CN106130486B - W波段及太赫兹频率低端倍频器 - Google Patents

W波段及太赫兹频率低端倍频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种W波段及太赫兹频率低端倍频器，涉及倍频器技术领域。所述倍频器包括肖特基二极管倍频电路、第一至第三5880基板电路、第一至第二石英滤波电路以及一个电容，所述第一5880基板电路的输入端与K型接头连接，所述第一5880基板电路的输出端与所述肖特基二极管倍频电路的输入端连接，所述第二5880基板电路的输出端与所述第一石英滤波电路的输入端连接，所述第一石英滤波电路的输出端为直流偏置信号输出端，所述第三5880基板电路的输出端与所述第二石英滤波电路的输入端连接。所述倍频器的倍频效率高、输出带宽宽、工艺简单、集成度高。

Description

W波段及太赫兹频率低端倍频器
技术领域
本发明涉及倍频器技术领域，尤其涉及一种具有普适性的W波段及太赫兹频率低端倍频器。
背景技术
W波段是毫米波中重要的窗口频率，该波段的收发技术研究是目前毫米波应用中的热门课题。由于其载波频率更高，W 波段可支持更大的带宽和更高的传输速率。因为大气损耗小，W 波段信号能够进行远距离传输。W波段的众多应用离不开该频段的信号源。
广义的太赫兹波频率是指100GHz到10THz，其中 1THz=1000GHz。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。而W波段是指75GHz到110GHz，可见W波段与太赫兹的低端频率有所重叠。
在W波段或者THz频率低端范围内，通常采用半导体器件倍频方法获得固态源。该方法是将毫米波通过非线性半导体器件倍频至W波段或者THz频段，具有结构紧凑、易于调节、寿命长，波形可控，常温工作等优点。利用肖特基二极管器件实现高效倍频不仅电路结构简单、倍频效率较高，还兼有振荡源具有的较高输出功率、倍频放大链高频率稳定度、低相位噪声的优点；同时肖特基二极管器件可稳定工作于30GHz~3000GHz整个毫米波及亚毫米波频段。
目前的技术发展来看，低于40GHz的信号源以及功率放大器技术是非常成熟的，因此从Ka波段通过三次倍频的技术可以实现W波段及太赫兹低端频率的信号源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有普适性的W波段及太赫兹频率低端倍频器，所述倍频器的倍频效率高、输出带宽宽、工艺简单、集成度高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：包括肖特基二极管倍频电路、第一至第三5880基板电路、第一至第二石英滤波电路以及一个电容，所述第一5880基板电路的输入端与K型接头连接，用于引入输入射频信号，所述第一5880基板电路的输出端与所述肖特基二极管倍频电路的输入端连接，所述第二至第三5880基板电路的输入端连接有SMA接头，用于引入肖特基二极管倍频电路的直流偏置信号，所述第二5880基板电路的输出端与所述第一石英滤波电路的输入端连接，所述第一石英滤波电路的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路中的GaAs太赫兹倍频二极管为反向串联连接时，第一石英滤波电路的输出端与所述肖特基二极管倍频电路的直流偏置信号输入端连接；所述第三5880基板电路的输出端与所述第二石英滤波电路的输入端连接，所述第二石英滤波电路的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路中的GaAs太赫兹倍频二极管为同向串联连接时，第二石英滤波电路的输出端经所述电容与所述肖特基二极管倍频电路的直流偏置信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管倍频电路包括第一石英基板，第一传输微带线的一端为所述倍频电路的射频信号输入端，第一传输微带线的另一端与第一低通滤波器的一端连接，第一低通滤波器的另一端依次经第一石英电路、输入射频匹配微带线、GaAs太赫兹倍频二极管与输出射频匹配微带线的一端连接，输出射频匹配微带线的另一端经第二石英电路与射频输出过度微带线的一端连接，所述第一传输微带线、第一低通滤波器、第一石英电路、输入射频匹配微带线、GaAs太赫兹倍频二极管、输出射频匹配微带线、第二石英电路以及射频输出过度微带线固定在第一石英基板上，所述射频输出过度微带线横跨在射频输出波导上。
进一步的技术方案在于：所述GaAs太赫兹倍频二极管为4阳极结同向串联肖特基二极管、6阳极结同向串联肖特基二极管、4阳极结反向串联肖特基二极管或6阳极结反向串联肖特基二极管。
进一步的技术方案在于：所述第一5880基板电路包括第一5880基板和位于第二5880基板上的第一50欧姆微带线，所述第一50欧姆微带线的一端为射频信号输入端，另一端通过金丝跳线与所述肖特基二极管倍频电路的射频信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述K型接头通过焊接射频绝缘子焊接在第一50欧姆微带线上。
进一步的技术方案在于：所述第二5880基板电路包括第二5880基板和位于第二5880基板上的第二50欧姆微带线，所述第二50欧姆微带线的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线与所述第一石英滤波电路的输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述第三5880基板电路包括第三5880基板和位于第三5880基板上的第三50欧姆微带线，所述第三50欧姆微带线的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线与所述第二石英滤波电路的输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述SMA接头通过射频绝缘子焊接在第二50欧姆微带线上。
进一步的技术方案在于：所述第一石英滤波电路包括第二石英基板以及位于第二石英基板上的第一中频滤波器电路，所述第一中频滤波器电路的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第一石英滤波电路的输出端通过金丝跳线与所述肖特基二极管倍频电路上的输入射频匹配微带线连接，用于将直流偏置信号引入所述GaAs太赫兹倍频二极管，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管为反向串联连接，位于最外侧的两个二极管的阴极接地。
进一步的技术方案在于：所述第二石英滤波电路包括第三石英基板以及位于第三石英基板上的第二中频滤波器电路，所述第二中频滤波器电路的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第二石英滤波电路的输出端通过金丝跳线与电容的一端连接，电容的另一端与所述GaAs太赫兹倍频二极管位于外侧的一个二极管的阳极连接，所述GaAs太赫兹倍频二极管位于外侧的另一个二极管的阴极接地，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管为反向串联连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述倍频器倍频效率较高，在5%到8%左右；倍频器的输出带宽宽，频率覆盖75GHz到120GHz；肖特基二极管采用倒装焊接工艺，工艺较为简单；集成度高，采用混合集成的电路，一种电路可以适配4种不同类型的二极管。
附图说明
图1是本发明实施例倍频器的第一种电路结构示意图；
图2是本发明实施例倍频器的第二种电路结构示意图；
其中：1、肖特基二极管倍频电路 101、第一石英基板102、第一传输微带线103、第一低通滤波器104、第一石英电路105、输入射频匹配微带线106、第一矩形金属块107、第二矩形金属块108、GaAs太赫兹倍频二极管109、输出射频匹配微带线110、第二石英电路111、射频输出过度微带线 112、射频输出波导 2、第一5880基板电路 201、第一5880基板 202、第一50欧姆微带线 3、第二5880基板电路 301、第二5880基板 302、第二50欧姆微带线 4、第三5880基板电路 401、第三5880基板 402、第三50欧姆微带线5、第一石英滤波电路 501、第二石英基板 502、第一中频滤波器电路 6、第二石英滤波电路 601、第三石英基板 602、第二中频滤波器电路 7、电容8、金丝跳线。
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1-2所示，本发明实施例公开了一种W波段及太赫兹频率低端倍频器，包括肖特基二极管倍频电路1、第一至第三5880基板电路、第一至第二石英滤波电路以及一个电容7。所述第一5880基板电路2的输入端与K型接头连接，用于引入输入射频信号，所述第一5880基板电路2的输出端与所述肖特基二极管倍频电路1的输入端连接；所述第二至第三5880基板电路的输入端连接有SMA接头，用于引入肖特基二极管倍频电路的直流偏置信号，所述第二5880基板电路3的输出端与所述第一石英滤波电路5的输入端连接；所述第一石英滤波电路5的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路1中的GaAs太赫兹倍频二极管108为反向串联连接时，第一石英滤波电路5的输出端与所述肖特基二极管倍频电路1的直流偏置信号输入端连接，如图1所示；所述第三5880基板电路4的输出端与所述第二石英滤波电路6的输入端连接，所述第二石英滤波电路6的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路中的GaAs太赫兹倍频二极管108为同向串联连接时，第二石英滤波电路6的输出端经所述电容7与所述肖特基二极管倍频电路1的直流偏置信号输入端连接，如图2所示。
如图1-2所示，所述肖特基二极管倍频电路1包括第一石英基板101，第一传输微带线102的一端为所述倍频电路的射频信号输入端，第一传输微带线102的另一端与第一低通滤波器103的一端连接，第一低通滤波器103的另一端依次经第一石英电路104、输入射频匹配微带线105、GaAs太赫兹倍频二极管108与输出射频匹配微带线109的一端连接，输出射频匹配微带线109的另一端经第二石英电路110与射频输出过度微带线111的一端连接；所述第一传输微带线102、第一低通滤波器103、第一石英电路104、输入射频匹配微带线105、GaAs太赫兹倍频二极管108、输出射频匹配微带线109、第二石英电路110以及射频输出过度微带线111固定在第一石英基板上，所述射频输出过度微带线111横跨在射频输出波导112上。第一低通滤波器103为7阶高低阻抗微带线，其作用是通过输入的射频信号，同时阻止输出射频信号向输入端泄露。射频信号在倍频二极管中产生各次非线性谐波，倍频电路主要是提取产生的三次谐波。射频输出波导为WM-2032矩形波导，波导a和b分别为2032微米和1016微米。
需要指出的是，GaAs太赫兹倍频二极管可以采用4阳极结同向串联肖特基二极管，可以采用6阳极结同向串联肖特基二极管，可以采用4阳极结反向串联肖特基二极管，可以采用6阳极结反向串联肖特基二极管。可以针对反向串联和同向串联二极管的特点，提供不同的直流偏置电路。
如图1-2所示，所述第一5880基板电路2包括第一5880基板201和位于第二5880基板201上的第一50欧姆微带线202。所述第一50欧姆微带线202的一端为射频信号输入端，另一端通过金丝跳线8与所述肖特基二极管倍频电路1的射频信号输入端连接。所述K型接头通过焊接射频绝缘子焊接在第一50欧姆微带线202上。50欧姆微带线主要起到传输信号和与连接器相连的作用。
由于石英电路非常脆弱，如果将石英电路与射频连接头（SMA接头）相连的话，容易引起电路出现破裂，导致整体失效，因此与射频连接器相连的部分采用5880基板。
如图1-2所示，所述第二5880基板电路3包括第二5880基板301和位于第二5880基板301上的第二50欧姆微带线302。所述第二50欧姆微带线302的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线8与所述第一石英滤波电路5的输入端连接。所述SMA接头通过射频绝缘子焊接在第二50欧姆微带线302上。
如图1-2所示，所述第三5880基板电路4包括第三5880基板401和位于第三5880基板401上的第三50欧姆微带线402。所述第三50欧姆微带线402的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线8与所述第二石英滤波电路6的输入端连接。所述SMA接头通过射频绝缘子焊接在第三50欧姆微带线402上。
如图1所示，所述第一石英滤波电路5包括第二石英基板501以及位于第二石英基板501上的第一中频滤波器电路502。所述第一中频滤波器电路502的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第一石英滤波电路5的输出端通过金丝跳线8与所述肖特基二极管倍频电路1上的输入射频匹配微带线105连接，用于将直流偏置信号引入所述GaAs太赫兹倍频二极管108，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管108为反向串联连接，位于最外侧的两个二极管的阴极接地。其中，中频滤波器电路的主要是阻止射频信号从该端口泄露。GaAs太赫兹倍频二极管最外侧的两个电极上分别连接有第一矩形金属块106和第二矩形金属块107两个金属块通过导电胶与腔体连接，实现射频和直流接地。采用附图1所示的三次倍频电路，为非平衡式倍频电路，由于肖特基二极管两端直接接地，热回路良好，有利于二极管的散热。
如图2所示，所述第二石英滤波电路6包括第三石英基板601以及位于第三石英基板601上的第二中频滤波器电路602。所述第二中频滤波器电路602的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第二石英滤波电路6的输出端通过金丝跳线8与电容7的一端连接，电容7的另一端与所述GaAs太赫兹倍频二极管108位于外侧的一个二极管的阳极连接，所述GaAs太赫兹倍频二极管108位于外侧的另一个二极管的阴极接地，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管108为反向串联连接。
如图2所示，二极管一端通过金属矩形块接地，金属块通过导电胶与腔体连接，实现射频和直流接地。肖特基二极管另一端焊接在另一金属矩形块上，金属矩形块通过金丝跳线连接一个芯片电容，芯片电容通过金丝跳线连接中频滤波器石英电路，石英基板通过金丝跳线连接5880基板，5880基板连接SMA接头。其中芯片电容的作用是对射频提供虚拟地，同时可以引入直流偏置。采用附图2所示的三次倍频电路，为平衡式倍频电路，采用平衡式倍频，可以有效抑制偶次谐波。
需要指出的是，焊接过程中均采用导电胶进行焊接。肖特基二极管采用倒装焊接的工艺。肖特基二极管采用外延层浓度为2e17cm-3浓度掺杂的肖特基二极管，阳极采用圆形直径6微米的肖特基二极管，结电容为30到40fF，电阻为2到3欧姆，这样的二极管可以承受较大的输入功率。本发明所述所有微带线的长度和宽度需要计算得出，波导槽的设计也需要计算得出，并满足倍频器的相关要求。石英电路的制作工艺已经十分成熟，石英电路基板的厚度一般为30到75微米。
所述倍频器倍频效率较高，在5%到8%左右；倍频器的输出带宽宽，频率覆盖75GHz到120GHz；肖特基二极管采用倒装焊接工艺，工艺较为简单；集成度高，采用混合集成的电路，一种电路可以适配4种不同类型的二极管。

Claims (10)

1.一种W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：包括肖特基二极管倍频电路(1)、第一至第三5880基板电路、第一至第二石英滤波电路以及一个电容(7)，所述第一5880基板电路(2)的输入端与K型接头连接，用于引入输入射频信号，所述第一5880基板电路(2)的输出端与所述肖特基二极管倍频电路(1)的输入端连接，所述第二至第三5880基板电路的输入端连接有SMA接头，用于引入肖特基二极管倍频电路的直流偏置信号，所述第二5880基板电路(3)的输出端与所述第一石英滤波电路(5)的输入端连接，所述第一石英滤波电路(5)的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路(1)中的GaAs太赫兹倍频二极管(108)为反向串联连接时，第一石英滤波电路(5)的输出端与所述肖特基二极管倍频电路(1)的直流偏置信号输入端连接；所述第三5880基板电路(4)的输出端与所述第二石英滤波电路(6)的输入端连接，所述第二石英滤波电路(6)的输出端为直流偏置信号输出端，当所述肖特基二极管倍频电路中的GaAs太赫兹倍频二极管(108)为同向串联连接时，第二石英滤波电路(6)的输出端经所述电容(7)与所述肖特基二极管倍频电路(1)的直流偏置信号输入端连接；
所述GaAs太赫兹倍频二极管最外侧的两个电极上分别连接有第一矩形金属块(106)和第二矩形金属块(107)。
2.如权利要求1所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述肖特基二极管倍频电路(1)包括第一石英基板(101)，第一传输微带线(102)的一端为所述倍频电路的射频信号输入端，第一传输微带线(102)的另一端与第一低通滤波器(103)的一端连接，第一低通滤波器(103)的另一端依次经第一石英电路(104)、输入射频匹配微带线(105)、GaAs太赫兹倍频二极管(108)与输出射频匹配微带线(109)的一端连接，输出射频匹配微带线(109)的另一端经第二石英电路(110)与射频输出过渡微带线(111)的一端连接，所述第一传输微带线(102)、第一低通滤波器(103)、第一石英电路(104)、输入射频匹配微带线(105)、GaAs太赫兹倍频二极管(108)、输出射频匹配微带线(109)、第二石英电路(110)以及射频输出过渡微带线(111)固定在第一石英基板上，所述射频输出过渡微带线(111)横跨在射频输出波导(112)上。
3.如权利要求2所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)为4阳极结同向串联肖特基二极管、6阳极结同向串联肖特基二极管、4阳极结反向串联肖特基二极管或6阳极结反向串联肖特基二极管。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述第一5880基板电路(2)包括第一5880基板(201)和位于第一5880基板(201)上的第一50欧姆微带线(202)，所述第一50欧姆微带线(202)的一端为射频信号输入端，另一端通过金丝跳线(8)与所述肖特基二极管倍频电路(1)的射频信号输入端连接。
5.如权利要求4所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述K型接头通过焊接射频绝缘子焊接在第一50欧姆微带线(202)上。
6.如权利要求1-3中任意一项所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述第二5880基板电路(3)包括第二5880基板(301)和位于第二5880基板(301)上的第二50欧姆微带线(302)，所述第二50欧姆微带线(302)的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线(8)与所述第一石英滤波电路(5)的输入端连接。
7.如权利要求1-3中任意一项所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述第三5880基板电路(4)包括第三5880基板(401)和位于第三5880基板(401)上的第三50欧姆微带线(402)，所述第三50欧姆微带线(402)的一端为直流偏置信号输入端，另一端通过金丝跳线(8)与所述第二石英滤波电路(6)的输入端连接。
8.如权利要求6所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述SMA接头通过射频绝缘子焊接在第二50欧姆微带线(302)上。
9.如权利要求2或3所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述第一石英滤波电路(5)包括第二石英基板(501)以及位于第二石英基板(501)上的第一中频滤波器电路(502)，所述第一中频滤波器电路(502)的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第一石英滤波电路(5)的输出端通过金丝跳线(8)与所述肖特基二极管倍频电路(1)上的输入射频匹配微带线(105)连接，用于将直流偏置信号引入所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)为反向串联连接，位于最外侧的两个二极管的阴极接地。
10.如权利要求2或3所述的W波段及太赫兹频率低端倍频器，其特征在于：所述第二石英滤波电路(6)包括第三石英基板(601)以及位于第三石英基板(601)上的第二中频滤波器电路(602)，所述第二中频滤波器电路(602)的两端各连接一个50欧姆微带线，所述第二石英滤波电路(6)的输出端通过金丝跳线(8)与电容(7)的一端连接，电容(7)的另一端与所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)位于外侧的一个二极管的阳极连接，所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)位于外侧的另一个二极管的阴极接地，此时，所述GaAs太赫兹倍频二极管(108)为反向串联连接。
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