CN109150110A - 一种平面结构平衡式二倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面结构平衡式二倍频器，包括微带线网络和两个二极管，所述微带线网络由多工器网络、分支线耦合器和移相网络构成，所述两个二极管分别为第一二极管和第二二极管。本发明通过对传统的分支线耦合器进行改进，使其成为能够完成平衡式倍频所需的巴伦，从而实现了可用于太赫兹频段的平面平衡式二倍频器，从而可以大幅的降低倍频器的体积和重量，使其可以实现与其他平面电路的直接集成。

Description

一种平面结构平衡式二倍频器

技术领域

本发明属于通讯、雷达等电子器件技术领域，特别涉及一种应用于微波、太赫兹频段的平面结构平衡式二倍频器。

背景技术

倍频器是现代通信、雷达等电子系统中频率源的关键部件，其将较低频率的锁相信号源倍频到较高频段，用以驱动上变频或下变频混频器。在太赫兹波段，倍频器甚至直接用来将微波或毫米波信号直接倍频并通过天线发射出去。

倍频器通常可分为有源倍频和无源倍频器两种，有源倍频器可以提供倍频增益，通常可以获得比较大的输出功率；而无源倍频通常由肖特基二极管实现，虽然存在倍频损耗，但是可以工作在毫米波率高端甚至是太赫兹频段。因此，无源倍频器太毫米波及太赫兹频段仍然有比较广泛的应用；在太赫兹频段，肖特基无源倍频器甚至可以说是唯一的手段。根据现有报道，采用肖特基二极管的无源倍频器可以工作到2.7THz，为该频段的HEB混频器提供有效的本振功率[1]。下文中的倍频器都是指基于肖特基二极管的无源倍频器。

从倍频器结构上看，无源倍频器一般可以分为单管倍频器和平衡式倍频器。顾名思义，单管倍频器由单个二极管构成，而平衡式倍频器通常由至少2只以上的二极管构成。平衡式倍频器具有简化空闲电路，避免采用较大损耗的滤波器来选择所需信号的优点，因此能够有效的提高倍频器的倍频效率。例如，平衡式二倍频器的输出信号主要为2次谐波信号，而抑制奇次谐波，如1次和3次谐波。而4次及以上谐波功率相对较少，因此平衡式二倍频器的输出信号可以直接输使用。

太赫兹频段的倍频器通常是2倍频或者是3倍频器，平衡式的二倍频器和三倍频器一般都是利用波导结构与悬置微带结构构成的巴伦来实现基波信号和所需谐波信号功率的分配和合成，如经典的Erickson结构[2]。因此，这些结构一般都是包含波导结构的立体结构，体积和重量都较大。

太赫兹频段信号源通常由多个倍频器级联而成，例如上文所述的2.7THz的倍频器实际是4个三倍频器及毫米波频段的放大器级联构成的倍频链，从而将30GHz的信号倍频到2.7THz。该倍频链实际上是由5个以上的模块构成，因此体积和重量都比较大。

发明内容

发明目的：针对上述存在的问题，本发明提供一种可以很方便的与其他电路集成，理想情况下可以用单个模块集成多个倍频器，实现太赫兹倍频源的平面结构平衡式二倍频器。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种平面结构平衡式二倍频器，包括微带线网络和两个二极管，所述微带线网络由多工器网络、分支线耦合器和移相网络构成，所述两个二极管分别为第一二极管和第二二极管。

进一步的，所述多工器网络由微带短路线、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、微带开路线、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线构成，所述微带短路线的第一端口接地，微带短路线的第二端口与输入信号连接并与第一微带线的第一端口连接，所述第一微带线的第二端口与第二微带线的第一端口连接并与第四微带线的第一端口连接，所述第二微带线的第二端口与第三微带线的第一端口连接，所述第三微带线的第二端口与第五微带线的第一端口连接，所述第五微带线的第二端口与第七微带线的第一端口连接，所述第四微带线的第二端口与微带开路线的第一端口连接并与第六微带线的第一端口连接，所述第六微带线的第二端口与输出信号连接并与第八微带线连接。

进一步的，所述分支线耦合器由第九微带线、第十微带线、第十一微带线和第十二微带线构成，所述第九微带线的第一端口与第七微带线的第二端口连接并与第十微带线的第一端口连接，所述第九微带线的第二端口与第八微带线的第二端口连接并与第十一微带线的第一端口连接，所述第十二微带线的第一端口与第十微带线的第二端口连接并与第一二极管的阳极连接，所述第十二微带线的第二端口与第十一微带线的第二端口连接。

进一步的，所述移相网络由第十三微带线构成，所述第十三微带线的第一端口与第十一微带线的第二端口连接并与第十二微带线的第二端口连接，所述第十三微带线的第二端口与第二二极管的阳极连接。

进一步的，所述第一二极管为第一肖特基二极管，所述第二二极管为第二肖特基二极管。

进一步的，所述第一肖特基二极管的阳极与第十微带线的第二端口连接并与第十二微带线的第一端口连接，第一肖特基二极管的阴极接地；所述第二肖特基二极管的阳极与第十三微带线的第二端口连接，第二肖特基二极管的阴极接地。

进一步的，所述微带短路线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、微带开路线、第五微带线、第六微带线、第九微带线、第十二微带线和第十三微带线的特性阻抗都为50欧姆，长度为输入信号频率上的四分之一波长。

进一步的，所述第一微带线、第七微带线和第八微带线的特性阻抗都为50欧姆，长度为输入信号频率上的八分之一波长。

进一步的，所述第十微带线和第十一微带线的特性阻抗都为35.4欧姆，长度为输入信号频率上的四分之一波长。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过对传统的分支线耦合器进行改进，使其成为能够完成平衡式倍频所需的巴伦，从而实现了可用于太赫兹频段的平面平衡式二倍频器，从而可以大幅的降低倍频器的体积和重量，使其可以实现与其他平面电路的直接集成。

本发明可用于对体积重量有严格要求的太赫兹通信、雷达及射电天文系统中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例中增加了连接节点编号的结构示意图；

图3为具体实施例中150GHz平衡式二倍频器的仿真模型示意图；

图4为具体实施例中150GHz平衡式二倍频器的仿真结果示意图。

1、微带短路线，2、第一微带线，3、第二微带线，4、第三微带线，5、第四微带线，6、微带开路线，7、第五微带线，8、第六微带线，9、第七微带线，10、第八微带线，11、第九微带线，12、第十微带线，13、第十一微带线，14、第十二微带线，15、第十三微带线，16、第一二极管，17、第二二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。本发明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的前提下所得到的其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种平面结构平衡式二倍频器，包括十五段顺次互联的微带线网络以及两个肖特基二极管构成。其中微带线网络部分按照其功能可以分成三个子网络，即多工器网络A、分支线耦合器B以及移相网络C。

其中多工器网络由微带短路线1、第一微带线2、第二微带线3、第三微带线4、第四微带线5、微带开路线6、第五微带线7、第六微带线8、第七微带线9和第八微带线10构成，所述微带短路线1的第一端口接地，微带短路线1的第二端口与输入信号连接并与第一微带线2的第一端口连接，所述第一微带线2的第二端口与第二微带线3的第一端口连接并与第四微带线5的第一端口连接，所述第二微带线3的第二端口与第三微带线4的第一端口连接，所述第三微带线4的第二端口与第五微带线7的第一端口连接，所述第五微带线7的第二端口与第七微带线9的第一端口连接，所述第四微带线5的第二端口与微带开路线6的第一端口连接并与第六微带线8的第一端口连接，所述第六微带线8的第二端口与输出信号连接并与第八微带线10连接。

分支线耦合器由第九微带线11、第十微带线12、第十一微带线13和第十二微带线14构成，所述第九微带线11的第一端口与第七微带线9的第二端口连接并与第十微带线12的第一端口连接，所述第九微带线11的第二端口与第八微带线10的第二端口连接并与第十一微带线13的第一端口连接，所述第十二微带线14的第一端口与第十微带线12的第二端口连接并与第一二极管16的阳极连接，所述第十二微带线14的第二端口与第十一微带线13的第二端口连接。

移相网络由第十三微带线15构成，所述第十三微带线15的第一端口与第十一微带线13的第二端口连接并与第十二微带线14的第二端口连接，所述第十三微带线15的第二端口与第二二极管17的阳极连接。

其中第一二极管16为第一肖特基二极管，所述第二二极管17为第二肖特基二极管。第一肖特基二极管的阳极与第十微带线12的第二端口连接并与第十二微带线14的第一端口连接，第一肖特基二极管的阴极接地；所述第二肖特基二极管的阳极与第十三微带线15的第二端口连接，第二肖特基二极管的阴极接地。

微带线网络中除了分支线耦合器B中的第十微带线12及第十一微带线13两线阻抗为35.4欧姆之外，其他微带线的阻抗都是50欧姆。

多工器网络A中，由第二微带线3、第三微带线4、第五微带线7和第七微带线9构成的信号通路称之为多工器上支路，而由第四微带线5、微带开路线6、第六微带线8和第八微带线10构成的信号通路称之为多工器下支路。由于微带开路线6的存在，使得输入信号只能通过上支路到达节点J6。

多工器网络A中，肖特基二极管产生的二次谐波信号2f经过耦合器分别达到节点J5和J6，由于输入四分之一波长短路线1的存在，谐波信号2f将在端口④合成，而端口①对于二次谐波信号为隔离端口。

移相网络C中，一段基波频率的四分之一波长线与节点J7相连，实现分支线耦合器下分支90°移相。

其中二极管均为肖特基二极管。

平衡式二倍频器的核心是巴伦，巴伦将输入基波信号等幅反向的加到两个同向肖特基二极管上，而对于二极管产生的二次谐波信号，其电流通过巴伦等幅同向叠加。巴伦同时提供基波信号和二次谐波信号的隔离。

本发明利用分支线耦合器在基波信号与谐波信号上不同的传输特性，通过对分支线耦合器进行改造，即加入移相网络和多工器网络，从而成为可用于平衡式倍频的巴伦。

首先对于分支线耦合器B，第十微带线12及第十一微带线13的特性阻抗为欧姆，即35.4欧姆，第九微带线11和第十二微带线14的特性阻抗为50欧姆。若输入信号从节点J6处输入，该信号等幅分配到节点J7和J8，但J7处的信号相位滞后90°。为了满足巴伦对基波信号的分配要求，我们在J7后再加入一段90°移相传输线，则输入信号等幅分配到端口②和③，端口③相位滞后180°，即等幅反向。因此在加入移相网络后，分支线耦合器已能满足对基波信号的分配要求。其中端口①为输入信号端口，端口②和③为二极管阳极连接端口，端口④为输出信号端口。

在端口②和③分别加入同向肖特基二极管后，输入激励信号使得二极管产生包括二次谐波在内的谐波信号。在二次谐波信号上，我们通过经典的奇偶莫分析7方法可以获得分支线耦合器B与移相网络C级联后的S参数矩阵如下：

该矩阵说明，端口②和③产生的二次谐波在端口①和④处都等幅同向叠加，并且相位相差180°。因此在输入端口①和端口④都有二次谐波，并且各占整个二次谐波能量的25％。为了更有效的收集二次谐波，并且与输入基波信号进一步隔离，本发明引入了输入多工器网络A。

对于多工器网络A，在基波频率上，四分之一波长微带短路线1在节点J1处位开路，不会影响基波信号传输。由于四分之一波长微带开路线6的存在，节点J3处为短路点，则J2处位开路点，即输入信号只会沿着第二微带线3往多工器网络A的上分支传输，直到到达分支线耦合器的节点J6，并相应的进行如前文所述的基波信号等幅反向分配到第一二极管16和第二二极管17；在二次谐波信号上，微带短路线1此时实际是在二次谐波上的二分之一波长，因此节点J1为短路点，由于第一微带线2在二次谐波上是四分之一波长，因此在节点J2处形成开路点，因此节点J6和节点J5处输出的二次谐波信号都不会传输到基波信号的输入端口①，从而形成了与输入端口的隔离。此外，节点J6处的二次谐波经过在二次谐波上的四分之一波长第七微带线9、半波长第五微带线7、半波长第三微带线4、半波长第二微带线3、半波长第四微带线5、半波长第六微带线8到达端口④，而节点J5处的二次谐波经过在二次谐波上的四分之一波长第八微带线10到达端口④，两路信号经过的路程相差2.5个波长，即180°。而如前文S参数矩阵所提示，节点J5和节点J6处的二次谐波本身相位相差180°，因此实际上，两路二次谐波信号在端口④处实现了等幅同向叠加。

我们对上述三个网络A，B及C级联成的网络的S参数进行进一步推导得到：

对应收集到的信号为|S₄₂ ²+|S₄₃ ²＝1，即二次谐波收集效率为100％。

从上述分析可以看出，在加入多工器后，除了满足平衡式二倍频器在基波和二次谐波上的幅度相位关系要求，还实现了二次谐波信号的有效提取。

为了验证上述原理，我们采用上述理念设计了一款150GHz的平衡式二次倍频器，其仿真模型如图3所示。输入基波信号为75GHz，输入功率为15dBm，经过所述平衡式倍频后，输出信号频谱如图4所示。理想情况下，基波信号及三次谐波信号泄露非常小，分别为-189dBm及-218dBm，而二次谐波输出信号为6.6dBm，对应倍频损耗为8.4dBm，倍频效率为14％。基波和三次谐波明显远远小于二次谐波信号，这也说明了本发明提出的倍频结构确实是平衡式的，能够有效的抑制基波和三次谐波。

Claims (9)

1.一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，包括微带线网络和两个二极管，所述微带线网络由多工器网络、分支线耦合器和移相网络构成，所述两个二极管分别为第一二极管和第二二极管。

2.根据权利要求1所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述多工器网络由微带短路线、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、微带开路线、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第八微带线构成，所述微带短路线的第一端口接地，微带短路线的第二端口与输入信号连接并与第一微带线的第一端口连接，所述第一微带线的第二端口与第二微带线的第一端口连接并与第四微带线的第一端口连接，所述第二微带线的第二端口与第三微带线的第一端口连接，所述第三微带线的第二端口与第五微带线的第一端口连接，所述第五微带线的第二端口与第七微带线的第一端口连接，所述第四微带线的第二端口与微带开路线的第一端口连接并与第六微带线的第一端口连接，所述第六微带线的第二端口与输出信号连接并与第八微带线连接。

3.根据权利要求2所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述分支线耦合器由第九微带线、第十微带线、第十一微带线和第十二微带线构成，所述第九微带线的第一端口与第七微带线的第二端口连接并与第十微带线的第一端口连接，所述第九微带线的第二端口与第八微带线的第二端口连接并与第十一微带线的第一端口连接，所述第十二微带线的第一端口与第十微带线的第二端口连接并与第一二极管的阳极连接，所述第十二微带线的第二端口与第十一微带线的第二端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述移相网络由第十三微带线构成，所述第十三微带线的第一端口与第十一微带线的第二端口连接并与第十二微带线的第二端口连接，所述第十三微带线的第二端口与第二二极管的阳极连接。

5.根据权利要求4所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述第一二极管为第一肖特基二极管，所述第二二极管为第二肖特基二极管。

6.根据权利要求5所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述第一肖特基二极管的阳极与第十微带线的第二端口连接并与第十二微带线的第一端口连接，第一肖特基二极管的阴极接地；所述第二肖特基二极管的阳极与第十三微带线的第二端口连接，第二肖特基二极管的阴极接地。

7.根据权利要求4所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述微带短路线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、微带开路线、第五微带线、第六微带线、第九微带线、第十二微带线和第十三微带线的特性阻抗都为50欧姆，长度为输入信号频率上的四分之一波长。

8.根据权利要求4所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述第一微带线、第七微带线和第八微带线的特性阻抗都为50欧姆，长度为输入信号频率上的八分之一波长。

9.根据权利要求4所述的一种平面结构平衡式二倍频器，其特征在于，所述第十微带线和第十一微带线的特性阻抗都为35.4欧姆，长度为输入信号频率上的四分之一波长。