CN106785276A - 基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的w波段三倍频器 - Google Patents

基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的w波段三倍频器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，包括：输入波导转微带、基波低通滤波器、输入匹配电路、非线性传输线倍频电路、输出匹配电路、三次谐波带通滤波器、输出微带转波导，并依次串联并封装在波导槽内中。本发明可增加三次谐波输出带宽，有效提高三次谐波转换效率，该三倍频器无偏置电路，可有效缩小倍频器体积；能够有效反射三次谐波，抑制三次谐波在基波信号通道中传播，提高三次谐波输出功率；基波信号的输入和三次谐波信号的输出都采用波导馈电和波导微带形式过渡，减少谐波信号传输损耗，输出三次谐波纯度高，可直接供给系统使用。

Description

基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段 三倍频器
技术领域
本发明涉及微波毫米波倍频器件领域，尤其涉及一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器。
背景技术
微波技术不断向太赫兹技术的发展，意味着对所需的频率源的要求也越来越高。在振荡频率源无法满足的情况下，就必须要对低频基波进行整数倍频。低噪声、高功率、高可靠性的高频频率源在通信、导航、遥感等领域具有非常重要的意义。
目前常用的方法主要是利用二极管的非线性将低频信号源倍频至所需的高频段，其次是利用非线性传输特性来达到倍频目的。其中，二极管倍频技术常用到的二极管为肖特基二极管。肖特基二极管由于其肖特基结电容能够随着外加偏置电压的大小呈非线性变化，且寄生串联电阻小、截止频率高，在毫米波或亚毫米波频段倍频领域广泛应用。背对背结构组态的肖特基二极管具有对称的电容-电压特性，以其为非线性元件的倍频电路只产生奇次谐波，抑制二次谐波特性好，常用在微波高频段、毫米波领域。
左手传输线在不同频域段表现出不同的材料特性，在低频时呈现出相速度与群速度的传播方向相反的左手材料特性；在高频时呈现出相速度与群速度的传播方向相同的右手材料特性。将左手传输线中的串联电容替换为背对背结构组态肖特基二极管，利用肖特基二极管的高频非线性特性，提高倍频效率。利用非奇异色散特性和在电学上的高通响应特性，以及背对背肖特基二极管的高频非线性特性和奇次谐波特性的倍频电路可以在微波高频段、毫米波、甚至太赫兹波频段倍频电路中得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，利用左手传输线奇异色散特性、背对背结构组态肖特基二极管强非线性和对称电容-电压特性产生三次谐波的倍频电路。
为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：
一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，包括：输入波导转微带、基波低通滤波器、输入匹配电路、非线性传输线倍频电路、输出匹配电路、三次谐波带通滤波器、输出微带转波导。其中，基波低通滤波器、输入匹配电路、非线性传输线倍频电路、输出匹配电路、三次谐波带通滤波器和输出微带转波导依次串联并封装在波导槽内。所述基波低通滤波器的输入端连接输入波导转微带。基波信号由输入波导转微带输入，经基波低通滤波器和输入匹配电路进入非线性传输线倍频电路中，倍频电路产生的谐波信号依次经输出匹配电路和三次谐波带通滤波器，最后通过微带转波导单元输出。
进一步，所述基波低通滤波器是一款具有缺陷地结构的11阶低通滤波器，封装于波导槽内。基波低通滤波器由顶层金属层、中间介质层、底层金属层组成，三层之间相互物理连接。在顶层金属层有呈中心对称分布的5根矩形低阻抗线，低阻抗线之间通过高阻抗线连接；在顶层金属层的高阻抗线正下方所对应的底层金属层中刻蚀6个矩形窗口，6个矩形窗口的宽同为650μm，长等同于所对应的高阻抗线的长度。滤波器下方的波导槽内开一个凹槽，其长度与滤波器长度相等，宽为650μm，深度为150μm。
进一步，所述非线性传输线倍频电路由5节非线性传输线单元串联构成。所述非线性传输线单元由微带传输线、两个串联加载在微带传输线两端的背对背结构组态肖特基二极管和一个并联加载在微带传输线对称中心的矩形绕线电感组成；非线性传输线倍频电路中，输入端和输出端的非线性传输线单元中的背对背肖特基二极管被替换为其2倍零偏电容值的隔直电容。
进一步，所述非线性传输线倍频电路采用微带线结构，所述非线性传输线中背对背结构组态肖特基二极管中单个肖特基二极管电容对外加偏置电压的关系为：电流对外加偏置电压的关系为：电感为1.5圈矩形绕线形式，线宽为10μm，线间距为10μm，矩形绕线内径为40μm。
进一步，所述三次谐波带通滤波器为5阶耦合线带通滤波器，带通滤波器只传输三次谐波信号，反射输入基波信号，能有效抑制基波信号在输出通道内传播，提高倍频效率。
进一步，所述基波低通滤波器、输入匹配电路、输出匹配电路和三次谐波带通滤波器电路单元的介质基板为5mil厚的氧化铝96陶瓷基板，非线性传输线倍频电路104键合在5mil厚的氧化铝96陶瓷基板上。
采用以上技术方案的有益效果如下：
1.本发明利用左手传输线的奇异色散特性和平衡宽带结构，以及背对背结构组态肖特基二极管的强非线性和对称电容-电压特性产生三次谐波信号，可增加三次谐波输出带宽，有效提高三次谐波转换效率，该三倍频器无偏置电路，可有效缩小倍频器体积。
2.基波低通滤波器被设计为11阶带有缺陷地结构的高低阻抗低通滤波器，带内插损小，带外抑制高，特别是在三次谐波频域内抑制均大于50dB，能够有效反射三次谐波，抑制三次谐波在基波信号通道中传播，提高三次谐波输出功率。
3.所述所有倍频电路都被封装在金属波导槽120中，基波信号的输入和三次谐波信号的输出都采用波导馈电和波导微带形式过渡，减少谐波信号传输损耗。
4.本发明提供的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器能够有效抑制基波、二次谐波以及三次及以上各谐波分量，输出三次谐波纯度高，可直接供给系统使用。
附图说明
图1为基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器的结构框图；
图2为基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器的结构简图；
图3为非线性传输线倍频电路的结构简图在面AA处的横截面图；
图4(a)为基波低通滤波器的顶层结构图；
图4(b)为基波低通滤波器的底层结构图；
图4(c)为非线性传输线倍频电路的结构简图在面BB处的横截面图；
图4(d)为非线性传输线倍频电路的结构简图在面CC处的横截面图；
图5为基波低通滤波器有无缺陷地结构插入损耗对比图；
图6为输入波导-波导转微带-低通滤波器级联的插入损耗图；
图7(a)为非线性传输线单元电路图；
图7(b)为5节非线性传输单元串联构成的非线性传输线倍频电路结构图；
图8(a)为非线性传输线倍频电路制版图；
图8(b)为非线性传输线倍频电路制版图的侧视图；
图8(c)为非线性传输线倍频电路中电感线放大图；
图9为非线性传输线倍频电路的结构简图在面DD处的横截面图；
图10为输出波导级三次谐波带通滤波器插入损耗图；
图11为非线性传输线倍频电路的三次谐波输出功率图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，以下结合具体实施方式对本发明作更加详细具体的说明。
一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，包括：输入波导转微带101、基波低通滤波器102、输入匹配电路103、非线性传输线倍频电路104、输出匹配电路105、三次谐波带通滤波器106、输出微带转波导107。
如图1和图2所示，基波低通滤波器102、输入匹配电路103、非线性传输线倍频电路104、输出匹配电路105、三次谐波带通滤波器106和输出微带转波导107依次串联并封装在波导槽120内，波导槽120宽为1000μm、高为780μm的波导槽120。基波信号由输入波导转微带101输入后经过波导转微带探针110，探针连接一小段用来匹配其容性阻抗的高阻抗线111，然后经一个具有缺陷地结构的11阶基波低通滤波器112和输入匹配电路113传输到非线性传输线倍频电路114中，倍频电路产生的三次谐波信号经输出匹配电路115和三次谐波带通滤波器116后，经过一段用来匹配探针容性阻抗的高阻抗线117，最终通过探针完成微带转波导107输出。
如图3所示，在输入波导腔108中氧化铝陶瓷基板的底部没有金属地122，在波导槽120中才有。探针在输入波导腔108中，长度为输入波导腔108长度的一半，宽度为200μm。
如图4(a)所示，基波低通滤波器102是一款具有缺陷地结构的11阶低通滤波器，封装于波导槽120内。基波低通滤波器102由顶层金属层、中间介质层、底层金属层组成，三层之间相互物理连接。在顶层金属层有呈中心对称分布的五个矩形低阻抗线，低阻抗线之间通过高阻抗线连接。从左到右五个矩形低阻抗线的宽均为308μm，长分别为105μm、299μm、306μm、299μm和150μm。连接低阻抗线的高阻抗线的长度分别为150μm、333μm、356μm、356μm、333μm和150μm，宽度均为21μm。如图4(b)所示，在顶层金属层的高阻抗线正下方所对应的底层金属层中刻蚀六个矩形窗口121，六个矩形窗口的宽为650μm，长等同于所对应的高阻抗线的长度；如图4(c)所示，在滤波器下方的波导槽120内开一个凹槽123，而在图4(d)所示的地方没有凹槽123，凹槽123的长度与滤波器长度相等，宽为650μm，深度为150μm。
如图5所示，具有缺陷地结构(DGS)与不具有缺陷地结构(No DGS)的11阶低通滤波器的插入损耗对比，可见加入了缺陷地后，滤波器的性能得到很大的改善，在输入频率33-42GHz的频域内回波损耗小于30dB，在三次谐波66-80GHz的频域内的插入损耗大于50dB，具有良好的带通特性与带外抑制特性。最终级联波导转微带和低通滤波器后的性能，如图6所示，在输入频域33-40GHz内，插损小于0.45dB，在输出三次谐波频域66-80GHz内，插损均大于50dB。
如图7(a)所示，所述非线性传输线单元由微带传输线、两个串联加载在微带传输线两端的背对背结构组态肖特基二极管和一个并联加载在微带传输线对称中心的矩形绕线电感组成。如图7(b)所示，非线性传输线倍频电路104由5节非线性传输线单元串联构成，输入端和输出端的非线性传输线单元中的背对背肖特基二极管被替换为其2倍零偏电容值的隔直电容。非线性传输线倍频电路104中，所述非线性传输线倍频电路采用微带线结构，分为顶层、中间层和底层三层，顶层有中间微带传输线TL1～TL12、集总电容C1和C2、背对背结构组态肖特基二极管D1～D5、矩形绕线电感L1～L5，中间层109为介质层，底层为金属地层，顶层和底层可通过金属孔连接。所述非线性传输线中背对背结构组态肖特基二极管中单个肖特基二极管电容Cj对外加偏置电压V的关系为：电流I对外加偏置电压V的关系为：其中，fF、fA分别为电容单位飞法、电流单位飞安；电感为1.5圈矩形绕线形式，线宽为10μm，线间距为10μm，矩形绕线内径为40μm。非线性传输线倍频电路制版图，如图8(a)和图8(b)所示，微带传输线TL1和TL12的长度为100μm，宽度为10μm。微带传输线TL2～TL11的长度为89μm，宽度为12μm。电感线被设计为矩形绕线形式，如图8(c)所示，L-1线为底层微带线，一端通过将上下层连接的金属孔L-2与顶层的中间传输线连接，另一端同样通过金属孔L-3与顶层的矩形绕线L-4连接。矩形绕线的宽度为10μm，绕线间距为10μm，尾部L-5的长度为22μm，同样的方法通过金属孔L-6连接中间层109下的金属地层122，如图8(b)所示，整个电感线的电感值为12nH。
三次谐波带通滤波器为5阶耦合线带通滤波器，带通滤波器只传输三次谐波信号，反射输入基波信号，能有效抑制基波信号在输出通道内传播，提高倍频效率。
如图所9示，在输出波导腔119中氧化铝陶瓷基板的底部没有金属地122，在波导槽120中的部分才有。探针在输出波导腔119中，长度为输出波导腔119宽的一半，宽度为260μm。
基波低通滤波器102、输入匹配电路103、输出匹配电路105和三次谐波带通滤波器106电路单元的介质基板为5mil厚的氧化铝96陶瓷基板，非线性传输线倍频电路104键合在5mil厚的氧化铝96陶瓷基板上。
如图10所示，高通滤波与微带转波导级联后的插入损耗，可见在输入基频内滤波器具有大于40dB的抑制，在三次谐波频域内具有小于0.9dB的插损。
非线性传输线倍频电路的输入频率为33-40GHz，输入波导腔为WR-22；输出频率为66-80GHz，输出波导腔为WR-12。
如图11所示，本实施例的非线性传输线倍频电路谐波输出功率图。可见在三次谐波频域内，倍频器具有大于0dBm的输出，且在频点76.2GHz处达到最大输出6.243dBm，倍频效率达4.21％。本实施例的三次倍频器对基波、二次谐波和三次及以上谐波具有很高的抑制能力，抑制达80dB以上，谐波输出通道只含有三次谐波分量，三次谐波纯度高，可直接供给系统使用。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (6)

1.一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于，包括：输入波导转微带(101)、基波低通滤波器(102)、输入匹配电路(103)、非线性传输线倍频电路(104)、输出匹配电路(105)、三次谐波带通滤波器(106)、输出微带转波导(107)；其中，基波低通滤波器(102)、输入匹配电路(103)、非线性传输线倍频电路(104)、输出匹配电路(105)、三次谐波带通滤波器(106)和输出微带转波导(107)依次串联并封装在波导槽(120)内；所述基波低通滤波器(102)的输入端连接输入波导转微带(101)；基波信号由输入波导转微带(101)输入，经基波低通滤波器(102)和输入匹配电路(103)进入非线性传输线倍频电路(104)中，倍频电路产生的谐波信号依次经输出匹配电路(105)和三次谐波带通滤波器(106)，最后通过微带转波导单元(107)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于：所述基波低通滤波器(102)是一具有缺陷地结构的11阶低通滤波器；基波低通滤波器(102)由顶层金属层、中间介质层、底层金属层组成，三层之间相互物理连接；在顶层金属层有呈中心对称分布的5根矩形低阻抗线，低阻抗线之间通过高阻抗线连接；在顶层金属层的高阻抗线正下方所对应的底层金属层中刻蚀6个矩形窗口(121)，6个矩形窗口(121)的宽同为650μm，长等同于所对应的高阻抗线的长度；基波低通滤波器下方的波导槽(120)内开一个凹槽(123)，其长度与滤波器长度相等，宽为650μm，深度为150μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于：所述非线性传输线倍频电路(104)由5节非线性传输线单元串联构成；所述非线性传输线单元由微带传输线、两个串联加载在微带传输线两端的背对背结构组态肖特基二极管和一个并联加载在微带传输线对称中心的矩形绕线电感组成；非线性传输线倍频电路(104)中，输入端和输出端的非线性传输线单元中的背对背肖特基二极管被替换为其2倍零偏电容值的隔直电容。
4.根据权利要求3所述的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于：所述非线性传输线倍频电路采用微带线结构，所述非线性传输线中背对背结构组态肖特基二极管中单个肖特基二极管电容对外加偏置电压的关系为：电流对外加偏置电压的关系为：电感为1.5圈矩形绕线形式，线宽为10μm，线间距为10μm，矩形绕线内径为40μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于：所述三次谐波带通滤波器为5阶耦合线带通滤波器，带通滤波器只传输三次谐波信号，反射输入基波信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于背对背结构组态肖特基二极管和波导封装技术的W波段三倍频器，其特征在于：所述基波低通滤波器(102)、输入匹配电路(103)、输出匹配电路(105)和三次谐波带通滤波器(106)电路单元的介质基板为5mil厚的氧化铝96陶瓷基板，非线性传输线倍频电路104键合在5mil厚的氧化铝96陶瓷基板上。
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