CN105007045B - 一种太赫兹基波混频模块 - Google Patents

一种太赫兹基波混频模块 Download PDF

Info

Publication number
CN105007045B
CN105007045B CN201510443633.4A CN201510443633A CN105007045B CN 105007045 B CN105007045 B CN 105007045B CN 201510443633 A CN201510443633 A CN 201510443633A CN 105007045 B CN105007045 B CN 105007045B
Authority
CN
China
Prior art keywords
chip
terahertz
waveguide
circuit
intermediate frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510443633.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105007045A (zh
Inventor
杨非
王宗新
孟洪福
窦文斌
孙忠良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201510443633.4A priority Critical patent/CN105007045B/zh
Publication of CN105007045A publication Critical patent/CN105007045A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105007045B publication Critical patent/CN105007045B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

本发明公开了一种太赫兹基波混频模块，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内设置本振输入端的匹配波导、芯片通道、射频输入端的匹配波导、中频输出电路和直流偏置电路；芯片通道的一端连接本振输入端匹配波导，另一端射频输入端的匹配波导，芯片通道内设置混频芯片，混频芯片粘接到金属上基座上，直流偏置电路上设置去耦电容，去耦电容为片上电容。本发明基于太赫兹集成电路微纳制备技术，具有结构紧凑、安装简便、集成度高的特点；本发明中射频及本振两路输入经由各自不同的通路完成信号传输，具有射频本振隔离性能好的特点；本发明具有混频损耗小的特点；同时具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。

Description

一种太赫兹基波混频模块
技术领域
本发明属于混频设计领域，特别涉及一种太赫兹基波混频模块。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简写THz)通常是指频率在0.1THz～10THz(波长为30μm～3mm)范围内的电磁波。1THz(1012Hz)对应波数为33.3cm-1，能量为4.1meV，波长为300μm。从频谱上看，太赫兹波在电磁波谱中介于微波与红外之间，处于电子学向光子学过渡的区域，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。在电子学领域，太赫兹波被称为亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。
太赫兹混频接收技术具有高分辨率、高灵敏度、全天候工作等特性，在医疗诊断、安检安防、材料分析、国土安全等方面有着日益广阔的应用前景。混频接收性能指标噪声等效温差NEΔT与Ts/(Bτ)1/2，可知NEΔT与接收机噪声温度Ts成正比且与接收带宽B成反比，而Ts与B往往取决于前端混频，所以前端混频噪声及带宽性能决定了接收机的混频性能。
太赫兹半导体混频技术在近几年中发展很快，次谐波混频的中频输出fIF等于|fRF-2fLO|，为了后端处理方便，中频信号fIF一般落在微波端，此时本振频率fLO约等于fRF/2，所以次谐波混频比较容易获得足够的本振激励。而基波混频,它的中频输出fIF等于|fRF-fLO|，本振频率fLO接近射频频率fRF。原理分析表明，基波混频接收的噪声性能优于次谐波混频性能。基波混频电路过去常采用单管形式，特别之处在于其本振信号和射频信号经由同一输入端注入，在光路中需要接准光双工器。光路固有损耗会影响混频性能，同时结构复杂，不便实现阵列集成。而这里的平衡式混频方式可解决射频/本振信号的隔离问题，射频/本振信号分别通过不同路径注入，不需外接双工器，而且该电路结构可对消本振所引入的噪声，噪声性能优于次谐波混频器。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种芯片集成的太赫兹基波混频电路，在射频/本振信号隔离性能提高的同时保持良好的混频性能。
技术方案：本发明提供了一种太赫兹基波混频模块，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内分别设置结构相同的射频输入端的匹配波导、芯片通道、本振输入端的匹配波导、中频输出电路、太赫兹混频芯片和直流偏置电路；所述太赫兹混频芯片设置在所述芯片通道内，所述太赫兹混频芯片分别于所述射频输入端的匹配波导、本振输入端的匹配波导和中频输出电路连接，所述直流偏置电路通过去耦电容与所述太赫兹混频芯片连接。
进一步，所述混频芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的太赫兹肖特基管对、射频输入端的波导微带过渡、本振输入端的波导微带过渡、中频高低阻低通滤波器、第一梁式引线和第二梁式引线；所述芯片本体的两条长边分别通过第一梁式引线和第二梁式引线固定在芯片通道内，太赫兹肖特基管对的两端连接到金属上基座或金属下基座上以形成直流和射频回路，所述射频输入端的波导微带过渡和所述本振输入端的波导微带过渡分别设置于太赫兹肖特基管对的两侧，所述本振输入端的波导微带过渡和中频高低阻低通滤波器相连，中频高低阻低通滤波器和中频输出电路相连以进行中频输出，射频输入端的波导微带过渡和输入波导结构相连，本振输入端的波导微带过渡和输出波导结构相连。
进一步，所述去耦电容为设置在混频芯片的片上电容，去耦电容设置在第一梁式引线上。
进一步，所述中频输出电路包括第一微带电路、第二微带电路、第一芯片电容和多段键合金丝，所述第一微带电路、第二微带电路和第一芯片电容依次通过键合金丝连接，所述第一芯片电容通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片连接。
进一步，所述直流偏置电路包括第三微带电路、第四微带电路、第二芯片电容和多段键合金丝，所述第三微带电路、第四微带电路和第二芯片电容依次通过键合金丝连接，所述第二芯片电容通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片连接。
进一步，所述太赫兹混频芯片为砷化镓薄膜，太赫兹混频芯片的厚度为10～15μm，这样有助于降低信号传输损耗。
进一步，所述太赫兹肖特基管对的拓扑结构为串联结构。这样利于实现杂波抑制。
进一步，所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接法兰盘，所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接。这样能够实现与外部其他部件的连接。
进一步，所述金属上基座和金属下基座上分别设有中频输出SMA连接器，所述中频输出SMA连接器和中频输出电路相连。
进一步，所述金属上基座和金属下基座上分别设有直流馈电SMA连接器，所述直流馈电SMA连接器和直流偏置电路相连。
混频芯片及其部件的制作工艺选用电子束光刻(EBL，electronic beamlithography)、电感耦合反应离子刻蚀(ICP Etching，inductively coupled plasmareactive ion etching)、分子束外延(MBE，Molecular beam epitaxy)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)中的任一种。
工作原理：本发明的本振输入以及射频输入耦合采用损耗较小的波导微带过渡方式，混频芯片上太赫兹肖特基管对采用平衡电路结构，利于实现杂波抑制。通过增加太赫兹肖特基管对的数目，提高对输入功率的承载能力，太赫兹肖特基串联管对完成射频信号与本振信号的基波混频，得到两者的差频也即中频信号。混频芯片长边两侧经第一梁式引线及第二梁式引线固定在芯片通道内，并由第一梁式引线提供直流回路和射频回路，太赫兹肖特基串联管对经由去耦电容提供直流偏置，经芯片电容直流供电。其中，射频及本振两路输入经由各自不同的通路完成信号传输。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于太赫兹集成电路微纳制备技术，结构紧凑、安装简便、集成度高，易于定位及控制装配误差；而且本发明在进行混频电路设计时，综合考虑电路匹配与电路结构优化的协同设计，提高了混频性能，混频损耗小的特点；再者，由于避免本振信号和射频信号经由同一端口注入，从而提高了射频本振隔离性能；同时本发明生产成本低，一致性好，便于规模制造。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是金属下基座的立体示意图；
图3是金属下基座的俯视图；
图4是本发明中混频芯片处的局部放大图；
图5是本发明中混频芯片的结构示意图；
图6是太赫兹肖特基管对的局部示意图；
图7是本发明提供的太赫兹基波混频模块的损耗结果。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2和图3所示，本实施例包括金属上基座1和金属下基座2，金属上基座1和金属下基座2形成的腔体内分别设置结构相同的射频输入端的匹配波导3、芯片通道4、本振输入端的匹配波导5、中频输出电路6、混频芯片7和直流偏置电路8；其中，太赫兹混频芯片设置在所述芯片通道内并安装在金属基座上，太赫兹混频芯片7分别于所述射频输入端的匹配波导3、本振输入端的匹配波导5和中频输出电路6连接，直流偏置电路8通过去耦电容与所述太赫兹混频芯片7连接；去耦电容78为设置在混频芯片7的片上电容。为实现与外部其他部件的连接，金属上基座1和金属下基座2的两侧分别设置连接法兰盘9。金属上基座1和金属下基座2通过定位销10连接，通过定位销10实现固定定位。金属上基座1和金属下基座2上分别设有中频输出SMA连接器11和直流馈电SMA连接器12，中频输出SMA连接器11和中频输出电路6相连；直流馈电SMA连接器12和直流偏置电路8相连。
本实施例中芯片通道4、射频输入端的匹配波导3、本振输入端的匹配波导5、中频输出电路6、直流偏置电路8是在金属上下基座上通过精密数控铣(CNC Milling，Computerized Numerical Control Milling)的方式得到。金属上基座1和金属下基座2为铝制成，其他实施例中可以选择铜，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金得到。
如图4所示，中频输出电路6包括第一微带电路61、第二微带电路62、第一芯片电容64和多段键合金丝，第一微带电路61、第二微带电路62和第一芯片电容64依次通过键合金丝连接，第一芯片电容64通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片7连接。直流偏置电路8包括第三微带电路81、第四微带电路82、第二芯片电容65和多段键合金丝，第三微带电路81、第四微带电路82和第二芯片电容65依次通过键合金丝连接，第二芯片电容65通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片7连接。其中，第一微带电路61，第二微带电路62，三微带电路81和第四微带电路82的宽度均为50～200μm。第二芯片电容65的容值50～200pF。
如图5和图6所示，混频芯片7包括芯片本体71和分别设置于芯片本体71上的太赫兹肖特基管对72、本振输入端的波导微带过渡73、射频输入端的波导微带过渡74、中频高低阻低通滤波器75、第一梁式引线76和第二梁式引线77；芯片本体71的长边两侧分别通过第一梁式引线76和第二梁式引线77固定在芯片通道4内，太赫兹肖特基管对72的两端连接到金属上基座1或金属下基座2上以形成直流和射频回路，射频输入端的波导微带过渡74和本振输入端的波导微带过渡73分别设置于太赫兹肖特基管对72的两侧，本振输入端的波导微带过渡73和中频高低阻低通滤波器75相连，中频高低阻低通滤波器75和中频输出电路6中的第一芯片电容64通过键合金丝相连以进行中频输出，射频输入端的波导微带过渡74和射频输入端的匹配波导3相连，本振输入端的波导微带过渡73和本振输入端的匹配波导5相连。本实施例的太赫兹肖特基管对72的拓扑结构为串联结构，利于实现杂波抑制，太赫兹肖特基管对72可以为1～4对。
本实施例中，混频芯片7及其部件的制作工艺选用电子束光刻制成。本实施例的薄膜芯片7面积为280um×850um，厚度12um，金属上基座1和下基座的总尺寸为27mm×30mm×25mm。本实施例的混频芯片7为砷化镓薄膜。
其中，混频芯片7和芯片通道4主要是负责信号的耦合、传输、混频等工作。混频芯片7通过第一梁式引线76和第二梁式引线77定位及固定。同时第一梁式引线76用于连接太赫兹肖特基管对72和对应的金属基座以形成直流和射频回路，第二梁式引线77经由去耦电容至直流偏置电路8，以连接直流馈电SMA连接器12完成直流偏置电路连接。中频高低阻低通滤波器75和中频输出电路6相连以进行中频输出。射频输入端的波导微带过渡74用于把输入射频功率耦合到太赫兹肖特基管对72，本振输入端的波导微带过渡73用于把输入本振功率耦合到太赫兹肖特基管对72，由太赫兹肖特基管对72混频出的中频信号经中频高低阻低通滤波器75传输到中频输出电路6，最后经中频输出SMA连接器11。射频及本振两路输入经由各自不同的通路完成信号传输。
如图7所示，从曲线可见20GHz射频带宽范围内混频损耗低于-10dB，结果表明，在380GHz到400GHz频段上保持相当高的混频特性，性能优良。

Claims (9)

1.一种太赫兹基波混频模块，其特征在于，包括金属上基座（1）和金属下基座（2），金属上基座（1）和金属下基座（2）形成的腔体内分别设置结构相同的射频输入端的匹配波导（3）、芯片通道（4）、本振输入端的匹配波导（5）、中频输出电路（6）、太赫兹混频芯片（7）和直流偏置电路（8）；所述太赫兹混频芯片（7）设置在所述芯片通道（4）内，所述太赫兹混频芯片（7）分别于所述射频输入端的匹配波导（3）、本振输入端的匹配波导（5）和中频输出电路（6）连接，所述直流偏置电路（8）通过去耦电容（78）与所述太赫兹混频芯片（7）连接；所述混频芯片（7）包括芯片本体（71）和分别设置于芯片本体（71）上的太赫兹肖特基管对（72）、本振输入端的波导微带过渡（73）、射频输入端的波导微带过渡（74）、中频高低阻低通滤波器（75）、第一梁式引线（76）和第二梁式引线（77）；所述芯片本体（71）的两条长边分别通过第一梁式引线（76）和第二梁式引线（77）固定在芯片通道（4）内，太赫兹肖特基管对（72）的两端连接到金属上基座（1）或金属下基座（2）上以形成直流和射频回路，所述射频输入端的波导微带过渡（74）和所述本振输入端的波导微带过渡（73）分别设置于太赫兹肖特基管对（72）的两侧，所述本振输入端的波导微带过渡（73）和中频高低阻低通滤波器（75）相连，中频高低阻低通滤波器（75）和中频输出电路（6）相连以进行中频输出，射频输入端的波导微带过渡（74）和射频输入端的匹配波导（3）相连，本振输入端的波导微带过渡（73）和本振输入端的匹配波导（5）相连。
2.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述去耦电容（78）为设置在混频芯片（7）的片上电容，所述去耦电容（78）设置在第一梁式引线（76）上。
3.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述中频输出电路（6）包括第一微带电路（61）、第二微带电路（62）、第一芯片电容（64）和多段键合金丝，所述第一微带电路（61）、第二微带电路（62）和第一芯片电容（64）依次通过键合金丝连接，所述第一芯片电容（64）通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片（7）连接。
4.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述直流偏置电路（8）包括第三微带电路（81）、第四微带电路（82）、第二芯片电容（65）和多段键合金丝，所述第三微带电路（81）、第四微带电路（82）和第二芯片电容（65）依次通过键合金丝连接，所述第二芯片电容（65）通过键合金丝与所述太赫兹混频芯片（7）连接。
5.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述太赫兹混频芯片（7）为砷化镓薄膜，太赫兹混频芯片（7）的厚度为10～15μm，芯片减薄有助于降低信号传输损耗。
6.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述太赫兹肖特基管对（72）的拓扑结构为串联结构。
7.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）的两侧分别设置连接法兰盘，所述金属上基座（1）和金属下基座（2）通过定位销（10）连接。
8.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）上分别设有中频输出SMA连接器（11），所述中频输出SMA连接器（11）和中频输出电路（6）相连。
9.根据权利要求1所述的太赫兹基波混频模块，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）上分别设有直流馈电SMA连接器（12），所述直流馈电SMA连接器（12）和直流偏置电路（8）相连。
CN201510443633.4A 2015-07-24 2015-07-24 一种太赫兹基波混频模块 Active CN105007045B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510443633.4A CN105007045B (zh) 2015-07-24 2015-07-24 一种太赫兹基波混频模块

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510443633.4A CN105007045B (zh) 2015-07-24 2015-07-24 一种太赫兹基波混频模块

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105007045A CN105007045A (zh) 2015-10-28
CN105007045B true CN105007045B (zh) 2018-05-04

Family

ID=54379594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510443633.4A Active CN105007045B (zh) 2015-07-24 2015-07-24 一种太赫兹基波混频模块

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105007045B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112803897B (zh) * 2020-12-30 2022-11-18 四川德骏智造科技有限公司 一种太赫兹基波混频模块
CN116914391B (zh) * 2023-09-13 2023-11-28 电子科技大学 一种适用于二维阵列布局的太赫兹波导混频器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101609916A (zh) * 2009-06-18 2009-12-23 电子科技大学 一种星形结构的18-40GHz双平衡混频器
CN102394568A (zh) * 2011-10-19 2012-03-28 电子科技大学 一种w波段宽带混频器
CN102946228A (zh) * 2012-11-19 2013-02-27 东南大学 基于y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路
CN102969976A (zh) * 2012-11-19 2013-03-13 东南大学 紧凑型太赫兹功率合成倍频电路
CN104467681A (zh) * 2014-11-06 2015-03-25 电子科技大学 基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6876272B2 (en) * 2001-10-23 2005-04-05 Wavestream Wireless Technologies Reflection-mode, quasi-optical grid array wave-guiding system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101609916A (zh) * 2009-06-18 2009-12-23 电子科技大学 一种星形结构的18-40GHz双平衡混频器
CN102394568A (zh) * 2011-10-19 2012-03-28 电子科技大学 一种w波段宽带混频器
CN102946228A (zh) * 2012-11-19 2013-02-27 东南大学 基于y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路
CN102969976A (zh) * 2012-11-19 2013-03-13 东南大学 紧凑型太赫兹功率合成倍频电路
CN104467681A (zh) * 2014-11-06 2015-03-25 电子科技大学 基于单片集成电路的太赫兹分谐波倍频混频装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN105007045A (zh) 2015-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN206922720U (zh) 基于肖特基二极管的太赫兹谐波混频器
CN107370458A (zh) 一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路
WO2018090434A1 (zh) 一种宽带高效集成本振的t形太赫兹混频器
CN104362421A (zh) 一种单基片集成的太赫兹前端
CN105048967A (zh) 一种340GHz八次谐波混频器
US9118099B2 (en) Balun circuit using a defected ground structure
CN102969976B (zh) 紧凑型太赫兹功率合成倍频电路
CN106301230B (zh) 一种基于厚基板肖特基二极管cpw集成单平衡混频器
GB2561205A (en) Subharmonic mixer
Siegel et al. Measurements on a 215-GHz subharmonically pumped waveguide mixer using planar back-to-back air-bridge Schottky diodes
CN104378131A (zh) 一种太赫兹接收前端及其实现方法
CN207010630U (zh) 一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路
CN105007045B (zh) 一种太赫兹基波混频模块
CN105141260A (zh) 一种420GHz十次谐波混频器
CN210111947U (zh) 一种l波段超低相位噪声多点捷变频频率源系统
Hassona et al. Nongalvanic generic packaging solution demonstrated in a fully integrated D-band receiver
CN105207624A (zh) 一种基于倍频链路一体化结构的太赫兹频段本振源
CN102946228B (zh) 基于y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路
CN107911177B (zh) 太赫兹小型化多功能集成接收机前端
CN105024647B (zh) 一种全波段太赫兹三倍频模块
He et al. A broadband 630–720 GHz Schottky based sub-harmonic mixer using intrinsic resonances of hammer-head filter
CN110932672B (zh) 全频段太赫兹四倍频模块
CN109617621A (zh) 可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端
CN202918243U (zh) 紧凑型太赫兹功率合成倍频电路
US20230238998A1 (en) Hetero-integrated terahertz low-noise miniaturized image frequency rejection transceiver front-end

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant