CN107689776A - 太赫兹倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种太赫兹倍频器，包括：输入端波导结构、输出端波导结构和太赫兹倍频电路；输入端波导结构包括一个第一标准波导；输出端波导结构包括依次连接的至少一个第二标准波导和至少一个第一减高波导；太赫兹倍频电路包括通过传输线依次连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、肖基特二极管和第二E面微带探针。本发明可实现既减小了太赫兹倍频器输入端波导结构和太赫兹倍频电路的尺寸，以有利于太赫兹倍频器结构的小型化，同时输出端波导结构采用依次互相连接的多级波导结构减小了电路损耗。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹奇次倍频器。
背景技术
通常将频率在0.1-10THz范围内的电磁波定义为太赫兹波(THz波)，它介于毫米波和红外光之间，处于从电子学光向光子学的过渡区。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，具有频率高、带宽宽、安全性好等特点，在安检、通信、同行、雷达、射电天文中应用广泛。由于太赫兹波频频率较高，为了得到稳定可靠的信号源，常常需要利用倍频的方法获得太赫兹波，该过程通常是通过倍频器实现的。
传统的倍频器一般在输入端和输出端采用高品质因数(Q值)的矩形波导谐振腔实现肖特基二极管的阻抗匹配和滤波功能，但是这种矩形波导谐振腔的结构使得倍频器的腔体体积过大，不利于倍频器结构的小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种太赫兹奇次倍频器，以解决现有技术中矩形波导结构使得倍频器的腔体体积过大，不利于倍频器结构的小型化的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种太赫兹倍频器，包括：输入端波导结构、输出端波导结构和太赫兹倍频电路；
所述输入端波导结构包括一个第一标准波导，所述第一标准波导为所述输入端波导结构的末级波导，所述输入端波导结构的末级波导的末端为第一短路面；
所述输出端波导结构包括依次连接的至少一个第二标准波导和至少一个第一减高波导，所述输出端波导结构一端的一个第一减高波导为所述输出端波导结构的末级波导，所述输出端波导结构的末级波导的末端为第二短路面；
所述太赫兹倍频电路包括通过传输线依次连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、肖基特二极管和第二E面微带探针；
所述第一E面微带探针通过所述输入端波导结构的末级波导上设置的第一开口延伸至所述输入端波导结构内，将接收到的本振信号从输入端波导结构的腔体内耦合至所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器对所述本振信号进行高频滤波处理后发送到所述肖基特二极管，所述肖基特二极管对经过高频滤波处理的本振信号进行倍频处理后得到射频信号，并将所述射频信号发送到所述第二E面微带探针，所述第二E面微带探针通过所述输出端波导结构的末级波导上设置的第二开口延伸至所述输出端波导结构内，将所述射频信号耦合至所述输出端波导结构的腔体内。
进一步地，所述输入端波导结构还包括一个与所述第一标准波导连接的第二减高波导，所述第二减高波导为所述输入端波导结构的末级波导。
进一步地，所述输入端波导结构的末级波导的长度大于本振信号基波频率的四分之一波导波长，所述第一开口位于所述输入端波导结构的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，所述第一开口与所述第一短路面的间距为信号基波频率的四分之一波导波长；
所述输出端波导结构的末级波导的长度大于本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长，所述第二开口位于所述输出端波导结构的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，所述第二开口与所述第二短路面的间距为本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长。
进一步地，所述太赫兹倍频电路还包括：输入匹配电路；
所述输入匹配电路的输入端与所述第一低通滤波器的输出端连接；所述输入匹配电路的输出端与所述肖基特二极管连接。
进一步地，所述的太赫兹倍频器，还包括偏置电路，所述偏置电路包括接入直流电源的偏置电路带线和第二低通滤波器；所述偏置电路带线的输出端与所述第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端与所述E面微带探针的另一端连接。
进一步地，所述偏置电路的外部设有偏置电路腔体。
进一步地，所述太赫兹倍频电路外部设置电路主腔体。
进一步地，所述肖基特二极管通过接地金属与所述电路主腔体连接。
进一步地，所述第一低通滤波器为5阶或7阶高低阻抗微带线。
进一步地，所述输入端波导结构与所述输出端波导结构的各级波导的E面重合。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例提供的太赫兹倍频器包括：输入端波导结构、输出端波导结构和太赫兹倍频电路；所述输入端波导结构包括一个第一标准波导，所述第一标准波导为所述输入端波导结构的末级波导，所述输入端波导结构的末级波导的末端为第一短路面；所述输出端波导结构包括依次连接的至少一个第二标准波导和至少一个第一减高波导，所述输出端波导结构一端的一个第一减高波导为所述输出端波导结构的末级波导，所述输出端波导结构的末级波导的末端为第二短路面；所述太赫兹倍频电路包括通过传输线依次连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、肖基特二极管和第二E面微带探针；所述第一E面微带探针通过所述输入端波导结构的末级波导上设置的第一开口延伸至所述输入端波导结构内，将接收到的本振信号从输入端波导结构的腔体内耦合至所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器对所述本振信号进行高频滤波处理后得到射频信号，并将所述射频信号发送到所述肖基特二极管，所述肖基特二极管对经过高频滤波处理的本振信号进行倍频处理后发送到所述第二E面微带探针，所述第二E面微带探针通过所述输出端波导结构的末级波导上设置的第二开口延伸至所述输出端波导结构内，将射频信号耦合至所述输出端波导结构的腔体内。由于输入端波导结构包括一个标准波导，且太赫兹倍频电路采用传输线连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、输入匹配电路、肖特基二极管和第二E面微带探针的平面传输线结构，来实现本振信号的滤波和肖特基二极管的输入阻抗匹配，减小了太赫兹倍频器输入端波导结构的尺寸，有利于倍频器的小型化，同时输出端采用具有高Q值的依次互相连接的多级波导结构，与第二E面微带探针一起实现输出的射频信号的滤波和肖特基二极管的输出阻抗匹配，减小了倍频电路的尺寸同时降低了电路损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的太赫兹倍频器的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的太赫兹倍频器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的肖特基二极管的两种等效电路的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参考图1，图1为本发明一个实施例提供的太赫兹倍频器的结构示意图，本实施例的太赫兹倍频器包括：
输入端波导结构101、输出端波导结构102和太赫兹倍频电路103。
输入端波导结构101包括一个第一标准波导1011，第一标准波导1011为输入端波导结构101的末级波导，输入端波导结构101的末级波导的末端为第一短路面。
输出端波导结构102包括依次连接的至少一个第二标准波导1021和至少一个第一减高波导1022，输出端波导结构102一端的一个第一减高波导1022为输出端波导结构102的末级波导，输出端波导结构102的末级波导的末端为第二短路面。
太赫兹倍频电路103包括通过传输线依次连接的第一E面微带探针1031、第一低通滤波器1034、肖基特二极管1032和第二E面微带探针1033。
其中，第一E面微带探针1031通过输入端波导结构101的末级波导上设置的第一开口1012延伸至输入端波导结构101内，将接收到的本振信号从输入端波导结构101的腔体内耦合至第一低通滤波器1034，第一低通滤波器1034对本振信号进行高频滤波处理后发送到肖基特二极管1032，肖基特二极管1032对经过高频滤波处理的本振信号进行倍频处理后得到射频信号，并将所述射频信号发送到第二E面微带探针1033，第二E面微带探针1033通过输出端波导结构的末级波导上设置的第二开口1023延伸至输出端波导结构102内，将本振信号经过肖基特二极管1032倍频处理后的得到的射频信号耦合至输出端波导结构102的腔体内。
从上述实施例可知，本发明实施例提供的太赫兹倍频器，由于输入端波导结构包括一个标准波导，且太赫兹倍频电路采用传输线连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、输入匹配电路、肖特基二极管和第二E面微带探针的平面传输线结构，来实现本振信号的滤波和肖特基二极管的输入阻抗匹配，减小了太赫兹倍频器输入端波导结构的尺寸，有利于倍频器的小型化，同时输出端采用具有高Q值的依次互相连接的多级波导结构，与第二E面微带探针一起实现输出的射频信号的滤波和肖特基二极管的输出阻抗匹配，减小了倍频电路的尺寸同时降低了电路损耗。
参考图2，图2为本发明另一个实施例提供的太赫兹倍频器的结构示意图，在上述实施例的基础上，输入端波导结构101还包括一个与第一标准波导1011连接的第二减高波导1013，第二减高波导1013为输入端波导结构101的末级波导。其中，第一标准波导1011可以是WR-28矩形波导，第二减高波导1013为一级减高波导。通过增设一级减高波导以保证本振信号最大限度进入输入端波导结构。
进一步地，参考图2，输入端波导结构101的末级波导的长度大于本振信号基波频率的四分之一波导波长，第一开口1012位于输入端波导结构101的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，第一开口1012与第一短路面的间距为信号基波频率的四分之一波导波长；输出端波导结构102的末级波导的长度大于本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长，第二开口1023位于输出端波导结构的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，第二开口1023与第二短路面的间距为本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长。其中，本振信号为输入端波导结构接收的信号。其中E面为矩形波导的窄面，代表电场；H面为矩形波导的宽面，代表磁场。
由于在波导结构中距离短路面四分之一波导波长处的电场最强，因此将第一开口与第一短路面的间距为信号基波频率的四分之一波导波长，能够保证最大限度地将将接收到的本振信号从输入端波导结构的腔体内耦合至太赫兹倍频电路；第二开口与第二短路面的间距为本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长，能够保证将本振信号经过倍频处理后的得到的射频信号最大限度地从太赫兹倍频电路耦合至输出端波导结构的腔体内。
进一步地，参考图2，太赫兹倍频电路103还包括：输入匹配电路1035；第一低通滤波器1034的输入端与第一E面微带探针1031连接，第一低通滤波器1034的输出端与输入匹配电路1035的输入端连接；输入匹配电路1035的输出端通过传输线与肖基特二极管1032连接，肖基特二极管1032与第二E面微带探针1033。其中，第一低通滤波器1034为5阶或7阶高低阻抗微带线。
通过采用第一低通滤波器、输入匹配电路、第一E面微带探针、第二E面微带探针和肖基特二极管构成的平面传输线结构，降低了太赫兹倍频电路的体积，实现了进一步的减少倍频器的结构。
进一步地，参考图2，上述太赫兹偶次平衡式倍频器还包括：偏置电路104，偏置电路104包括接入直流电源的偏置电路带线1041和第二低通滤波器1042；
偏置电路带线1041的输出端与第二低通滤波器1042的输入端连接，第二低通滤波器1042的输出端与E面微带探针1031的另一端连接。
进一步地，参考图2，偏置电路104的外部设有偏置电路腔体106。
进一步地，参考图2，太赫兹倍频电路103外部设置电路主腔体105。
进一步地，参考图2，肖基特二极管1032通过接地金属1036与电路主腔体105连接。具体的，肖基特二极管1032的两端各通过一个接地金属1035与电路主腔体105的内腔体连接。其中，接地金属1036与电路主腔体105通过导电胶(图中未示出)实现连接。肖基特二极管1032为砷化钾GaAs基倍频二极管，该GaAs基倍频二极管采用倒桩焊接形式。
需要说明的是，参考图3，图3为本发明实施例提供的肖特基二极管的两种等效电路的示意图，上述肖特基二极管1032可以包括反向串联的偶数个阳极结10321，采用倒桩安装方式。
进一步地，参考图2，输入端波导结构101与输出端波导结构102的各级波导的E面重合。其中输入端波导结构101与输出端波导结构102的各级波导的中心轴线可以重合也可以不重合。
进一步地，其中太赫兹倍频电路的基板为罗杰斯Rogers5880基板或石英基板，罗杰斯5880基板的厚度为127毫米，石英基板的厚度为30毫米至75毫米。
需要说明的是，太赫兹倍频电路的基板上的传输线均为金属金Au构成，厚度范围为2微米至4微米。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太赫兹倍频器，其特征在于，包括：输入端波导结构、输出端波导结构和太赫兹倍频电路；
所述输入端波导结构包括一个第一标准波导，所述第一标准波导为所述输入端波导结构的末级波导，所述输入端波导结构的末级波导的末端为第一短路面；
所述输出端波导结构包括依次连接的至少一个第二标准波导和至少一个第一减高波导，所述输出端波导结构一端的一个第一减高波导为所述输出端波导结构的末级波导，所述输出端波导结构的末级波导的末端为第二短路面；
所述太赫兹倍频电路包括通过传输线依次连接的第一E面微带探针、第一低通滤波器、肖基特二极管和第二E面微带探针；
所述第一E面微带探针通过所述输入端波导结构的末级波导上设置的第一开口延伸至所述输入端波导结构内，将接收到的本振信号从输入端波导结构的腔体内耦合至所述第一低通滤波器，所述第一低通滤波器对所述本振信号进行高频滤波处理后发送到所述肖基特二极管，所述肖基特二极管对经过高频滤波处理的本振信号进行倍频处理后得到射频信号，并将所述射频信号发送到所述第二E面微带探针，所述第二E面微带探针通过所述输出端波导结构的末级波导上设置的第二开口延伸至所述输出端波导结构内，将所述射频信号耦合至所述输出端波导结构的腔体内。
2.根据权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述输入端波导结构还包括一个与所述第一标准波导连接的第二减高波导，所述第二减高波导为所述输入端波导结构的末级波导。
3.根据权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，
所述输入端波导结构的末级波导的长度大于本振信号基波频率的四分之一波导波长，所述第一开口位于所述输入端波导结构的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，所述第一开口与所述第一短路面的间距为本振信号基波频率的四分之一波导波长；
所述输出端波导结构的末级波导的长度大于本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长，所述第二开口位于所述输出端波导结构的末级波导的H面径向轴线处且于轴线平行，所述第二开口与所述第二短路面的间距为本振信号经过倍频处理后产生的谐波频率的四分之一波导波长。
4.根据权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述太赫兹倍频电路还包括：输入匹配电路；
所述输入匹配电路的输入端与所述第一低通滤波器的输出端连接；
所述输入匹配电路的输出端与所述肖基特二极管连接。
5.根据权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，还包括偏置电路，所述偏置电路包括接入直流电源的偏置电路带线和第二低通滤波器；
所述偏置电路带线的输出端与所述第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端与所述E面微带探针的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述偏置电路的外部设有偏置电路腔体。
7.根据权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述太赫兹倍频电路外部设置电路主腔体。
8.根据权利要求7所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述肖基特二极管通过接地金属与所述电路主腔体连接。
9.根据权利要求4所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述第一低通滤波器为5阶或7阶高低阻抗微带线。
10.根据权利要求1至8任一项所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述输入端波导结构与所述输出端波导结构的各级波导的E面重合。
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