CN109193088B - 一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，包括：本振输入标准矩形波导、射频输入标准矩形波导、石英基片、悬置微带‑微带混合传输电路；本振输入标准矩形波导与悬置微带‑微带混合传输电路直接连接，射频输入标准矩形波导与悬置微带‑微带混合传输电路过渡连接，悬置微带‑微带混合传输电路设置在石英基片上，石英基片置于屏蔽腔中；其中，悬置微带‑微带混合传输电路包括：本振匹配波导、匹配及反射支节、射频短路支节、单管芯二极管对、接地金属、本振匹配支节、射频波导微带过渡、射频低通滤波器；减小了变频损耗，其馈入损耗对变频损耗的影响较小，使射频信号和本振信号能够有效的参与混频而不相互泄露。

Description

一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器

技术领域

本发明涉及太赫兹技术应用系统领域，具体地，涉及采用单管芯的高效三次谐波混频器。

背景技术

在太赫兹技术应用系统中，太赫兹接收前端是系统中最核心技术。作为可以实现频率变换的混频器是接收机的重要组成部分，对系统性能的影响至关重要，特别是在太赫兹低噪声放大器制作难度较大情况下，混频器通常作为接收机系统的第一级，其影响更加突出。同时，由于太赫兹波段高性能震荡源的实现难度较大，为了减小对本振源的需求，能降低本振频率的谐波混频器在太赫兹频段得到了广泛使用。目前高频段谐波混频器的研究多集中于对偶次谐波混频器进行研究，对奇次谐波混频器的研究鲜有报道，特别是对亚毫米波及太赫兹频段的三次谐波混频器的设计报道更加少。而在低频段的已有的方案和结构中由于工艺尺寸不够、匹配设计困难等难点而无法复制到高频段的应用中，即是能复制也会存在电路结构太大、性能不好等问题。在现有方案中为了达到二极管在射频信号方向上的同向性，采用了感应馈电的方式进行馈电，而这种馈电方式由于传输之间无金属之间连接造成馈电损耗较大。

太赫兹波(Terahertz Wave)是指频率范围为0.1THz-10THz的电磁波，其对应的波长为3mm-0.03mm。从频谱来看，处于光波和毫米波的间隙，从能量来看，处于电子和光子之间。太赫兹波的低频部分与亚毫米波接壤，其高频部分与红外光波重合，正因为其在频谱中的特殊位置，单独采用传统电子学和光学的理论对其研究都不能做到尽善尽美，对跨学科多领域的知识体系要求较高，加之太赫兹器件面临材料和工艺的挑战，固其发展相对缓慢；另一方面，太赫兹波又具有独特的优势，具有通信容量大、分辨率高、光子能量低、穿透能力强、光谱信息特殊、空间相干性等特点，在生物医学、微电子学、材料科学、成像探测以及天文科学等学科上都有很大的应用前景和研究价值。当前形势，学科交叉和融合趋势不断加强，太赫兹科学的发展为生物医学、信息科学、天文学及材料学等学科的基础研究与应用开发提供了重要手段，进一步促进其他学科取得新的成果。经过数十年的发展，太赫兹科学已成为了一门新兴的知识密集型理论交融型前沿学科，其广阔的应用前景也备受关注和期待。

近年来，随着应用需求的不断提高，太赫兹波凭借其在通信、雷达、安检、电子对抗、天文观测等应用中的诸多优势，其前沿技术已经成为一门新兴的交叉学科和研究热点。太赫兹雷达、通信、辐射计系统作为太赫兹技术的重要应用，具有极大的研究价值，也是国内在这些领域内实现弯道超车赶超国外技术水平的重要途径。在这些太赫兹系统中，混频器作为必不可少的部件，对系统性能的影响至关重要，特别是在太赫兹低噪声放大器制作难度较大情况下，混频器通常作为接收机系统的第一级，其影响更加突出。同时，由于太赫兹波段高性能震荡源的实现难度较大，为了减小对本振源的需求，能降低本振频率的谐波混频器在太赫兹频段得到了广泛使用。目前高频段谐波混频器的研究多集中于对偶次谐波混频器进行研究，并为此开发了专门的并联二极管对实现了偶次谐波混频电路的稳定、简单设计，但这也限制了一些特殊结构在谐波混频中的应用，比如平衡结构、鳍线等。由于奇次谐波混频电路在二极管连接上与偶次混频的不同，可以采用这些电路实现性能更优良的谐波混频电路。同时现有报道中对奇次谐波混频器的研究比较少，对奇次混频器的研究既可丰富谐波混频器的研究内容，还可为通信系统和雷达系统提供新的构建方法。在低频段已有的方案和结构(例如：a third-harmonic mixer using balanced diodeconfiguration at w-band frequencies)由于工艺限制、匹配设计困难，结构布局不佳的等难点而无法复制到高频段的应用中，即是能复制也会存在电路结构太大、性能不好等问题。而且在现有方案中射频信号采用了感应馈电的方式馈入到二极管上，而这种馈电方式由于传输之间无金属连接造成馈电损耗较大，而且在混频器中变频损耗的值为中频输出功率减去射频输入功率，因此射频馈入损耗的增大会使变频损耗直接恶化。

发明内容

针对上述情况，本发明采用自行设计的两个单管芯二极管，该二极管由于管芯之间是分立的可以自由调节管芯的分配实现不同的馈入方向。在采用平衡结构的同时，使射频信号采用微带线馈入，本振信号采用感应馈入，这样就减小了变频损耗。由于本振功率不参与变频损耗的计算，其馈入损耗对变频损耗的影响较小。同时由于采用平衡结构其高隔离特性使射频信号和本振信号能够有效的参与混频而不相互泄露。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，所述三次谐波混频器包括：

本振输入标准矩形波导、射频输入标准矩形波导、石英基片、悬置微带-微带混合传输电路；本振输入标准矩形波导与悬置微带-微带混合传输电路直接连接，射频输入标准矩形波导与悬置微带-微带混合传输电路过渡连接，悬置微带-微带混合传输电路设置在石英基片上，石英基片置于屏蔽腔中；其中，三次谐波混频电路包括：本振匹配波导、匹配及反射支节、射频短路支节、两个单管芯二极管、接地金属、本振匹配支节、射频波导微带过渡、射频低通滤波器；本振输入标准矩形波导与本振匹配波导连接，本振匹配波导本振输入标准矩形波导连接，射频短路支节与两个单管芯二极管的一端均连接，两个单管芯二极管的另一端分别与接地金属连接；本振匹配波导实现本振输入标准矩形波导与二极管对的的阻抗匹配；射频输入标准矩形波导与射频波导微带过渡连接，射频波导微带过渡与本振匹配支节连接，本振匹配支节与两个单管芯二极管均连接，射频波导微带过渡与射频低通滤波器连接；本振信号以TE10模式依次通过本振匹配波导、匹配及反射支节、射频短路支节馈入单管芯二极管对；匹配及反射支节用于在本振输入频段对本振信号从矩形波导到单管芯二极管进行辅助匹配，在射频频段对射频频率进行辅助反射；射频短路支节为用于对射频频率进行反射；匹配及反射支节与射频短路支节配合使射频频率反射回二极管参与混频；射频信号由射频输入标准矩形波导进入射频波导微带过渡后进入悬置微带-微带混合传输电路，经本振匹配支节进入单管芯二极管对与本振信号进行混频，产生的中频信号经射频波导微带过渡和射频低通滤波器后通过微带阻抗线输出。

进一步的，本振匹配支节为多支节微带线匹配支节，并以本振波导短路面为界限分为左右两段；本振波导短路面距单管芯二极管中心点的距离为本振波导波长的四分之一。

进一步的，信号在本振波导中以TE10模式进行传输，信号在微带线中以TEM模式传输，两种模式的电场方向相互垂直。

进一步的，本振信号以TE10模式在波导中传输，其电场方向与本振输入标准矩形波导的窄边平行，并与单管芯二极管对中两个二极管的串联二极管对的方向平行。

进一步的，单管芯二极管对包括2个串联单管芯二极管，两个单管芯二极管的正极互连，2个单管芯二极管的阴极均与接地金属连接，且其排布方向与石英基片的长边垂直。

进一步的，单管芯二极管包括：

砷化镓衬底、2个阴极金属、2个参杂砷化镓层、金属空气桥、阳极结；2个阴极金属下表面分别贴合在2个参杂砷化镓层上，2个参杂砷化镓层的下表面均贴合在砷化镓衬底上，阳极结固定在其中一个参杂砷化镓层上，金属空气桥一端与另一个参杂砷化镓层上的阴极金属连接，金属空气桥另一端与阳极结连接。

进一步的，两个二极管以阴极金属与微带线金属相连的方式倒贴的粘在微带线以及接地金属上，倒贴后金属空气桥正对石英基片且与石英基片无接触。

进一步的，本振匹配波导的宽度和厚度分别小于本振输入标准矩形波导对应的宽度和厚度。

进一步的，本振输入标准矩形波导为标准矩形波导WR-12.2，射频输入标准矩形波导为标准矩形波导WR-4.3，射频低通滤波器为CMRC结构低通滤波器。

进一步的，射频低通滤波器输出端口采用阻抗为50欧的微带线进行输出；石英基片的厚度为0.05mm或0.03mm。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明采用自行设计的单管芯二极管，该二极管由于管芯之间是分立的可以自由调节管芯的分配实现不同的馈入方向。在采用平衡结构的同时，使射频信号采用微带线馈入，本振信号采用感应馈入，这样就减小了变频损耗。由于本振功率不参与变频损耗的计算，其馈入损耗对变频损耗的影响较小。同时由于采用平衡结构其高隔离特性使射频信号和本振信号能够有效的参与混频而不相互泄露。

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；

图1是本申请中三次谐波混频器的结构示意图；

图2是本申请中三次谐波混频器的侧视示意图；

图3是本申请中三次谐波电路示意图；

图4是本申请中单管芯肖特基二极管拓扑结构示意图；

图5是本申请中本振输入过渡结构示意图；

图6是本申请中本振输入过渡射频段仿真结果示意图；

图7是本申请中单管芯二极管平面示意图；

图8是本申请中赫兹平面肖特基二极管管芯层次模型剖面示意图；

图9是本申请中单管芯二极管端口模型示意图；

图10是本申请中射频-中频双工器拓扑结构示意图；

图11是本申请中射频-中频双工器的仿真结果示意图；

图12是本申请中变频损耗仿真结果示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的技术方案是：一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，请参考图1-图3，包括本振、射频输入标准矩形波导，石英基片及其上的悬置微带-微带混合传输电路。石英基片置于屏蔽腔中；其结构从左到右分别为：本振输入标准矩形波导1、本振匹配波导2、匹配及反射支节3、射频短路支节4、单管芯二极管对5、接地金属6、本振匹配支节7、本振波导短路面8、射频波导微带过渡9、射频输入标准矩形波导10、射频低通滤波器11、石英基片12、承载电路屏蔽腔13。

其中本振输入标准矩形波导1为标准矩形波导WR-12.2，该波导可根据本振频率选择不同的标准矩形波导；其中本振匹配波导2通过波导的减高和减宽处理改变其特性阻抗从而实现阻抗匹配，使本振信号能更好的进入二极管参与混频，其中在减宽处理使应避免截止频率出现在本振的低频段。

其中匹配及反射支节3在本振输入频段起辅助匹配作用，可以改变本振减高减宽波导中的场分布使其更好馈入二极管，而在射频频段起到对射频频率的反射，配合射频短路支节4使射频频率在此处尽可能的反射回二极管参与混频；其中射频短路支节4为射频频段微带线开路直接，其长度在射频波导波长的四分之一附近，起到对射频频率反射的作用。

其中两个单管芯二极管5为自主设计的单管芯平面肖特基二极管，通过两个单管芯二极管的排布配合并根据矩形波导中电场的分布形式可以在两个二极管上实现本振信号的反向加载和射频信号的同向加载，从而构成奇次谐波的二极管排布，如整体图1中所示，该电路可以抑制耦次谐波分量，增强奇次谐波分量，最后通过匹配使三次谐波分量输出达到最大；其中本振匹配支节7为多支节微带线匹配支节，并以本振波导短路面8为界限分为左右两段；其中由于本振波导短路面8的存在，使的射频信号到二极管需要传输一段距离，且这段距离相对射频信号来说比较长，因此存在足够的空间进行多支节匹配线设计以取得更好的匹配效果(传统结构中这一段长度会相对较小)；其中本振波导短路面8距二极管中心点的距离为本振波导波长的四分之一；其中射频输入波导过渡9为矩形波导到微带线的过渡结构，结合三次谐波电路布局采用两端都导通的结构实现射频输入和中频频率的输出一体化设计。

其中射频输入标准矩形波导10为标准矩形波导WR-4.3，该波导可根据射频频率选择不同的标准矩形波导；其中中频低通滤波器11选择CMRC结构低通滤波器，该结构具有小型化特性可以有效降低滤波器电路尺寸，减小石英基片的长宽比；其中中频输出端口采用阻抗为50欧的微带线进行输出；其中石英基片12的厚度为0.05mm或0.03mm，可根据工艺调整厚度；其中本振匹配波导2、微带传输线构成了一个高隔离的平衡结构，信号在本振波导中以TE10模式进行传输，而在微带线中以准TEM模式传输，这两种模式的电场方向相互垂直，传输之间存在正交隔离，因此具有高度的隔离特性；该特性使本振信号无法传输到微带线上因此不能通过射频端口泄露，射频信号也不会从微带线上传输到本振波导中，加之矩形波导的高通特性也保证了射频信号不会从本振端口泄露，实现了本振、射频信号的相互隔离；其中由于高隔离结构的存在去掉了常规电路中需要的射频低通滤波器，减小了电路尺寸；

其中本振信号从本振输入标准矩形波导1进入经本振匹配波导2以TE10模式馈入单管芯二极管对5；其中射频信号从射频输入标准矩形波导10进入经射频波导微带过渡9后经本振匹配支节7以TEM模式进入单管芯二极管对5与本振信号进行混频，产生的中频信号经返回至本振输入射频波导微带过渡9经射频低通滤波器11通过50欧微带线输出电路；其中该发明通过采用单管芯的不同排布来控制二极管的信号加载方向，实现了与现有技术相反的本振射频输入方向，从而使射频信号采用传输损耗更小的微带线进行馈入，实现了高效的混频效率。

在本发明中三次谐波混频器的本振输入采用一个波导-微带线的平衡结构，如图5所示。在该结构中本振信号以TE10模式在波导中传输，其电场方向与波导窄边平行，并与串联二极管对的方向平行，这样通过电磁感应的方式可以在两个二极管上产生方向相同的电流，使射频信号同向的馈入到两个二极管中。由于在设计三次谐波混频器时承载电路屏蔽腔的尺寸需要考虑射频频段的谐振点，而且射频频率与本振频率相差较大，这就造成了屏蔽腔的尺寸与本振波导的尺寸相比很小，并且采用的二极管的尺寸比较小，使得本振传输上的匹配上比较困难，因此在考虑波导的截止频点的基础上对本振波导经行减高减宽处理，以达到最佳匹配效果。同时在平衡结构的微带线深入波导的一段添加一个孤立的微带金属，即匹配及反射支节，该金属与波导场中的电场方向平行，可以改变本振的场分布使其更好馈入二极管。同时由于该孤立金属放置在射频信号传输的末端，可以对射频信号起到一定的反射作用。在平衡结构中射频信号将从端口2以准TEM模输入，经匹配支节后同向的进入两个二极管，由于二极管的同向排布使得本振信号反向的馈入二极管，这样就形成可以抑制耦次谐波信号，增强奇次谐波信号的二极管排布方式。射频信号与本振信号产生的混频信号经由微带传输输出。由于在平衡结构中波导中的信号以TE10模式传输而在共面波导和微带传输线中以TEM模式传输，两者电场方向相互正交，如图5所示，因此在端口1和端口2之间存在较大的隔离，保证信号不会相互泄露，也保证了电路的谐波混频功能，而不需在设计专门的滤波器结构。本振输入结构在本振频段的仿真结果如图6所示。图6中在70.5-77.5GHz小于-10dB，S31、S41接近-3dB，而S21小于-65dB，这说明在71.5-75.5GHz本振信号能平均的馈入到两个二极管上(端口4和端口3)，且端口1和端口2在射频频段存在高的隔离。

本发明采用自行设计的单管芯二极管，其结构图如图4所示。依据太赫兹频段肖特基二极管设计的物理机理，并根据设计三次谐波的需求，建立了单管的肖特基二极管的精确物理模型，并依据模型进行加工，该肖特基二极管通过改变阳极结在电场中的位置来控制二极管方向，通过两个二极管的配合可以实现不同二极管连接形式，从而实现不同的谐波功能。本发明中采用两个相同的单管芯二极管，通过排布使本振信号反向馈入两个二极管而射频信号同向馈入，从而实现对耦次谐波的抑制，以及对奇次谐波的增强。最终两个二极管采用倒贴的方式粘在微带线上。

在三次谐波混频电路中，二极管电路作为核心电路对混频器的性能有这至关重要的作用，肖特基二极管的封装电路结构是整个混频器电路的关键。在微波毫米波频段，由于二极管的封装尺寸远小于波长，其封装几乎不会影响场分布，此时二极管SPICE参数可认为是准确的。然而随着频率上升至太赫兹频段，对比屏蔽腔体尺寸的骤减，二极管封装尺寸减小幅度有限，造成的结果是二极管的封装已然影响到电路的场分布，因而将传统的二极管SPICE参数应用于太赫兹频段存在缺陷。解决上述问题的有效方法便是建立平面肖特基混频管3D电磁模型，并根据混频器的设计腔体尺寸，参考实际电路的装配工艺(主要涉及导电胶材料参数及厚度)建立模型。

要实现平面肖特基混频管3D封装建模，首先需建立肖特基二极管单管的层次化结构模型。由于太赫兹三次谐波混频器中二极管的排布方向与偶次谐波不同，需要两个二极管构成射频同相的连接，因此根据平面肖特基二极管的设计理论和方法，根据电路需求设计了单管芯二极管，其结构的俯视图如图7所示。其基本结构包括砷化镓衬底、单金属空气桥，单阳极结，阴极金属以及参杂砷化镓层，其中单阳极结与掺杂层接触构成了欧姆接触实现了单二极管功能，其中阴极金属有两个起到与外部电路进行连接的作用。

单管芯平面肖特基二极管管芯的结构层次模型如图8所示。层次模型自上而下分别为：GaAs基片，GaAs衬底，n++GaAs缓冲层，定义为理想金属导体PEC，GaAs耗尽层，SiO2层，金属阳极层。

在三次谐波混频器的实际设计中，建立了单管芯二极管的3维精确模型后，还需建立适当的波导端口以在HFSS模型中抽取其封装模型S参数，并通过该波端口与非线性参数连接表征二极管的非线性特性。肖特基二极管建模研究选取金属阳极探针所在的高掺杂砷化镓层(建模中为理想金属导体，n++GaAs)和0.1μm厚的砷化镓非金属层之间建立内部端口，如图9所示。

射频-中频双工器包括本振波导过渡和中频低通滤波器，如图10所示。本振信号从标准矩形波导WR-4.3端口1馈入，通过E面探针耦合到微带线上，由于中频低通滤波器的存在而无法向端口3传输，只能从端口2输出并通过匹配结构进入二极管对参与混频。中频低通滤波器选择CMRC结构低通滤波器，该结构具有小型化特性可以有效降低滤波器电路尺寸，减小石英基片的长宽比。

射频-中频双工器的仿真结果如图11所示。由结果可以看出在本振频段200GHz-240GHz范围内端口1的S11(回波损耗)小于-20dB，端口2到端口1的传输系数S12大于-0.1dB，而端口1到端口3的传输系数S32小于-40dB。说明在本振频段信号可以很好的从1端口输入到2端口，并在中频低通滤波器处截止。

将射频输入过渡、本振-中频双工在仿真软件HFSS中的仿真结果分别导出SPN文件并导入仿真软件ADS中，通过SPN文件在ADS中构造S参数跟上述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。变频损耗仿真结如图12所示。

由图11可知，设计的混频器在200GHz到240GHz范围内变频损耗小于9.5dB，最佳变频损耗在228GHz处为7.3dB。实现了高效混频性能。

本发明中该三次谐波混频器扩展了三次谐波混频器的设计频段，采用单管芯结构实现了220GHz频段的高效三次谐波混频，相比现有结构，该三次谐波混频器射频信号采用微带线馈入，射频馈入损耗更小，提升了性能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，所述三次谐波混频器包括：

本振输入标准矩形波导(1)、射频输入标准矩形波导(10)、石英基片(12)、悬置微带-微带混合传输电路；本振输入标准矩形波导(1)与悬置微带-微带混合传输电路直接连接，射频输入标准矩形波导(10)与悬置微带-微带混合传输电路过渡连接，悬置微带-微带混合传输电路设置在石英基片(12)上，石英基片(12)置于屏蔽腔(13)中；其中，悬置微带-微带混合传输电路包括：本振匹配波导(2)、匹配及反射支节(3)、射频短路支节(4)、两个单管芯二极管(5)、接地金属(6)、本振匹配支节(7)、射频波导微带过渡(9)、射频低通滤波器(11)；本振输入标准矩形波导(1)与本振匹配波导(2)连接，本振匹配波导(2)与匹配及反射支节(3)连接，匹配及反射支节(3)与射频短路支节(4)连接，射频短路支节(4)与两个单管芯二极管(5)的一端均连接，两个单管芯二极管(5)的另一端分别与接地金属(6)连接进行接地，两个单管芯二极管(5)的连线方向与微带线的方向垂直；本振匹配波导(2)与本振输入标准矩形波导(1)连接实现矩形波导与二极管对的阻抗匹配；射频输入标准矩形波导(10)与射频波导微带过渡(9)连接，射频波导微带过渡(9)与本振匹配支节(7)连接，本振匹配支节(7)与两个单管芯二极管(5)均连接，射频波导微带过渡(9)与射频低通滤波器(11)连接；本振信号以TE10模式依次通过本振匹配波导(2)、匹配及反射支节(3)、射频短路支节(4)馈入两个单管芯二极管(5)；匹配及反射支节(3)用于在本振输入频段对本振信号从矩形波导到单管芯二极管进行辅助匹配，在射频频段对射频频率进行辅助反射；射频短路支节(4)为用于对射频频率进行反射；匹配及反射支节(3)与射频短路支节(4)配合使射频频率反射回二极管参与混频；射频信号由射频输入标准矩形波导(10)进入射频波导微带过渡(9)后进入悬置微带-微带混合传输电路，经本振匹配支节(7)进入两个单管芯二极管(5)与本振信号进行混频，产生的中频信号经射频波导微带过渡(9)和射频低通滤波器(11)后通过微带阻抗线输出。

2.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，本振匹配支节(7)为多支节微带线匹配支节，并以本振波导短路面(8)为界限分为左右两段；本振波导短路面(8)距两个单管芯二极管(5)中心点的距离为本振波导波长的四分之一。

3.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，信号在本振输入标准矩形波导(1)和本振匹配波导(2)中以TE10模式进行传输，信号在微带线中以TEM模式传输，两种模式的电场方向相互垂直。

4.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，本振信号以TE10模式在波导中传输，其电场方向与本振输入标准矩形波导(1)的窄边平行，并与两个单管芯二极管(5)中两个二极管的串联二极管对的方向平行。

5.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，两个单管芯二极管(5)具体为2个串联单管芯二极管，两个单管芯二极管的正极互连，2个单管芯二极管的阴极均与接地金属(6)连接，且2个单管芯二极管排布方向与石英基片(12)的长边垂直。

6.根据权利要求5所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，单管芯二极管包括：

砷化镓衬底、2个阴极金属、2个参杂砷化镓层、金属空气桥、阳极结；2个阴极金属下表面分别贴合在2个参杂砷化镓层上，2个参杂砷化镓层的下表面均贴合在砷化镓衬底上，阳极结固定在其中一个参杂砷化镓层上，金属空气桥一端与另一个参杂砷化镓层上的阴极金属连接，金属空气桥另一端与阳极结连接。

7.根据权利要求6所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，两个单管芯二极管以阴极金属与微带线金属相连的方式贴合在微带线以及接地金属(6)上，贴合后金属空气桥正对石英基片且与石英基片无接触。

8.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，本振匹配波导(2)的宽度和厚度分别小于本振输入标准矩形波导(1)对应的宽度和厚度。

9.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，本振输入标准矩形波导(1)为标准矩形波导WR-12.2，射频输入标准矩形波导(10)为标准矩形波导WR-4.3，射频低通滤波器(11)为CMRC结构低通滤波器。

10.根据权利要求1所述的采用单管芯的高效220GHz三次谐波混频器，其特征在于，射频低通滤波器(11)输出端口采用阻抗为50欧的微带线进行输出；石英基片(12)的厚度为0.05mm或0.03mm。