CN107040212B - 单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，涉及多重倍频变换电路技术领域。所述电路包括石英基板鳍线电路、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管、射频输入波导和射频输出波导，所述石英基板鳍线电路包括石英电路基板和位于石英电路基板上的前侧鳍线与后侧鳍线；两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处。所述电路的射频输入输出波导可以在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单，并可以承受大功率输入，提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及多重倍频变换电路技术领域，尤其涉及一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路。
背景技术
太赫兹（THz）波从广义上来讲，是指频率在 0.1-10THz范围内的电磁波，其中1THz=1000GHz，也有人认为太赫兹频率是指0.3THz-3THz范围内的电磁波。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。
在太赫兹通信、测量等系统中，源至关重要。目前小型化、低成本的固态太赫兹倍频技术是国际上研究的热点问题，主要是采用GaAs基平面肖特基二极管作为非线性倍频器件，用以实现太赫兹频段的功率输出。基于固态电子技术对太赫兹频率源进行拓展是一种有效的方式。在电路技术的发展过程中，二次倍频技术由于其倍频效率高，得到了广泛的发展。而三次倍频技术由于其频率一次性倍乘3倍，频率提升速度更快，也受到了广泛的关注。
2000年后，有关固态倍频技术的发展非常迅速，主要有平衡式电路和非平衡式电路结构。两种电路均可通过增加肖特基二极管的数目，提高功率的承载能力，非平衡式电路较平衡式电路相比，由于肖特基二极管两端直接与腔体壁接触，散热效果更好，较平衡式电路可以承载更大的输入功率，非平衡式电路正逐渐被采用。较非平衡式电路，平衡式电路在谐波抑制上具有更加明显的优势。例如以三次倍频为例，平衡式电路可以有效抑制偶此谐波，因此频谱纯度更好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，所述电路的射频输入输出波导可以在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单，并可以承受大功率输入，提高输出功率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：包括石英基板鳍线电路、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管、射频输入波导和射频输出波导，所述石英基板鳍线电路包括石英电路基板和位于石英电路基板上的第一至第二输入鳍线和第一至第二输出鳍线，所述第一输入鳍线的一端与第一输出鳍线的一端相连接后构成前侧鳍线，所述第二输入鳍线的一端与第二输出鳍线的一端相连接连接后构成后侧鳍线，所述前侧鳍线与后侧鳍线之间保持一定的间隔，且两者之间的距离从左到右先逐渐变小，再保持一段距离不变，后逐渐变大；两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处，两个所述肖特基二极管之间为并联连接；所述石英电路基板的一端位于所述射频输入波导的波导槽内，所述石英电路基板的另一端位于所述射频输出波导的波导槽内。
进一步的技术方案在于：所述倍频电路还包括石英匹配调节介质块，所述介质块的一端通过导电胶与所述前侧鳍线电连接，所述介质块的另一端通过导电胶与所述后侧鳍线电连接。
进一步的技术方案在于：所述石英电路基板包括输入石英电路基板和输出石英电路基板，所述输入鳍线位于所述输入石英电路基板上，所述输出鳍线位于所述输出石英电路基板上。
进一步的技术方案在于：所述输入石英电路基板的宽度大于所述输出石英电路基板的宽度。
进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管的两端通过导电胶与所述鳍线实现电连接。
进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管包括四个以上相互串联的肖特基二极管结，最外侧的两个所述肖特基二极管结的两个自由端为所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的两个电极。
进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管中单个肖特基二极管结的直径为4微米，串联电阻3欧姆，结电容12fF，寄生电容3fF。
进一步的技术方案在于：所述鳍线使用Au制作，厚度为2微米至4微米。
进一步的技术方案在于：所述石英电路基板的厚度为30微米到75微米。
进一步的技术方案在于：所述石英基板鳍线电路放置在波导的b方向中心处。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与传统平衡式倍频电路相比，所述电路的射频输入输出波导在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单；可加入匹配调节介质块进行阻抗调节，提高倍频效率；二极管采用零偏置电路，不易烧毁，可靠性高；采用两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管构成反向并联的工作状态，可以承受大功率输入，提高输出功率。
附图说明
图1是本发明第一个实施例所述电路的俯视结构示意图；
图2是本发明第二个实施例所述电路的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例中所述石英基板鳍线电路的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例中所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的俯视结构示意图；
其中：1、石英基板鳍线电路11、石英电路基板111、输入石英电路基板112、输出石英电路基板12、第一输入鳍线13、第二输入鳍线14、第一输出鳍线15、第二输出鳍线2、同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管21、肖特基二极管结3、射频输入波导4、射频输出波导5、石英匹配调节介质块。
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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例公开了一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，包括石英基板鳍线电路1、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管2、射频输入波导3和射频输出波导4。如图3所示，所述石英基板鳍线电路1包括石英电路基板11和位于石英电路基板11上的第一至第二输入鳍线12，13和第一至第二输出鳍线14，15。所述第一输入鳍线12的一端与第一输出鳍线14的一端相连接后构成前侧鳍线，所述第二输入鳍线13的一端与第二输出鳍线15的一端相连接连接后构成后侧鳍线。所述前侧鳍线与后侧鳍线之间保持一定的间隔，且两者之间的距离从左到右先逐渐变小，再保持一段距离不变，后逐渐变大。
如图1所示，两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处，两个所述肖特基二极管之间为并联连接；所述石英电路基板11的一端位于所述射频输入波导3的波导槽内，所述石英电路基板11的另一端位于所述射频输出波导4的波导槽内。如图4所示，所述肖特基二极管包括四个以上相互串联的肖特基二极管结21，最外侧的两个所述肖特基二极管结的两个自由端为所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的两个电极。
与传统平衡式倍频电路相比，所述电路的射频输入输出波导在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单；二极管采用零偏置电路，不易烧毁，可靠性高；采用两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管构成反向并联的工作状态，可以承受大功率输入，提高输出功率。
实施例二
如图2所示，本发明实施例公开了一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，包括石英基板鳍线电路1、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管2、射频输入波导3、射频输出波导4和石英匹配调节介质块5。如图3所示，所述石英基板鳍线电路1包括石英电路基板11和位于石英电路基板11上的第一至第二输入鳍线12，13和第一至第二输出鳍线14，15。所述第一输入鳍线12的一端与第一输出鳍线14的一端相连接后构成前侧鳍线，所述第二输入鳍线13的一端与第二输出鳍线15的一端相连接连接后构成后侧鳍线，所述前侧鳍线与后侧鳍线之间保持一定的间隔，且两者之间的距离从左到右先逐渐变小，再保持一段距离不变，后逐渐变大。
如图2所示，两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处；所述石英电路基板11的一端位于所述射频输入波导3的波导槽内，所述石英电路基板11的另一端位于所述射频输出波导4的波导槽内。所述介质块的一端通过导电胶与所述前侧鳍线电连接，所述介质块的另一端通过导电胶与所述后侧鳍线电连接。如图4所示，所述肖特基二极管包括四个以上相互串联的肖特基二极管结21，最外侧的两个所述肖特基二极管结的两个自由端为所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的两个电极。
与传统平衡式倍频电路相比，所述电路的射频输入输出波导在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单；可加入匹配调节介质块进行阻抗调节，提高倍频效率；二极管采用零偏置电路，不易烧毁，可靠性高；采用两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管构成反向并联的工作状态，可以承受大功率输入，提高输出功率。
实施例三
如图2所示，本发明实施例公开了一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，包括石英基板鳍线电路1、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管2、射频输入波导3、射频输出波导4和石英匹配调节介质块5。如图3所示，所述石英基板鳍线电路1包括石英电路基板11和位于石英电路基板11上的第一至第二输入鳍线12，13和第一至第二输出鳍线14，15。所述第一输入鳍线12的一端与第一输出鳍线14的一端相连接后构成前侧鳍线，所述第二输入鳍线13的一端与第二输出鳍线15的一端相连接连接后构成后侧鳍线，所述前侧鳍线与后侧鳍线之间保持一定的间隔，且两者之间的距离从左到右先逐渐变小，再保持一段距离不变，后逐渐变大。
如图2所示，两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处；所述石英电路基板11的一端位于所述射频输入波导3的波导槽内，所述石英电路基板11的另一端位于所述射频输出波导4的波导槽内。所述介质块的一端通过导电胶与所述前侧鳍线电连接，所述介质块的另一端通过导电胶与所述后侧鳍线电连接。如图4所示，所述肖特基二极管包括四个以上相互串联的肖特基二极管结21，最外侧的两个所述肖特基二极管结的两个自由端为所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的两个电极。
为了更好的说明本发明，以36GHz输入，108GHz作为输出频率为例对本实施例加以说明。
附图2中射频输入波导（此处为WR28标准矩形波导）引入36GHz射频信号，石英基板鳍线电路把射频信号从输入波导中引入到石英电路进行传输，并将波导中的TE10模转换到鳍线上，实现波导模式到鳍线微带模式的变换，也实现波导到平面微带电路的阻抗变换，石英鳍线将波导中的能量集中在鳍线两侧。如附图2所示，射频输入信号经石英匹配调节介质块耦合到两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管中，二极管射频输入信号为反向并联，对射频输出端为同向串联，符合平衡式倍频电路特点。肖特基二极管两端通过导电胶与鳍线相连接，采用倒装焊接的工艺。由于肖特基二极管的非线性作用，将产生肖特基二极管的各次非线性谐波，由于平衡式工作，对偶次谐波有抑制作用，因此将只有奇次谐波输出，即3次、5次、7次等谐波输出。通过输出波导端口的鳍线过渡，将产生的偶此谐波耦合到输出波导中，进行输出，输出波导在本例中为WR10标准波导。
由于两个肖特基二极管为反向并联工作，实际应用中，两个二极管要尽量靠近。石英基板鳍线电路的输出端，设计时将主要对3次谐波进行优化设计，将3次谐波的能量耦合至最大。在实际操作中，要通过调节石英匹配调节介质块的大小和位置来来获得最高的三次倍频效率。
标准矩形波导到石英电路的过渡由鳍线实现。鳍线采用余弦平方渐变曲线的形式，过渡模型采用如下的槽宽渐变形式公式。
公式中L为鳍线渐变段长度，w为槽宽。鳍线槽宽w变小，阻抗变低，利于二极管对射频信号的匹配。传统基板传输线中的w只能达到0.1mm，当采用石英基片时，能够进行精确加工达到1um，设计的鳍线w取20um。t是以波导E面中心为原点、鳍线传输线的纵向坐标，b是减高波导高度。
石英电路基板放置在射频输入波导和射频输出波导的波导槽中，并且石英电路基板通过导电胶与实际腔体实现接地连接。石英电路基板尽量放置在波导宽度方向中心处（波导的b方向中心处）。石英电路基板的厚度一般为30到75微米。 所采用的肖特基二极管单阳极直径为4微米，串联电阻3欧姆，结电容12fF，寄生电容3fF。
与传统平衡式倍频电路相比，所述电路的射频输入输出波导在同一直线上，方便电路人员设计，同时加工更为简单；可加入匹配调节介质块进行阻抗调节，获得高效率的三次倍频；二极管采用零偏置电路，不易烧毁，可靠性高；采用两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管构成反向并联的工作状态，可以承受大功率输入，提高输出功率。
Claims (10)
1.一种单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：包括石英基板鳍线电路（1）、两个同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管（2）、射频输入波导（3）和射频输出波导（4），所述石英基板鳍线电路（1）包括石英电路基板（11）和位于石英电路基板（11）上的第一至第二输入鳍线（12，13）和第一至第二输出鳍线（14，15），所述第一输入鳍线（12）的一端与第一输出鳍线（14）的一端相连接后构成前侧鳍线，所述第二输入鳍线（13）的一端与第二输出鳍线（15）的一端相连接连接后构成后侧鳍线，所述前侧鳍线与后侧鳍线之间保持一定的间隔，且两者之间的距离从左到右先逐渐变小，再保持一段距离不变，后逐渐变大；两个所述肖特基二极管的一端与前侧鳍线电连接，两个所述肖特基二极管的另一端与后侧鳍线电连接，且所述肖特基二极管位于前侧鳍线与后侧鳍线间距离保持不变的位置处，两个所述肖特基二极管之间为并联连接；所述石英电路基板（11）的一端位于所述射频输入波导（3）的波导槽内，所述石英电路基板（11）的另一端位于所述射频输出波导（4）的波导槽内。
2.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述倍频电路还包括石英匹配调节介质块（5），所述介质块的一端通过导电胶与所述前侧鳍线电连接，所述介质块的另一端通过导电胶与所述后侧鳍线电连接。
3.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述石英电路基板（11）包括输入石英电路基板（111）和输出石英电路基板（112），所述输入鳍线位于所述输入石英电路基板（111）上，所述输出鳍线位于所述输出石英电路基板（112）上。
4.如权利要求3所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述输入石英电路基板（111）的宽度大于所述输出石英电路基板（112）的宽度。
5.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述肖特基二极管的两端通过导电胶与所述鳍线实现电连接。
6.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述肖特基二极管包括四个以上相互串联的肖特基二极管结（21），最外侧的两个所述肖特基二极管结的两个自由端为所述同向串联的GaAs基太赫兹肖特基二极管的两个电极。
7.如权利要求6所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述肖特基二极管中单个肖特基二极管结（21）的直径为4微米，串联电阻3欧姆，结电容12fF，寄生电容3fF。
8.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述鳍线使用Au制作，厚度为2微米至4微米。
9.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述石英电路基板（11）的厚度为30微米到75微米。
10.如权利要求1所述的单面石英鳍线太赫兹平衡式三次倍频电路，其特征在于：所述石英基板鳍线电路放置在波导的b方向中心处。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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