第二主沟道内，所述第一二极管和第二二极管通过导电胶固定在第二石英电路上；

所述第一石英电路和第二石英电路之间通过第一金丝键合；所述第一石英电路通过一根直径为25um金丝与第二石英电路的不敏感处连接；

所述第一二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地；所述第二二极管一端与第二石英电路上微带线相连，另一端与金属下腔体相连接地。

8.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第一石英电路和贴片电阻的金丝键合处的上腔体沟道的深度大于下腔体沟道的深度。

9.根据权利要求1所述的内嵌偏置电路的太赫兹倍频器，其特征在于，输出波导输出的信号为三次倍频信号；

所述第一二极管和第二二极管为两支肖特基变容管；

所述第一石英电路和第二石英电路石英基板的厚度为50um，且第一石英电路和第二石英电路石英基板上面的微带线厚度大约4um。