CN110460310A - 一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，包括依次连接的输入端口、输入端Marchand巴伦、倍频单元电路、输出端Marchand巴伦和输出端口，所述倍频单元电路外设置隔离环，输入端Marchand巴伦对输入信号进行等幅反相功分，然后分别经倍频单元电路倍频后再经输出端Marchand巴伦同相合成，通过输出端口输出所需的宽带倍频信号。本公开基于现有的工艺能力，采用带有调谐补偿单元的多导体耦合线Marchand巴伦拓展工作带宽，提高谐波抑制；还采用管芯隔离环结构，进一步提高谐波抑制度，满足太赫兹固态倍频放大器链路对高性能太赫兹倍频器的需求。

Description

一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器

技术领域

本公开涉及倍频器相关技术领域，具体的说，是涉及一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

太赫兹波(THz波)通常是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，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。

随着太赫兹测试仪器及其工程应用频率的提高，太赫兹固态倍频放大链路中倍频因子越来越大、倍频级数越来越多，对倍频器的带宽要求也越来越大。但是，由于倍频器的相位噪声等性能指标会随着倍频因子N的增加恶化20log(N)dB；同时倍频放大链路中放大器和倍频器的增益平坦度也会有所不同，这样会出现部分频点杂散等性能指标出现恶化等情况，降低太赫兹信号的质量。

为提高太赫兹信号的质量，一方面要求倍频器的工作频段要宽，另一方面还要求倍频器具有较好的谐波抑制度、较小的面积和倍频损耗。发明人发现，传统结构倍频器常采用平衡式结构拓展带宽、增加谐波抑制度，但是受工艺和设计等因素的影响，目前市场上现有的倍频器产品带宽性能有限，谐波抑制度不佳，芯片面积较大，使得现有的倍频器带宽和谐波抑制度达不到实际太赫兹测试仪器及其工程应用的需求。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，可以有效拓宽倍频器工作频段带宽，增加倍频器谐波抑制度，同时降低倍频损耗、减小增加芯片面积。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，包括依次连接的输入端口、输入端Marchand巴伦、倍频单元电路、输出端Marchand巴伦和输出端口，所述倍频单元电路外设置隔离环，输入端Marchand巴伦用于对输入信号进行等幅反相功分，倍频单元电路用于对等幅反相功分后的信号倍频，输出端Marchand巴伦用于将倍频后的信号同相合成，通过输出端口输出所需的宽带倍频信号。

进一步地，所述输入端Marchand巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元，或/和输出端Marchand巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元。

进一步地，所述补偿调谐单元为LC滤波电路，包括串联连接的电感和电容，电感由微带线实现。

进一步地，输入端Marchand巴伦包括输入端输入信号耦合线和多个输入端输出信号耦合线，每个输入端输出信号耦合线分别与输入端输入信号耦合线进行信号耦合；

或者，

输出端Marchand巴伦包括输出端输出信号耦合线和多个输出端输入信号耦合线，每个输出端输入信号耦合线分别与输出端输出信号耦合线进行信号耦合。

进一步地，所述输入端Marchand巴伦的输入端输出信号耦合线之间设置空气桥，或/和所述输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线之间设置空气桥，实现电气互联。

进一步地，所述输入端Marchand巴伦的输入端输出信号耦合线上设置多个开路枝节，或/和输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线上设置多个开路枝节，所述开路枝节的长度和间距小于输入/输出信号的波长。

进一步地，所述开路枝节为设置在耦合线上的凸起结构。

进一步地，设置的开路枝节呈周期性排列，所述周期性排列为开路枝节等长度等间距排列或者为函数曲线排列。

进一步地，倍频单元电路为二极管倍频电路，所述二极管倍频电路包括四个相同的二极管两两反相串接后并联连接。

或者，

所述隔离环为接地的金属环，设置在倍频单元电路周圈。

一种上述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器的工作方法，包括如下步骤：

输入端Marchand巴伦接收输入信号，对输入信号进行等幅反相功分，获得等幅反相信号，并传输至倍频单元电路；

倍频单元电路对等幅反相信号倍频处理，传输至输出端Marchand巴伦；

输出端Marchand巴伦将倍频后的信号同相合成，输出所需的宽带倍频信号。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)高谐波抑制性：本公开的太赫兹倍频器，输入/输入均采用巴伦结构，可以实现奇次谐波的抑制，同时在倍频单元电路外设置隔离环结构构成的倍频器基本结构，可以提高输入端口和输出端口之间的串扰，进而提高端口隔离度，同时还可以减少倍频器在阻抗匹配时的迭代次数。

(2)倍频效率高：本公开的倍频器采用多导体耦合线的Marchand巴伦实现信号的输入/输出，减小了巴伦的插损，提高了倍频器的倍频效率。

(3)工作频带宽：本公开采用的多导体耦合线的Marhchand巴伦，可以提高耦合系数，实现宽带的阻抗匹配。

(4)本公开的倍频器结构紧凑，可靠性高、便于应用，本公开的倍频器电路采用带有开路枝节的Marchand巴伦结构实现信号的输入/输入，Marchand巴伦采用开路枝节线减小巴伦的长度，以达到减小芯片面积的目的，同时省去了额外的阻抗匹配枝节，因此结构可靠、紧凑，应用方便。

(5)本公开采用多耦合线Marchand巴伦结构，通过增加耦合线的数量，可以实现对耦合系数的调节，灵活多变，以适应实际应用的需要。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是传统基于Marchand巴伦的双平衡倍频器的电路图；

图2是传统Marchand巴伦的电路图；

图3是本公开实施例的倍频器的电路图；

图4是本公开实施例的倍频器的隔离环电路图；

图5是本公开实施例的倍频器的输入端电路图；

其中：1、输入端口，2、输入端Marchand巴伦，2-1、输入端输入信号耦合线，2-2、输入端输出信号耦合线，3、隔离环，4、输出端Marchand巴伦，4-1、输出端输出信号耦合线，4-2、输出端输入信号耦合线，5、输出端口，6、空气桥，7、开路枝节，8、补偿调谐单元，9、输入端Marchand巴伦的第一输出端口，10、输入端Marchand巴伦的第二输出端口。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图3-5所示，一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，包括依次连接的输入端口1、输入端Marchand巴伦2、倍频单元电路、输出端Marchand巴伦4和输出端口5，所述倍频单元电路外设置隔离环3，输入端Marchand巴伦对输入信号进行等幅反相功分，等幅反相功分后的信号分别经倍频单元电路倍频后再经输出端Marchand巴伦同相合成，通过输出端口5输出所需的宽带倍频信号。

本实施例采用Marchand巴伦实现信号的输入/输出，可以实现良好的谐波抑制、拓展工作带宽，同时采用隔离环3结构，提高了的输入/输出端之间的隔离度，减小倍频器的输入/输出端之间的串扰，进一步提高谐波抑制度，满足太赫兹固态倍频放大器链路对高性能太赫兹倍频芯片的需求。

作为进一步的改进，输入端Marchand巴伦2和输出端Marchand巴伦4结构可以相同，为提高Marchand巴伦的耦合系数，可以将Marchand巴伦设置为多导体耦合线结构。

多导体耦合线结构的一种具体结构，可以为如图3所示。输入端Marchand巴伦具体为输入端Marchand巴伦包括输入端输入信号耦合线2-1和多个输入端输出信号耦合线2-2，每个输入端输出信号耦合线2-2分别与输入端输入信号耦合线2-1进行信号耦合，耦合线具体为金属耦合线。图3所示的结构中的输入端Marchand巴伦为三耦合线结构，输入端输入信号耦合线2-1和输入端输出信号耦合线2-2共三条，耦合线的数量设置是示例，可以为更多。输出端Marchand巴伦4包括输出端输出信号耦合线4-1和多个输出端输入信号耦合线4-2，每个输出端输入信号耦合线4-2分别与输出端输出信号耦合线4-1进行信号耦合，耦合线具体为金属耦合线，如可以为片状金属导体，两个片状金属导体相对设置产生耦合效应。

倍频器的带宽和变频损耗与Marchand巴伦的带宽和插损有关；巴伦耦合线的间隙越小，则耦合系数越大；则倍频器的带宽越大，倍频损耗越小。但是受加工工艺的限制，Marchand巴伦耦合线的宽度和间隙不可能无限减小，例如对于GaAs工艺，一般间隙和导体的最小值为3μm。倍频器Marchand巴伦采用多耦合线结构相对于传统的结构增加耦合系数，传统的巴伦结构如图1和2所示的巴伦，多耦合线结构可以提高耦合系数，降低电路对加工工艺的要求，减小信号的传输损耗，拓展电路带宽，同时提高倍频器的谐波抑制，改善倍频器的端口驻波。

作为进一步的改进，可选的，可以在输入端Marchand巴伦2的输入端输出信号耦合线2-2之间设置空气桥6，或/和输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线4-2之间设置空气桥6，实现电气互联，可以进一步提高耦合系数。

在某些实施例中，针对双平衡式倍频器所占面积较大的情况，输入端Marchand巴伦2和输出端Marchand巴伦4中的耦合线采用基于开路分支线改进型结构，在耦合线上设置多个开路枝节7，具体的可以在输入端Marchand巴伦2的输入端输出信号耦合线2-2上设置开路枝节7，或/和输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线4-2上设置开路枝节7。所述开路枝节7可以为设置在耦合线上的凸起结构。开路枝节7呈周期性排列，开路枝节7长度和两个开路枝节7之间的间距小于输入信号的波长。所述周期性排列可以为开路枝节7等长度等间距排列，可以为函数曲线排列，如正弦函数排列，开路枝节7的长度随正选函数曲线幅值变化，间距可以为等间距。

在耦合线上增加若干开路枝节7会增加等效电容值；当开路枝节呈周期性排列、且长度和间距均小于波长时，对耦合线等效电感的影响非常小，而对耦合电容会增加，相速度会因等效电容的增加而减小，实现在相同频率下减小耦合线的长度，进而减小倍频器的芯片面积。

针对如图1中所示的双平衡式倍频器所占面积较大的情况，本实施例采用的Marchand巴伦中的耦合线采用基于开路分支线的改进型结构，通过增加耦合线的等效电容可以大大减小芯片面积。

传统的Marchand巴伦由两个四分之一波长的耦合线构成，如图1和2中为传统巴伦，传统的Marchand巴伦幅值和相位不平衡度主要依靠对耦合线线宽和间隙的设计，要实现超宽带高谐波抑制倍频器，难度非常大。为了补偿巴伦的相位和幅值的差异，改善巴伦超宽带输出的平衡性，实现谐波信号的更好抑制，在某些实施例中，作为进一步的改进，可以在输入端Marchand巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元8，或/和可以输出端Marchand巴伦巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元8。补偿调谐单元8可以为任意滤波电路，可选的，所述补偿调谐单元可以为LC滤波电路，包括串联连接的电感和电容，电感可以由微带线实现。

倍频单元电路可以为任意倍频电路，可选的，本实施例设置为二极管倍频电路，所述二极管倍频电路包括四个相同的二极管构成，可以为两两反相串接后并联连接，具体的，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管正极连接第二二极管的正极连接点为A，所述第二二极管的负极连接第三二极管的正极连接点为B，所述第三二极管负极连接第四二极管的负极连接点为C，所述第一二极管负极连接第四二极管正极连接点为D,倍频单元电路的输入为连接点B和D,倍频单元电路的输出为连接点A和C。其中输入端Marchand巴伦的第一输出端口9和输入端Marchand巴伦的第二输出端口10分别连接连接点B和D，输出端Marchand巴伦分别连接连接点A和C。

可选的，隔离环可以为接地的金属环，设置在倍频单元周圈。这样可以减小所述倍频器输入端和输出端之间的串扰，进而实现提高谐波抑制的功能；同时该隔离环结构还可以减小设计过程中倍频器阻抗匹配的迭代过程。

一种上述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器的工作方法，包括如下步骤：

输入端Marchand巴伦接收输入信号，对输入信号进行等幅反相功分，获得等幅反相信号，并传输至倍频单元电路；

倍频单元电路对等幅反相信号倍频处理，传输至输出端Marchand巴伦；

输出端Marchand巴伦将倍频后的信号同相合成，输出所需的宽带倍频信号。

具体工作过程描述如下：

输入信号通过具有多导体耦合线的输入端Marchand巴伦2后，等幅同相的加载到带有隔离环3的二极管对上，产生所需要的偶次谐波分量；再通过相同结构的多导体耦合线的输出端Marchand巴伦4将所需要的偶次谐波分量提取，实现倍频输出。由于该结构的输入端只有基波和奇次谐波分量，而输出端则只有直流及偶次谐波分量，可实现良好的谐波抑制功能。该倍频器是对传统双平衡式倍频器的改进，不仅可以实现超宽频带内倍频功能，还可以提高倍频器的谐波抑制功能，同时减小芯片面积，降低研制成本。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：包括依次连接的输入端口、输入端Marchand巴伦、倍频单元电路、输出端Marchand巴伦和输出端口，所述倍频单元电路外设置隔离环，输入端Marchand巴伦用于对输入信号进行等幅反相功分，倍频单元电路用于对等幅反相功分后的信号倍频，输出端Marchand巴伦用于将倍频后的信号同相合成，通过输出端口输出所需的宽带倍频信号。

2.如权利要求1所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：所述输入端Marchand巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元，或/和输出端Marchand巴伦的中间抽头处连接补偿调谐单元。

3.如权利要求2所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：所述补偿调谐单元为LC滤波电路，包括串联连接的电感和电容。

4.如权利要求1所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：输入端Marchand巴伦包括输入端输入信号耦合线和多个输入端输出信号耦合线，每个输入端输出信号耦合线分别与输入端输入信号耦合线进行信号耦合；

或者，

输出端Marchand巴伦包括输出端输出信号耦合线和多个输出端输入信号耦合线，每个输出端输入信号耦合线分别与输出端输出信号耦合线进行信号耦合。

5.如权利要求4所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：所述输入端Marchand巴伦的输入端输出信号耦合线之间设置空气桥，或/和所述输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线之间设置空气桥，用于实现电气互联。

6.如权利要求4所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：所述输入端Marchand巴伦的输入端输出信号耦合线上设置多个开路枝节，或/和输出端Marchand巴伦的输出端输入信号耦合线上设置多个开路枝节，所述开路枝节的长度和间距小于输入信号的波长。

7.如权利要求6所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：所述开路枝节为设置在耦合线上的凸起结构。

8.如权利要求6所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：设置的开路枝节呈周期性排列，所述周期性排列为开路枝节等长度等间距排列或者为函数曲线排列。

9.如权利要求1所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器，其特征是：倍频单元电路为二极管倍频电路，所述二极管倍频电路包括四个相同的二极管两两反相串接后并联连接。

或者，

所述隔离环为接地的金属环，设置在倍频单元电路周圈。

10.一种权利要求1-9任一项所述的一种超宽带高谐波抑制太赫兹倍频器的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

输入端Marchand巴伦接收输入信号，对输入信号进行等幅反相功分，获得等幅反相信号，并传输至倍频单元电路；

倍频单元电路对等幅反相信号倍频处理，传输至输出端Marchand巴伦；

输出端Marchand巴伦将倍频后的信号同相合成，输出所需的宽带倍频信号。