CN104935254B - 新型f波段三倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型F波段三倍频器，涉及太赫兹器件技术领域。本发明采用高截止频率GaN基肖特基二极管作为非线性倍频器件，输入输出采用波导微带过度电路形式，输入端基波信号过度到石英电路上接基波低通滤波器，经基波匹配电路后达到GaN基肖特基二极管，产生三次谐波信号，三次谐波经输出端匹配电路后，经微带波导转换达到输出波导端输出。其中基波低通滤波器可以通过基波输入信号，阻止二次谐波和三次谐波信号，输出端采用减高波导，减高波导的设计尺寸要求可以截止基波的二次谐波频率。所述三倍频器的耐受功率高、散热性能好、可靠性更好。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种新型F波段三倍频器。
背景技术
太赫兹（THz）波从广义上来讲，是指频率在 0.1THz-10THz范围内的电磁波，其中1THz=1000GHz，也有人认为太赫兹频率是指0.3THz-3THz范围内的电磁波。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，THz技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。F波段是指90GHz-140GHz之间的电磁频率。
F波段由于其频率较高，在高速通信等领域有着非常巨大的潜在应用。若要利用此波段，需制作F波段的频率源，由于其频率高，目前常用的是基于倍频的形式将低端频率倍乘至该频段，其中利用Ka波段三倍频，可以将频率扩展至F波段。目前该形式的三倍频器，其核心电子器件多采用GaAs肖特基二极管，GaAs肖特基二极管由于其迁移率较高，串联电阻小，截止频率高，在F波段以及太赫兹频段有了非常广泛的应用，但是GaAs肖特基二极管的击穿电压较低，能承载的功率容量有限。
GaN是第三代宽带半导体材料，其GaN材料带隙为3.4eV，相对于GaAs材料带隙1.4eV，带隙更宽，GaN具有更高的击穿电压，又由于GaN材料相对于GaAs材料具有更好的散热能力，因此GaN基肖特基二极管相对于GaAs基肖特基二极管可以承受更高的输入功率，并且散热性能更好。
国际上对GaN基高频肖特基二极管研究较少，一是由于材料迁移率低，二是工艺复杂，基于GaN肖特基二极管制作F波段甚至太赫兹频段的倍频器，从未见到过。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型F波段三倍频器，所述三倍频器的耐受功率高、散热性能好、可靠性更好。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种新型F波段三倍频器，其特征在于：包括石英基板、GaN基高截止频率肖特基二极管、射频输出波导和基波输入波导，石英基板上的第一传输微带线横跨在基波输入波导上，将基波信号过度到石英微带电路上，第一传输微带线经第二传输微带线、低通滤波器与基板匹配传输线的一端连接，基板匹配传输线的另一端与GaN基高截止频率肖特基二极管的正极连接，GaN基高截止频率肖特基二极管的负极接地；输出匹配微带线的一端与GaN基高截止频率肖特基二极管的正极连接，另一端与输出端过度微带线的一端连接，输出端过度微带线横跨在射频输出波导上，将所需要的谐波信号从石英微带电路过度至射频输出波导；所述第一传输微带线、第二传输微带线、低通滤波器、基板匹配传输线、GaN基高截止频率肖特基二极管、输出匹配微带线和输出端过度微带线位于所述石英基板上。
进一步的技术方案在于：所述低通滤波器为5阶或7阶高低阻抗微带滤波器。
进一步的技术方案在于：所述GaN基高截止频率肖特基二极管包括四个GaN基二极管，其中两个为一组，一组中的两个GaN基二极管先串联，再与另一组中串联的两个GaN基二极管并联。
进一步的技术方案在于：石英基板的厚度为30微米到75微米。
进一步的技术方案在于：石英基板整体放置在射频输出波导和基波输入波导之间的波导槽中，波导槽的槽宽比石英基板宽40微米-60微米。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用高截止频率GaN基肖特基二极管作为非线性倍频器件，输入输出采用波导微带过度电路形式，输入端基波信号过度到石英电路上接基波低通滤波器，经基波匹配电路后达到GaN基肖特基二极管，产生三次谐波信号，三次谐波经输出端匹配电路后，经微带波导转换达到输出波导端输出。其中基波低通滤波器可以通过基波输入信号，阻止二次谐波和三次谐波信号，输出端采用减高波导，减高波导的设计尺寸要求可以截止基波的二次谐波频率。本发明的优势在于：非线性倍频器件采用GaN基高截止频率肖特基二极管，GaN基二极管的截止频率高达0.8THz，其相对于GaAs相同阳极结面积的肖特基二极管，其耐受功率可以增加3 dB-4dB；器件电路为非平衡式电路设计，器件热回路更好，散热效果好；器件采用零偏置工作，可靠性更好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：101、射频输出波导 102、基波输入波导 103、石英基板 104、第一传输微带线 105、第二传输微带线 106、低通滤波器 107、基板匹配传输线 108、输出匹配微带线109、输出端过度微带线 110、GaN基高截止频率肖特基二极管。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明公开了一种新型F波段三倍频器，包括石英基板103、GaN基高截止频率肖特基二极管110、射频输出波导101和基波输入波导102。石英基板103上的第一传输微带线104横跨在基波输入波导102上，将基波信号过度到石英微带电路上；第一传输微带线104经第二传输微带线105、低通滤波器106与基板匹配传输线107的一端连接，基板匹配传输线107的另一端与GaN基高截止频率肖特基二极管110的正极连接，GaN基高截止频率肖特基二极管110的负极接地；
输出匹配微带线108的一端与GaN基高截止频率肖特基二极管110的正极连接，另一端与输出端过度微带线109的一端连接，输出端过度微带线109横跨在射频输出波导101上，将所需要的谐波信号从石英微带电路过度至射频输出波导101；所述第一传输微带线104、第二传输微带线105、低通滤波器106、基板匹配传输线107、GaN基高截止频率肖特基二极管110、输出匹配微带线108和输出端过度微带线109位于所述石英基板103上。
原理：基波输入波导102引入Ka波段的大功率基波信号，通过第一传输微带线104，将基波信号过度到石英微带电路上，经第二传输微带线105和低通滤波器106，其中低通滤波器可以为5阶或7阶高低阻抗微带滤波器，用于实现基波信号的传输，同时阻止二次和三次谐波信号到基波波导端的泄露，经基板匹配传输线107后达到GaN基高截止频率肖特基二极管110，其中二极管两端要接地，实现良好的热回路，GaN基高截止频率肖特基二极管110倒装焊接在石英基板上，采用两管芯先串联，再同向并联，为了方便倒装焊接，在管芯中间可以制作一个焊盘。基波信号经过GaN基高截止频率肖特基二极管110时，由于二极管的非线性C-V特性，产生各次谐波，其中三次谐波经输出匹配微带线108传输至输出端过度微带线109，将所需要的三次谐波信号过度至射频输出波导101，为了防止二次谐波在输出端输出， 射频输出波导101前端采用减高波导形式，截止二次谐波的频率。
所有的微带线的长度和宽度需要根据器件的实际情况进行设定。石英基板的厚度一般为30微米到75微米，石英电路整体放置在射频输出波导101和基波输入波导102之间的波导槽中，波导槽的宽度达到能放下石英基板，一般波导槽的槽宽比石英基板宽50微米左右。
本发明采用高截止频率GaN基肖特基二极管作为非线性倍频器件，输入输出采用波导微带过度电路形式，输入端基波信号过度到石英电路上接基波低通滤波器，经基波匹配电路后达到GaN基肖特基二极管，产生三次谐波信号，三次谐波经输出端匹配电路后，经微带波导转换达到输出波导端输出。其中基波低通滤波器可以通过基波输入信号，阻止二次谐波和三次谐波信号，输出端采用减高波导，减高波导的设计尺寸要求可以截止基波的二次谐波频率。本发明的优势在于：非线性倍频器件采用GaN基高截止频率肖特基二极管，GaN基二极管的截止频率高达0.8THz，其相对于GaAs相同阳极结面积的肖特基二极管，其耐受功率可以增加3 dB-4dB；器件电路为非平衡式电路设计，器件热回路更好，散热效果好；器件采用零偏置工作，可靠性更好。
Claims (3)
1.一种新型F波段三倍频器，其特征在于：包括石英基板(103)、GaN基高截止频率肖特基二极管(110)、射频输出波导(101)和基波输入波导(102)，石英基板(103)上的第一传输微带线(104)横跨在基波输入波导(102)上，将基波信号过度到石英微带电路上，第一传输微带线(104)经第二传输微带线(105)、低通滤波器(106)与基板匹配传输线(107)的一端连接，基板匹配传输线(107)的另一端与GaN基高截止频率肖特基二极管(110)的正极连接，GaN基高截止频率肖特基二极管(110)的负极接地；输出匹配微带线(108)的一端与GaN基高截止频率肖特基二极管(110)的正极连接，另一端与输出端过度微带线(109)的一端连接，输出端过度微带线(109)横跨在射频输出波导(101)上，将所需要的谐波信号从石英微带电路过度至射频输出波导(101)；所述第一传输微带线(104)、第二传输微带线(105)、低通滤波器(106)、基板匹配传输线(107)、GaN基高截止频率肖特基二极管(110)、输出匹配微带线(108)和输出端过度微带线(109)位于所述石英基板(103)上；所述GaN基高截止频率肖特基二极管(110)的截止频率高达0.8THz；
其中，所述石英基板(103)的厚度为30微米到75微米；所述石英基板(103)整体放置在射频输出波导(101)和基波输入波导(102)之间的波导槽中，波导槽的槽宽比石英基板(103)宽40微米-60微米。
2.根据权利要求1所述的新型F波段三倍频器，其特征在于：所述低通滤波器(106)为5阶或7阶高低阻抗微带滤波器。
3.根据权利要求1所述的新型F波段三倍频器，其特征在于：所述GaN基高截止频率肖特基二极管(110)包括四个GaN基二极管，其中两个为一组，一组中的两个GaN基二极管先串联，再与另一组中串联的两个GaN基二极管并联。
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