CN105141260A - 一种420GHz十次谐波混频器 - Google Patents

一种420GHz十次谐波混频器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种420GHz十次谐波混频器，包括依次连接的射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、本振波导-悬置微带过渡结构、本振输入波导、中频滤波器，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、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；所述射频抑制低通滤波器为宽阻带的9阶CMRC低通滤波器。本发明采用十次谐波混频形式，大大降低了本振频率，同时采用9阶CMRC低通滤波器有效减短电路尺寸。

Description

一种420GHz十次谐波混频器
技术领域
本发明涉及混频器，具体为一种420GHz十次谐波混频器。
背景技术
太赫兹科学技术是近二十年来迅速发展的一个研究方向，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。
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。
长期以来的观测和实验证实，在频率0.2THz～0.3THz之间，电磁波的大气衰减比较低，但达到0.3THz波段后，大气衰减随着频率的升高迅速上升，只有中心频率0.34THz,0.42THz,0.67THz和0.86THz等附近有相对透明的大气窗口。因此太赫兹通信、雷达等应用都围绕在这些大气窗口频率附近开展。
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一，420GHz频率附近的混频器也大都采用分谐波混频型式，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，也有使用两块以上基片相互连接形成整体电路的形式，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，而不同基片的互联会引入装配误差。电路中的滤波器往往采用最简单的阶跃阻抗滤波器的形式，这种结构的滤波器长度较长，使整体电路变长；同时阶跃阻抗滤波器阻带较窄，所以如果谐波次数高，必然造成杂波信号的泄露，变相的会减少中频信号的输出能量。实际使用这些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，而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，所以一般都需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中的缺点提供一种420GHz十次谐波混频器，其特征在于：
包括依次连接的射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、本振波导-悬置微带过渡结构、本振输入波导、中频滤波器，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、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；所述射频抑制低通滤波器为9阶CMRC低通滤波器。
本发明中，所述混频器中电路结构印制于一块石英基板上。
所述射频波导-悬置微带过渡结构包括波导短路面、探针、悬置微带线信号输出端口及直流接地端，其中，波导短路面、探针与射频输入波导共同调节构成射频波导与悬置微带转换结构，而直流接地端作为中频接地端。
本发明提供一种420GHz十次谐波混频器，采用十次谐波混频形式，大大降低了本振频率，仅为基波混频器本振频率的十分之一，使得工作中无需另外设计本振源；同时本发明采用9阶CMRC结构低通滤波器作为射频抑制低通滤波器，能够有效减短电路尺寸，且插损小、带外抑制度好；同时，该9阶CMRC低通滤波器通过不同单元对不同频段的阻带作用级联后有效拓宽滤波器阻带，形成一种宽阻带滤波器，反射了大部分谐波信号，而本振及中频信号则顺利的通过，达到了反射杂波信号以增强中频信号的目的。另外，本发明通过有效减小混频器的电路尺寸，使得整个混频器电路结构能够印制于一块石英基板上，避免了不同基片互联装配时产生的误差。
附图说明
图1为本发明420GHz十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为本振波导-悬置微带过渡结构、6为本振输入波导、7为中频滤波器。
图2为本发明射频端波导-悬置微带过渡结构示意图，其中，2-1为直流接地端、2-2为波导短路面、2-3为探针、2-4为悬置微带线信号输出端口。
图3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4为本发明射频抑制低通滤波器结构示意图。
图5为本发明实施例中射频抑制低通滤波器S参数仿真曲线。
图6为本发明实施例中射频抑制低通滤波器尺寸示意图。
图7为本发明射频本振-中频双工器结构示意图。
图8为本发明提供420GHz十次谐波混频器腔体结构示意图。
图9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
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例是一种工作于420GHz的十次谐波混频器，其结构如图1所示，从左到右分别为WR-2.2射频输入波导口1，射频波导-悬置微带过渡探针2，二极管及其匹配电路3，射频抑制低通滤波器4，本振波导-悬置微带过渡探针5，本振输入波导6，中频滤波器7，采用一块完整的石英基片印制整个电路，避免不同基片互联装配时产生的误差，主体电路长约9.2mm，宽0.26mm。
工作时，射频信号从WR-2.2射频输入波导口1馈入，经过射频波导-悬置微带过渡探针2把能量传输到悬置微带线上，然后通过二极管输入匹配电路进入二极管3，同时本振信号由Q波段波导6馈入，经过本振-悬置微带过渡探针5，射频抑制滤波器4和匹配电路进入二极管与射频信号进行混频，产生各种混频信号，这些信号向二极管对两端输出，射频端由于存在波导，高通特性使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，向另一端传输的信号进过射频抑制滤波器，高于本振频率的信号被反射回二极管继续混频，中频信号则通过滤波器向中频输出端口传输，而中频滤波器7的作用为抑制本振信号的泄露，与本振本振-悬置微带过渡探针5和Q波段波导6形成本振-中频双工器。
下面就本实施例中各部分具体说明：
1、射频端波导-悬置微带过渡结构
射频端的过渡结构如图2所示，采用悬置微带线结构，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。本实施例中波导选用WR-2.2标准波导口径，射频端波导-悬置微带过渡结构共用射频输入波导1，与波导短路面2-2和探针2-3共同调节形成波导与悬置微带线的转换结构，端口2-4即为悬置微带线信号输出端口，而直流接地端2-1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。
此过渡金属部分结构尺寸为：探针长0.21mm，探针宽0.1mm，匹配节长0.04mm，宽0.04mm，直流接地线长0.09mm，宽0.01mm；波导短路面距线中心0.24mm，基板处腔体宽0.26mm。
2、表面通道型平面肖特基反向并联二极管对模型
本实施例采用表面通道型平面肖特基反向并联二极管对，其模型如图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，该反向管对结构可以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。二极管使用倒贴安装的方式表贴于基片上，使用导电材料与电路连接。
3、射频抑制低通滤波器
本实施例中射频抑制低通滤波器结构如图4所示，采用9阶CMRC低通滤波器，其枝节长度逐级递增，通过不同单元对不同频段的阻带作用级联后降低高频段的寄生通带通过的能量，在较短的尺寸下形成很宽的阻带，其S参数仿真曲线如图5所示，能够得到其阻带可以从100GHz左右直到500GHz以上，反射了大部分谐波信号，而本振及中频信号可以顺利的通过，这就达到了反射杂波信号以增强中频信号的目的。此滤波器使用悬置微带线结构，Q值高，损耗小；本实施例中滤波器具体尺寸如图6所示。
4、射频本振-中频双工器
本振-中频双工器结构如图7所示，左侧端口连接射频抑制滤波器，中间波导口为Q波段本振信号输入端，而右侧为中频输出端口，本振信号输入端口与中频输出端口间由中频滤波器连接，其中本振传输线依旧采用悬置微带线结构以减少传输线损耗，而中频端采用结构相对紧凑的微带线形式，中频滤波器阻止本振信号向中频输出口的泄露，而二极管产生的中频信号则可以经中频滤波器输出。
双工器金属部分尺寸为：探针长2.05mm，探针宽0.22mm，中频滤波器高阻线宽0.01mm，第一节高阻线长1.92mm，工字型单元总长1.21mm，总宽0.22mm，较大矩形窄边0.06mm上下矩形连接处左右长0.05mm。波导短路面距传输线中心3.02mm。
本实施例中提供420GHz十次谐波混频器以上述各组成部分分别设计完成后即可组合在一起，在整体电路中联调，本发明使用电磁场仿真软件AdvancedDesignSystem进行混频器变频损耗的仿真，如图9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混频器电路的腔体，如图8所示，方便与其他电路连接，外形及剖视图如图8所示，外部尺寸为25mm×24mm×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 (3)

1.一种420GHz十次谐波混频器，其特征在于：包括依次连接的射频输入波导、射频波导-悬置微带过渡结构、二极管、射频抑制低通滤波器、本振波导-悬置微带过渡结构、本振输入波导、中频滤波器，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、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；所述射频抑制低通滤波器为9阶CMRC低通滤波器。
2.按权利要求1所述420GHz十次谐波混频器，其特征在于，所述混频器中电路结构印制于一块石英基板上。
3.按权利要求1所述420GHz十次谐波混频器，其特征在于，所述射频波导-悬置微带过渡结构包括波导短路面、探针、悬置微带线信号输出端口及直流接地端，其中，波导短路面、探针与射频输入波导共同调节构成射频波导与悬置微带转换结构，而直流接地端作为中频接地端。
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