CN105048967A - 一种340GHz八次谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种340GHz八次谐波混频器，包括射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、悬置微带-微带互联结构、中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导；射频信号由射频输入波导输入，经过射频波导-悬置微带过渡结构耦合馈入二极管；所述中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导共同构成本振-中频双工器，本振信号依次经过双工器、悬置微带-微带互联结构、射频抑制低通滤波器后馈入二极管，所述二极管内对射频信号与本振信号进行混频并输出混频信号。本发明采用八次谐波混频形式，大大降低了本振频率，同时有效减小混频器尺寸、减低加工难度及成本。

Description

一种340GHz八次谐波混频器

技术领域

本发明涉及混频器，具体为一种340GHz八次谐波混频器。

背景技术

太赫兹(THz)波或称为太赫兹(THz)射线是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间，它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合,其发展主要依靠电子学科学技术；而它的短波段与红外线相重合,其发展主要依靠光子学科学技术,可见太赫兹波是宏观电子学向微观光子学过渡的频段,在电磁波频谱中占有很特殊的位置。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法,导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用,被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

THz科学技术综合了电子学与光子学的特色,涉及物理学、化学、光学、材料科学、微波毫米波电子学等学科,是一个典型的交叉前沿科学。在太赫兹通信、雷达、电子对抗、天文观测等应用系统中，所遇到的首要问题便是如何实现太赫兹信号的频率变换。超外差接收机的主要应用是实现频谱的向下搬移，即将较高频率的太赫兹信号经过非线性器件变换至较低频率的中频信号。混频器作为超外差接收机中的核心部件，其性能指标很大程度上决定了整个接收机系统的性能，因此太赫兹混频器对太赫兹接收机来讲至关重要。在太赫兹频段，由于基波混频器或分谐波混频器需要的高性能本振源成本高，技术难度大，使得其应用受到了限制。如何设计高性能、高可靠性的太赫兹谐波混频器是一个非常重要的课题，多年来一直是人们研究和探索的热门方向。

太赫兹谐波混频器的核心器件是混频管。目前可实现太赫兹频段混频的混频管有肖特基二极管，SIS(超导体-绝缘体-超导体)混频管，以及HEB(热电子测热辐射)混频管。后两者均要求液氦实现低温工作环境，限制了其实际应用。因此，基于肖特基二极管的太赫兹波混频技术成为主流。

目前基于肖特基势垒二极管的低噪声太赫兹混频器主要采用基波混频或者分谐波混频器的设计形式，即本振频率与射频频率相同，或者本振频率是射频频率的二分之一，在340GHz这一通信频段已报道的也几乎都是分谐波形式的混频器，其电路主要包括射频输入、二极管及其匹配电路、射频抑制滤波器、本振输入、中频滤波器、中频输出等。主体电路印制在一整块石英或砷化镓基片上，电路中的滤波器往往采用最简单的阶跃阻抗变换的形式，这种结构的滤波器长度较长，使整体电路变长；针对该问题，现有公开采用两块以上基片相互连接形成整体电路的形式来降低加工难度，一般是使用另一块石英基片完成中频滤波器电路然后与其余电路连接，或者直接取消中频滤波器直接由单独基片引出中频信号，但是由于加工工艺等限制整体电路往往全部采用微带线的形式，在高频频段微带线的损耗对信号的影响就变得很大，且后者还存在对本振及其他谐波抑制差的问题。同时，使用上述混频器都需要有一个工作于太赫兹频段的性能优良的本振信号源，但目前比较成熟的信号源大都在W波段以下，很难满足太赫兹混频器对本振的要求，所以需另外自行设计相应的本振信号发生装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种340GHz八次谐波混频器，其特征在于：

包括射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、悬置微带-微带互联结构、中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导；射频信号由射频输入波导输入，经过射频波导-悬置微带过渡结构耦合馈入二极管；所述中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导共同构成本振-中频双工器，本振信号由本振输入波导输入，依次经过双工器、悬置微带-微带互联结构、射频抑制低通滤波器后馈入二极管，所述二极管内对射频信号与本振信号进行混频并输出混频信号；所述射频波导-悬置微带过渡结构、二极管和射频抑制低通滤波器电路为悬置微带线结构、采用石英基板，所述中频滤波器和本振波导-微带过渡结构为微带线结构、采用聚四氟乙烯基板，所述悬置微带-微带互联结构采用跳金丝或者粘贴金带的形式连接所述石英基板与聚四氟乙烯基板。

本发明中，所述二极管为反向并联肖特基二极管对。

所述射频抑制低通滤波器采用工字型CMRC滤波器。

所述射频波导-悬置微带过渡结构包括减高波导、探针、波导短路面、直流接地端及悬置微带线信号输出端口，其中，减高波导与射频输入波导连接，减高波导、探针和波导短路面共同构成波导与悬置微带转换结构，而直流接地端则是中频接地端。

本发明为射频端工作于340GHz八次谐波混频器，本发明采用八次谐波混频形式，该混频器本振频率仅为射频频率的八分之一，大大降低了本振频率，使得工作中无需另外设计本振源；本发明中采用CMRC形式低通滤波器，能够有效减小了电路尺寸；同时，本发明采用悬置微带线和微带线结合的结构，通过互联结构连接，连接简单便于装配、且增加了装配时的机械强度；单独的基片较短，降低加工难度；低频端能够采用较廉价的聚四氟乙烯基片，成本低、加工难度小。

附图说明

图1为本发明340GHz八次谐波混频器结构示意图，其中，1为射频输入波导、2为射频波导-悬置微带过渡结构、3为二极管、4为射频抑制低通滤波器、5为悬置微带-微带互联结构、6为中频滤波器、7为本振波导-微带过渡结构、8为本振输入波导。

图2为本发明表面通道型平面肖特基反向并联二极管对模型示意图。

图3为本发明射频端波导-悬置微带过渡结构示意图，其中，2-1为减高波导、2-2为探针、2-3为波导短路面、2-4为直流接地端、2-5为悬置微带线信号输出端口。

图4为本发明射频抑制低通滤波器及悬置微带-微带互联结构示意图。

图5为本发明射频本振-中频双工器结构示意图。

图6为本发明提供340GHz八次谐波混频器腔体结构示意图。

图7为本发明实施例中混频器的变频损耗仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中，一种340GHz八次谐波混频器，其结构如图1所示，包括WR-2.8射频输入波导1，射频波导-悬置微带过渡结构2，二极管及其匹配电路3，射频抑制低通滤波器4，悬置微带-微带互联结构5，中频滤波器6，本振波导-微带过渡结构7，Q波段本振输入波导8。其中，射频波导-悬置微带过渡结构2，二极管及其匹配电路3，射频抑制低通滤波器4部分电路采用石英基板，悬置微带线结构；中频滤波器6，本振波导-微带过渡结构7部分采用Rogers5880基片，微带线结构；而两种基片通过互联结构5，由跳金丝或者粘贴金带的形式连接。其中，石英部分尺寸为1.8mm×0.28mm，Rogers5880部分的最大处尺寸为6.6mm×6mm。射频信号由WR2.8波导1输入，经过波导-悬置微带过渡结构2耦合到悬置微带线上，通过过渡很好的馈入反向并联肖特基二极管对上；中频滤波器6，波导-微带过渡结构7，Q波段波导8共同构成了本振-中频双工器，本振信号经过双工器，互联结构5，射频抑制滤波器4和匹配电路馈入二极管对；在管对内射频信号和本振信号进行混频，产生各种混频频率，所述混频信号向二极管对两端输出，射频端由于存在波导，射频以下频率无法通过，而比射频频率高的信号能量低，对电路影响小；向双工器端输出的各种频率信号经过射频抑制滤波器，射频信号被反射回二极管对继续混频，低于射频频率的信号可以通过，于是中频信号进入双工器通过中频低通滤波器输出。此处双工器的作用是使本振信号进入互联部分，同时使中频信号进入中频输出端而本振频率在中频滤波器被抑制，而本振的波导结构使中频信号在本振输入端被截止，可以使中频信号最大化的在中频端输出。合理设置以上结构，可以使中频输出最大化，得到最好的变频损耗。

下面对本实施例中各部分具体说明：

1、表面通道型平面肖特基反向并联二极管对模型

本实施例使用的表面通道型平面肖特基反向并联二极管对模型俯视图如图3所示，该结构包含两个对称的表面通道型平面肖特基二极管，该管对结构能够抑制混频时的奇次谐波混频频率输出，以增加偶次谐波混频能量。单个二极管由焊盘，空气通道，阳极金属桥，各参杂层，欧姆接触，二氧化硅层，半绝缘衬底等部分组成，装配时二极管采用倒贴安装的形式与传输线连接。

2、射频端波导-悬置微带过渡结构

射频端波导-悬置微带过渡结构如图3所示，采用悬置微带线结构，该传输线上电磁场大部分处于空气中，介质影响较小，相对介电常数接近1，损耗比微带线小，且特性阻抗较大，与本发明中使用的二极管匹配更容易。本发明中射频输入波导选用WR-2.8标准波导口径1，由减高波导2-1、探针2-2和波导短路面2-3共同调节形成波导与悬置微带线的转换结构，端口2-5为悬置微带线信号输出端口，而直流接地端2-4则是中频接地端，当中频输出为直流信号时，直流电路在此处构成回路。

此过渡结构金属部分结构尺寸为：探针长0.21mm，探针宽0.06mm，匹配节长0.04mm，宽0.02mm，直流接地线第一节长0.11mm，宽0.01mm，第二节长0.06mm，宽0.05mm；波导短路面距传输线中心0.25mm，波导减高面距传输线中心0.16mm，基片处腔体宽0.28mm。

3、射频抑制低通滤波器及悬置微带-微带互联结构

射频抑制低通滤波器及悬置微带-微带互联结构如图4所示。左侧射频抑制低通滤波器采用工字型CMRC滤波器，有效的减短了电路尺寸，该滤波器采用石英基板、为悬置微带线结构，Q值高、损耗小，此滤波器的作用是阻止射频信号的通过，同时允许本振和中频信号以非常低的损耗通过。右侧为本振-中频双工器，采用Rogers5880基片，通过悬置微带-微带互联结构连接石英基板与Rogers5880基片，悬置微带-微带互联结构为石英基片微带结构电路，相较于石英基片悬置微带线结构的电路，此结构增加了互联结构的机械强度，后续装配时无论使用金丝还是金带在连接时就不存在悬置微带线强度不够容易碎裂的问题。

此结构石英基片处腔体宽0.28mm，5880基片处腔体宽0.8mm，金属部分尺寸为：滤波器第一节低阻线长0.14mm，宽0.22mm，指型结构长0.05，第一节高阻线宽0.03mm，长0.14mm，低二节低阻线长0.15,mm，宽0.22mm，滤波器前后对称，指型结构突出部分长0.05mm，宽0.05mm，两种基片互联处金属长0.3mm，宽0.1mm。

4、射频本振-中频双工器

本振-中频双工器采用Rogers5880基片，加工难度小，成本低。其结构如图5所示，端口1为本振信号输入端使用Q波段标准博道口，端口2为连接上述互联结构的端口，端口3为中频信号输出端口，其中连接端口3的中频滤波器为改进型CMRC低通滤波器，阻止本振频率信号通过，允许中频频率信号通过，此CMRC低通滤波器结构相比传统阶跃阻抗低通滤波器插损小，阻带抑制度好，尺寸大大减小。

此结构金属部分尺寸：过渡探针长1.5mm，宽0.85mm，匹配节长0.4mm，宽0.2mm，中频滤波器两个谐振单元对称，高阻线线宽0.1mm，第一节高阻线长1.3mm，第二节高阻线长1.6mm，第三节高阻线长0.8mm，工字型结构上下对称，窄线宽0.1mm，左右宽1.5mm，上下0.9mm，尾端突出部分为边长0.2mm正方形。波导短路面距传输线中心2mm。探针部分腔体宽1.8mm，中频滤波器处腔体宽1.2mm。

本实施例中通过以上各组成部分分别设计完成后即可组合在一起，本发明使用电磁场仿真软件ADS进行混频器变频损耗的整体仿真优化，最终结果如下图7所示，纵坐标为变频损耗，即中频输出功率与射频输入功率的比值，单位为dB，横坐标为射频工作的频率，可以看出在很大的带宽范围内，本发明设计的混频器都有较好的结果。另外本发明还设计了安装此混频器电路的腔体图，外形及剖视图如图6所示，可以很便捷的与其他电路进行连接，外部尺寸为30mm×30mm×20mm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种340GHz八次谐波混频器，其特征在于：包括射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、悬置微带-微带互联结构、中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导；射频信号由射频输入波导输入，经过射频波导-悬置微带过渡结构耦合馈入二极管；所述中频滤波器、本振波导-微带过渡结构、本振输入波导共同构成本振-中频双工器，本振信号由本振输入波导输入，依次经过双工器、悬置微带-微带互联结构、射频抑制低通滤波器后馈入二极管，所述二极管内对射频信号与本振信号进行混频并输出混频信号；所述射频波导-悬置微带过渡结构、二极管和射频抑制低通滤波器电路为悬置微带线结构、采用石英基板，所述中频滤波器和本振波导-微带过渡结构为微带线结构、采用聚四氟乙烯基板，所述悬置微带-微带互联结构采用跳金丝或者粘贴金带的形式连接所述石英基板与聚四氟乙烯基板。

2.按权利要求1所述340GHz八次谐波混频器，其特征在于，所述二极管为反向并联肖特基二极管对。

3.按权利要求1所述340GHz八次谐波混频器，其特征在于，所述射频抑制低通滤波器采用工字型CMRC滤波器。

4.按权利要求1所述340GHz八次谐波混频器，其特征在于，所述射频波导-悬置微带过渡结构包括减高波导、探针、波导短路面、直流接地端及悬置微带线信号输出端口，其中，减高波导与射频输入波导连接，减高波导、探针和波导短路面共同构成波导与悬置微带转换结构，而直流接地端则是中频接地端。