CN108134168B - 一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，包括用于放置电路的金属腔体、基片、射频输入电路和本振过渡电路，基片位于金属腔体内，射频输入电路和本振过渡电路位于基片上，射频输入电路和本振过渡电路之间通过本振匹配枝节进行连接，射频输入电路的输入端连接射频过渡波导，射频输入电路上设置的鳍线的分支结构直接与金属腔体相连，射频输入电路上的肖特基二极管对安装在鳍线上，鳍线的分支结构还与直流接地连接，直流接地位于射频输入电路的射频输入端。本发明采用上述结构，在射频端口采用鳍线结构，保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

Description

一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器

技术领域

本发明涉及混频器领域，具体涉及一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长在0.03mm到3mm范围，介于微波与红外之间；在波段的两端分别与毫米波和红外光重合，使太赫兹波具备了其他频段电磁波不具备的一些特点。在20世纪80年代之前，微波频段和红外频段在长足的发展之后趋于成熟；然而太赫兹波段处于宏观经典理论和微观量子理论的过渡区，同时处于电子学和光子学之间的过渡区，认知水平和研究技术手段较为有限，对于太赫兹波的研究在近20年才逐步开始，并取得了一系列成果。

由于太赫兹波的优良特性和巨大的应用价值，在过去的二十年中，世界各国在太赫兹技术领域投入了大量的人力物力进行研究，主要涉及太赫兹辐射源、材料、检测、传输器件等；太赫兹技术正从实验室走向工业领域，并实际应用于生物医疗、雷达通信等领域。尤其是美国、欧洲、日本非常重视在太赫兹技术领域的前沿研究。美国各大国家实验室以天文学、电子学、航空及空间科学中的太赫兹应用为切入口，开展了太赫兹雷达成像、星际通信、无线通信等方面的研究；欧洲在太赫兹医疗、高速通信的研究领域尤其活跃，并取得了产业化进展；亚洲各国也相继开展了太赫兹波研究工作，日本在太赫兹高速通信领域取得了显著的成绩，以NTT为代表的科技公司已大力开展研究工作。

在各应用场景中，太赫兹信号的接收技术是太赫兹系统中的关键组成，由于缺少太赫兹低噪放，混频器通常作为太赫兹接收机的第一级，是接收机系统中的核心部件，实现将太赫兹频段的信号搬移至微波毫米波频段的功能，从而对信号进行采集、分析和处理。三次谐波混频器是指将本振频率降低为工作频率(基波频率)的1/3进行混频。因为太赫兹混频时，由于工作频率高，太赫兹频率源的设计制作更加困难，不仅价格高，而且性能不稳定。通常，用于本振的太赫兹倍频源总是比混频器制作困难。在很多情况下，研制出了性能优良的肖特基二极管，但缺乏相应频率的本振驱动源。其次，为降低本振噪声，常采用平衡混频器，而毫米波、太赫兹波段，平衡混频器的结构尺寸很小，加工也困难。

而太赫兹全固态接收机的灵敏度决定了系统的性能，一般混频器采用微带线结构，由于微带线结构较为紧凑，难以与腔体直接连接，接地比较困难。目前存在的太赫兹谐波混频器大都采取偶次谐波方案，而偶次谐波混频器一般采用阻性二极管，阻性二极管承受功率能力较差，这就导致混频器的1dB压缩点较低，若射频信号较大，就会造成器件的发热，恶化混频器的性能，减少器件的寿命，甚至烧毁二极管。而奇次谐波混频器采用同向串联二极管对，在混频时会直接产生直流分量，二极管产生的直流分量需要依靠直流接地输出，接地与否决定了混频器的性能，而现有奇次混频器的共性难题是保证肖特基二极管中的直流分量良好接地，目前还没有技术能够很好的保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是保证奇次混频器中肖特基二极管中的直流分量良好接地，目的在于提供一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，在射频端口采用鳍线结构，保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，包括用于放置电路的金属腔体、基片、射频输入电路和本振过渡电路，所述基片位于金属腔体内，射频输入电路和本振过渡电路位于基片上，射频输入电路和本振过渡电路之间通过本振匹配枝节进行连接，在射频输入电路的输入端连接射频过渡波导，射频输入电路包括鳍线和肖特基二极管对，鳍线的分支结构直接与金属腔体相连，肖特基二极管对安装在鳍线上，鳍线的分支结构还与直流接地连接，直流接地位于射频输入电路的射频输入端；所述本振过渡电路从左到右依次串联连接第一横向传输线、本振低通滤波匹配线、本振匹配线、第二横向传输线、中频低通滤波匹配线和中频输出端口，第一横向传输线上设置有2个第一纵向传输线，第一横向传输线的长度方向与第一纵向传输线的长度方向垂直，第二横向传输线上设置有2个第二纵向传输线，第二横向传输线的长度方向与第二纵向传输线的长度方向垂直，第一横向传输线和第一纵向传输线构成本振低通滤波器，第二横向传输线和第二纵向传输线构成中频低通滤波器；本振端口过渡波导垂直横穿放置有本振过渡电路的金属腔，本振过渡电路上的本振匹配线部分位于本振端口过渡波导中。

本方案中的直流接地可为因肖特基二极管产生的直流信号提供回路；其中鳍线保证了射频信号以较低的损耗输入到电路中，同时鳍线的分支结构与金属腔体直接相连，保证了整体电路良好的接地；其中本振匹配枝节作为阻抗匹配网络对肖特基二极管对电路进行匹配使能量更好的传输；其中本振过渡电路通过中频滤波器和波导结构实现本振信号的输入与中频信号的输出。其中射频和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡结构到微带传输线后加载到混频二极管上；其中二极管混频产生的中频信号经本振双工器后由中频输出端口输出。

本发明在射频端口采用鳍线结构，将射频和直流接地均放置在射频输入端，在保证信号良好传输的基础上，利用鳍线的微带条带与射频过渡波导上的直流接地相连接，从而保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

鳍线包括相互连接的主体部分和分支结构，主体部分包括依次连接的输入段和输出段，输入段相邻射频过渡波导端的直径大于输入段上相邻输出段的直径，输入段两侧为内凹的弧形线，输出段为倒T字形结构。

本振匹配枝节包括依次连接的矩形传输线框、第一平行传输线和第二平行传输线，第一平行传输线之间的间距小于第二平行传输线之间的间距，矩形传输线框和输出段位于肖特基二极管对的两侧，矩形传输线框与鳍线上的输出段连接。

优选的，所述射频过渡波导内壁上涂抹接地导电胶。降低了接地导电胶对电路的影响，直流接地只需要接触到射频过渡波导内壁上涂抹接地导电胶即可接地，接地更加方便。

优选的，所述肖特基二极管对为同向串联二极管对，同向串联二极管对之间通过十字形的微带线连接。

优选的，所述基片为石英基片。

优选的，所述中频输出端口位于基板上，基板包括相互连接的两块大小不同的方形板。方形板的设置方便将该混频器与外部其它基片连接，实现仿真功能。

优选的，中频低通滤波器为CMRC低通滤波器。中频低通滤波器采用CMRC低通滤波器，在单元CMRC的基础上增加CMRC单元个数并级联，通过不同单元对不同频段的阻带作用级联后消除高频段的寄生通带，达到阻止基波信号、本振信号、射频信号的目的。同时CMRC低通滤波器的使用可以减小石英基片的横向长度。

优选的，CMRC低通滤波器的带内无分支微带线耦合结构。该结构中去掉CMRC中的带内小微带线耦合结构，使滤波器结构更加简单设计方面，且通过调节不同单元的长度来控制每个单元的抑制频段，实现寄生通带的消除。

优选的，中频低通滤波器输入端采用50欧姆微带阻抗线。

优选的，射频输入信号在射频过渡波导中以TE₁₀模式馈入到肖特基二极管对中，由肖特基二极管对产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传播。由于这两种模式的正交性，射频信号不会本振端口泄露，从而实现了本振端口和射频端口间的隔离；其中射频和本振信号可以在混频管处循环利用从而减少混频中的能量损失，提高混频效率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明在射频端口采用鳍线结构，将射频和直流接地均放置在射频输入端，在保证信号良好传输的基础上，利用鳍线的微带条带与射频过渡波导上的直流接地相连接，从而保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

2、本发明射频过渡波导内壁上涂抹接地导电胶，降低了接地导电胶对电路的影响，直流接地只需要接触到射频过渡波导内壁上涂抹接地导电胶即可接地，接地更加方便。

3、本发明中频低通滤波器采用CMRC低通滤波器，在单元CMRC的基础上增加CMRC单元个数并级联，通过不同单元对不同频段的阻带作用级联后消除高频段的寄生通带，达到阻止基波信号、本振信号、射频信号的目的。同时CMRC低通滤波器的使用可以减小石英基片的横向长度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为射频输入电路结构图；

图3为本振过渡电路结构图；

图4为射频输入电路仿真结果图；

图5为本振过渡电路仿真结果图；

图6为整体电路仿真结果图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、射频过渡波导；2、直流接地；3、鳍线；4、肖特基二极管对；5、本振匹配枝节；6、本振端口过渡波导；7、第二横向传输线；71、第二纵向传输线；72、中频低通滤波匹配线；8、中频输出端口；9、第一横向传输线；91、第一纵向传输线；92、本振低通滤波匹配线；10、本振匹配线；11、基板；12、基片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-6所示，本发明包括一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，包括用于放置电路的金属腔体、基片12、射频输入电路和本振过渡电路，所述基片12位于金属腔体内，射频输入电路和本振过渡电路位于基片12上，射频输入电路和本振过渡电路之间通过本振匹配枝节5进行连接，在射频输入电路的输入端连接射频过渡波导1，射频输入电路包括鳍线3和肖特基二极管对4，鳍线3的分支结构直接与金属腔体相连，肖特基二极管对4安装在鳍线3上，鳍线3的分支结构还与直流接地2连接，直流接地2位于射频输入电路的射频输入端；所述本振过渡电路从左到右依次串联连接第一横向传输线9、本振低通滤波匹配线92、本振匹配线10、第二横向传输线7、中频低通滤波匹配线72和中频输出端口8，第一横向传输线9上设置有2个第一纵向传输线91，第一横向传输线9的长度方向与第一纵向传输线91的长度方向垂直，第二横向传输线7上设置有2个第二纵向传输线71，第二横向传输线7的长度方向与第二纵向传输线71的长度方向垂直，第一横向传输线和第一纵向传输线构成本振低通滤波器，第二横向传输线和第二纵向传输线构成中频低通滤波器；本振端口过渡波导6垂直横穿放置有本振过渡电路的金属腔，本振过渡电路上的本振匹配线10部分位于本振端口过渡波导6中。

工作原理：射频信号通过射频过渡波导WR-4.3馈入，将此过渡将信号引入到微带线，从而传输到位于微带条带上的肖特基二极管对。微带线采用鳍线结构，利用鳍线与金属腔体直接连接，实现接地。同时本振信号通过本振端口过渡波导WR-12馈入，经此本振过渡电路将信号引入到微带线，中频低通滤波器可以通过中频信号而阻止本振信号，使本振信号集中传输向肖特基二极管对对电路进行混频。而混频产生的中频信号，经由本振过渡电路，但由于本振输入波导截止频率远高于中频频率，因而中频信号不可能进入本振端口过渡波导，只能通过中频低通滤波器将中频信号经过中频输出端口输出。本方案中微带线的屏蔽腔尺寸经过优化，能避免波导模式的出现。

太赫兹全固态接收机的灵敏度决定了系统的性能，一般混频器采用微带线结构，由于微带线结构较为紧凑，难以与腔体直接连接，接地比较困难。目前存在的太赫兹谐波混频器大都采取偶次谐波方案，而偶次谐波混频器一般采用阻性二极管，阻性二极管承受功率能力较差，这就导致混频器的1dB压缩点较低，若射频信号较大，就会造成器件的发热，恶化混频器的性能，减少器件的寿命，甚至烧毁二极管。而奇次谐波混频器采用同向串联二极管对，在混频时会直接产生直流分量，二极管产生的直流分量需要依靠直流接地输出，接地与否决定了混频器的性能，而现有奇次混频器的共性难题是保证肖特基二极管中的直流分量良好接地，目前还没有技术能够很好的保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地。

本方案中的直流接地可为因肖特基二极管产生的直流信号提供回路；其中鳍线保证了射频信号以较低的损耗输入到电路中，同时鳍线的分支结构与金属腔体直接相连，保证了整体电路良好的接地；其中本振匹配枝节作为阻抗匹配网络对肖特基二极管对电路进行匹配使能量更好的传输；其中本振过渡电路通过中频滤波器和波导结构实现本振信号的输入与中频信号的输出。其中射频和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡结构到微带传输线后加载到混频二极管上；其中二极管混频产生的中频信号经本振双工器后由中频输出端口输出。

本发明在射频端口采用鳍线结构，将射频和直流接地均放置在射频输入端，在保证信号良好传输的基础上，利用鳍线的微带条带与射频过渡波导上的直流接地相连接，从而保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

如图4，由射频输入电路仿真结果可以看出射频过渡回波损耗在频带215GHz～225GHz内基本优于10dB。良好的传输性能使得在较宽的频带范围内射频信号都能以较小的损耗加载到混频器上，为实现宽频带低损耗混频电路奠定了良好基础。

如图5，由本振过渡电路仿真结果可以看出本振过渡回波损耗也同样在标准波导WR12的频带内(65GHz～77.5GHz)实现了良好的传输性能，为实现宽频带低损耗混频电路奠定了良好基础。

将射频输入电路、本振过渡电路和二极管三维封装模型在仿真软件HFSS中的仿真结果分别导出NPN文件并导入仿真软件ADS中，通过NPN文件在ADS中构造S参数跟上诉三者一样的多端口模型，并加入二极管的仿真模型和匹配支节组成谐波混频器的整体仿真原理图，并利用谐波平衡法经行仿真。通过调节匹配支节来实现阻抗的最佳匹配，使混频器变频损耗达到最低。由于ADS仿真软件是二维仿真软件，通常应用在低频频段。在高频频段时，其仿真结果与HFSS中的仿真结果有较大的误差，因此在本发明中采用两个二端口网络代替原有的微带支节。将在HFSS中设计好的匹配支节仿真结果像射频过渡一样导出NPN文件并导入ADS，这样将匹配支节放在HFSS中设计，减小了仿真软件带来的设计误差，使设计结果更加准确。

如图6，由整体的仿真结果可以看出，设计的混频器在200GHz到225GHz范围内变频损耗小于23dB。在带内具有最好的变频损耗点在211GHz处，变频损耗为15.3dB。该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上优选如下：鳍线3包括相互连接的主体部分和分支结构，主体部分包括依次连接的输入段和输出段，输入段相邻射频过渡波导1端的直径大于输入段上相邻输出段的直径，输入段两侧为内凹的弧形线，输出段为倒T字形结构。

本振匹配枝节5包括依次连接的矩形传输线框、第一平行传输线和第二平行传输线，第一平行传输线之间的间距小于第二平行传输线之间的间距，矩形传输线框和输出段位于肖特基二极管对4的两侧，矩形传输线框与鳍线3上的输出段连接。

射频过渡波导1内壁上涂抹接地导电胶。降低了接地导电胶对电路的影响，直流接地只需要接触到射频过渡波导内壁上涂抹接地导电胶即可接地，接地更加方便。

本方案在射频端口采用上述形状的鳍线结构以及本振匹配枝节，将射频和直流接地均放置在射频输入端，在保证信号良好传输的基础上，利用鳍线的微带条带与射频过渡波导上的直流接地相连接，从而保证肖特基二极管中的直流分量能够良好接地，解决了现有奇次混频器的共性难题，该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

如图6，由整体的仿真结果可以看出，设计的混频器在200GHz到225GHz范围内变频损耗小于23dB。在带内具有最好的变频损耗点在211GHz处，变频损耗为15.3dB。该太赫兹三次谐波混频器，杂散信号少，压缩点高。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：肖特基二极管对4为同向串联二极管对，同向串联二极管对之间通过十字形的微带线连接。二极管是混频器的核心器件，它的性能好坏直接关系到变频损耗的高低和混频器的工作带宽。在太赫兹频段波长很小，二极管的封装尺寸会对其性能造成很大的影响，本方案选取级联电阻、结电容都比较小的二极管。

基片12为50um的石英基片。

所述中频输出端口8位于基板11上，基板11包括相互连接的两块大小不同的方形板。方形板的设置方便将该混频器与外部其它基片连接，实现仿真功能。

中频低通滤波器为CMRC低通滤波器。中频低通滤波器采用CMRC低通滤波器，在单元CMRC的基础上增加CMRC单元个数并级联，通过不同单元对不同频段的阻带作用级联后消除高频段的寄生通带，达到阻止基波信号、本振信号、射频信号的目的。同时CMRC低通滤波器的使用可以减小石英基片的横向长度。

CMRC低通滤波器的带内无分支微带线耦合结构。该结构中去掉CMRC中的带内小微带线耦合结构，使滤波器结构更加简单设计方面，且通过调节不同单元的长度来控制每个单元的抑制频段，实现寄生通带的消除。

中频低通滤波器输入端采用50欧姆微带阻抗线。

射频输入信号在射频过渡波导1中以TE10模式馈入到肖特基二极管对4中，由肖特基二极管对4产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传播。由于这两种模式的正交性，射频信号不会本振端口泄露，从而实现了本振端口和射频端口间的隔离；其中射频和本振信号可以在混频管处循环利用从而减少混频中的能量损失，提高混频效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，包括用于放置电路的金属腔体、基片(12)、射频输入电路和本振过渡电路，所述基片(12)位于金属腔体内，射频输入电路和本振过渡电路位于基片(12)上，射频输入电路和本振过渡电路之间通过本振匹配枝节(5)进行连接，在射频输入电路的输入端连接射频过渡波导(1)，射频输入电路包括鳍线(3)和肖特基二极管对(4)，鳍线(3)的分支结构直接与金属腔体相连，肖特基二极管对(4)安装在鳍线(3)上，鳍线(3)的分支结构还与直流接地(2)连接，直流接地(2)位于射频输入电路的射频输入端；所述本振过渡电路从左到右依次串联连接第一横向传输线(9)、本振低通滤波匹配线(92)、本振匹配线(10)、第二横向传输线(7)、中频低通滤波匹配线(72)和中频输出端口(8)，第一横向传输线(9)上设置有2个第一纵向传输线(91)，第一横向传输线(9)的长度方向与第一纵向传输线(91)的长度方向垂直，第二横向传输线(7)上设置有2个第二纵向传输线(71)，第二横向传输线(7)的长度方向与第二纵向传输线(71)的长度方向垂直，第一横向传输线和第一纵向传输线构成本振低通滤波器，第二横向传输线和第二纵向传输线构成中频低通滤波器；本振端口过渡波导(6)垂直横穿放置有本振过渡电路的金属腔，本振过渡电路上的本振匹配线(10)部分位于本振端口过渡波导(6)中；

鳍线(3)包括相互连接的主体部分和分支结构，主体部分包括依次连接的输入段和输出段，输入段相邻射频过渡波导(1)端的直径大于输入段上相邻输出段的直径，输入段两侧为内凹的弧形线，输出段为倒T字形结构；

本振匹配枝节(5)包括依次连接的矩形传输线框、第一平行传输线和第二平行传输线，第一平行传输线之间的间距小于第二平行传输线之间的间距，矩形传输线框和输出段位于肖特基二极管对(4)的两侧，矩形传输线框与鳍线(3)上的输出段连接；

所述射频过渡波导(1)内壁上涂抹接地导电胶。

2.根据权利要求1所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，所述肖特基二极管对(4)为同向串联二极管对，同向串联二极管对之间通过十字形的微带线连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，所述中频输出端口(8)位于基板(11)上，基板(11)包括相互连接的两块大小不同的方形板。

4.根据权利要求1所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，中频低通滤波器为CMRC低通滤波器。

5.根据权利要求4所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，CMRC低通滤波器的带内无分支微带线耦合结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，中频低通滤波器输入端采用50欧姆微带阻抗线。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于鳍线结构的太赫兹三次谐波混频器，其特征在于，射频输入信号在射频过渡波导(1)中以TE10模式馈入到肖特基二极管对(4)中，由肖特基二极管对(4)产生的谐波分量会沿着微带线以TEM模式传播。

Images