CN110912515B - 一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构 - Google Patents

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    • H03B19/00—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
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Abstract

本发明公开的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，包括双层对称的输入探针结构、两对相对称的肖特基二极管、双层对称的悬置微带电路以及双层对称的输出探针结构；具体是：两路输入探针经过两个传输线、两个低通滤波器、两个阻抗匹配通过两对肖特基二极管，再连接两个阻抗匹配、两个传输线，最后通过两路输出探针；其中输入探针结构为E面探针结构，双层的E面探针结构在波导同一侧实现传输线转换，实现两层基片端口上的信号相位差为0°。本发明能降低消耗在匹配滤波电路中的功率，通过电路的平衡性能极大提升倍频器的倍频效率，并能够获得接近相应波导全频段的工作带宽；最后，功率容量是现有倍频器的两倍，可输出功率范围也增加一倍。

Description

一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构
技术领域
本发明属于太赫兹频段肖特基二极管倍频器的设计领域，特别是利用结构的平衡性来实现奇次谐波抑制和宽带输出的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构。
背景技术
现有的肖特基二倍频器技术方案主要有两种，一种是基于Ericksons式的平衡式二倍频器结构，如图1所示；另一种是最为传统的二倍频电路结构，如图2所示。其中，图2所示的倍频器电路由于本身没有任何抑制谐波功能，需要在二极管输入输出端都加载相应的滤波器结构，额外的引入电路损耗，并有严重限制了电路带宽，因此其实用效果是远远差于图1所示的电路的。图1所示的电路中，薄膜基片电路被安装在输入波导和输出波导之间的腔体通道内，并联的肖特基二极管对安置在距离波导短路面四分之一波长的位置，阻抗的匹配由悬置微带线和输入波导匹配电路完成，最终二次谐波通过输出探针结构耦合输出。但是，该结构的特点是输入输出电路匹配时牵引大，电路相对敏感，设计复杂，难以实现较宽的带宽；并且单独的二极管在功率容量上有限，能够承受的最大驱动功率受限，实现大功率输出往往需要多路合成；另外其装配难度大，尤其是二极管的粘接工作需要在波导腔体中进行，其装配精度将极大地影响倍频器效率。
发明内容
本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，利用该结构能够从电路本质上在输出端抑制奇次谐波并且同时实现普通电路两倍的功率容量，从而能够十分轻松地设计出功率容量加倍的宽带二倍频器。
本发明的技术方案如下：
一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：包括双层对称的输入探针结构、两对相对称的肖特基二极管、双层对称的悬置微带电路以及双层对称的输出探针结构；具体是：两路输入探针经过两个传输线、两个低通滤波器、两个阻抗匹配通过两对肖特基二极管，再连接两个阻抗匹配、两个传输线，最后通过两路输出探针；其中输入探针结构为E面探针结构，双层的E面探针结构在波导同一侧实现传输线转换，实现两层基片端口上的信号相位差为0°。
所述宽带肖特基平衡式二倍频结构的波导选用铝，或者铜等金属加工。
所述双层输入探针结构呈上下平行的关系，采用通用波导-悬置微带转换结构即可，但两路输入探针结构的悬置端口相互背向设置。
所述两对肖特基二极管分别与两路输入探针的悬置端口连接，两对二极管的朝向相反，极性也相反。
所述输出探针结构采用集成直流馈电端口，可以通过金丝跳线实现直流通路，前提是不影响电路的对称性。
所述悬置微带电路可以选择石英、氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷等薄膜基板加工，基片厚度越薄越好。
所述肖特基二极管的安装可以采用传统导电胶粘接工艺或者焊接工艺实现。
整个电路结构相对两层基片间距中心对称，并且该对称面属于等效磁壁。
在上述多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构中，输入的电磁波通过输入探针结构耦合出两路等幅同相的射频信号，通过各层的悬置微带匹配电路耦合至二极管对。由于二极管对安装极性相反，因此分布在上下两层的二极管对由信号激励出的电流信号为i1=f(v)和i2=f(-v)。两对二极管的输出电流信号在输出探针处进行合成，其总的合成电流激励信号为i=i1+i2，该波形的奇次谐波分量为零，仅含有偶次谐波。而二次谐波分量则通过输出端探针结构耦合至输出波导。因此，电路本身的对称使两路信号中的奇次谐波分量相互抵消，省略掉了输出端滤波结构并且使奇次谐波输出端口短路，极大提升了倍频电路效率和带宽。
进一步的，由于本发明中设计有两对二极管，其功率容量将是传统二极管倍频的两倍，并保证其倍频效率不降低。
本发明的有益效果如下：
本发明通过电路本身具备的奇次谐波抑制特性能够省略掉输出端繁琐的匹配滤波电路，进而降低消耗在匹配滤波电路中的功率；其次是电路本身的平衡性能够极大地提升倍频器的倍频效率，并能够获得接近相应波导全频段的工作带宽（保证较高的倍频效率），这是现有技术中倍频器很难实现的；最后，两对二极管对的使用将使得倍频器的功率容量是现有倍频器的两倍，相应的可输出功率范围也增加一倍。
附图说明
图1为Erickson式的平衡式二倍频器。
图2为传统的肖特基二倍频器。
图3为本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，如图3所示，包括双层对称的输入探针结构、两对相对称的肖特基二极管、双层对称的悬置微带电路以及双层对称的输出探针结构；具体是：两路输入探针经过两个传输线、两个低通滤波器、两个阻抗匹配通过两对肖特基二极管，再连接两个阻抗匹配、两个传输线，最后通过两路输出探针；其中输入探针结构为E面探针结构，双层的E面探针结构在波导同一侧实现传输线转换，实现两层基片端口上的信号相位差为0°
所述宽带肖特基平衡式二倍频结构的波导选用铝，或者铜等金属加工。
所述双层输入探针结构呈上下平行的关系，采用通用波导-悬置微带转换结构即可，但两路输入探针结构的悬置端口相互背向设置，两层基片之间的间距为50~127um。
所述双层E面探针结构包含有两个直流偏置端口，分别为双层基片的直流供电；两个悬置端口相互背向设置，分别实现两层基片的直流供电。
所述两对肖特基二极管分别与两路输入探针结构的悬置端口连接，两对肖特基二极管的朝向相反，极性也应相反。
所述两路输出探针结构最好采用集成直流馈电端口，也可以通过金丝跳线实现直流通路，前提是不影响电路的对称性。
在上述结构中，输入的电磁波通过输入探针结构耦合出两路等幅同相的射频信号，通过各层的悬置微带匹配电路耦合至二极管对。由于二极管对安装极性相反，因此分布在上下两层的二极管对由信号激励出的电流信号为i1=f(v)和i2=f(-v)，如图3所示。两对二极管的输出电流信号在输出探针处进行合成，其总的合成电流激励信号为i=i1+i2，该波形的奇次谐波分量为零，仅含有偶次谐波。而二次谐波分量则通过输出端探针结构耦合至输出波导。因此，电路本身的对称使两路信号中的奇次谐波分量相互抵消，省略掉了输出端滤波结构并且使奇次谐波输出端口短路，极大提升了倍频电路效率和带宽。进一步的，由于本发明中含有两对二极管，其功率容量将是传统二极管倍频的两倍，并保证其倍频效率不降低。
根据上述实施例可以看出，本发明的倍频电路结构和图1、2所示传统结构相比，可以看出：
（1）平衡性不同：图2所示的传统倍频器电路没有任何的平衡性，完全通过滤波电路实现二次谐波的提取，其带宽注定不会太宽；图1所示的Erickson式倍频器电路，其利用的是波导场模式和悬置微带场模式的模式隔离来实现奇次谐波抑制的，其电路设计复杂，装配敏感度高，宽带性能很难实现；而如图3所示的本发明的结构，其电路是利用上下两层电路中电流信号的极性，通过波导电流元合成激励而实现奇次谐波抑制，从本质上来说是属于全频段的反相抑制，具备超宽带的特点。
（2）功率容量不同：图1和图2所示的电路使用的是一对二极管，其功率容量受限，若需大功率驱动需要外加或者重新设计定向耦合器等结构进行合成，模块体积将会很大；本发明将在同等模块体积条件下实现两倍的功率容量，理论上说能够增大一倍的输出功率。

Claims (7)

1.一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：包括双层对称的输入探针结构、两对相对称的肖特基二极管、双层对称的悬置微带电路以及双层对称的输出探针结构；具体是：两路输入探针经过两个传输线、两个低通滤波器、两个阻抗匹配通过两对肖特基二极管，再连接两个阻抗匹配、两个传输线，最后通过两路输出探针；其中输入探针结构为E面探针结构，双层的E面探针结构在波导同一侧实现传输线转换，实现两层基片端口上的信号相位差为0°；所述两对肖特基二极管分别与两路输入探针结构的悬置端口连接，两对肖特基二极管的朝向相反，极性也相反。
2.根据权利要求1所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：所述宽带肖特基平衡式二倍频结构的波导选用铝，或者铜加工。
3.根据权利要求1所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：所述双层E面探针结构的两路输入探针呈上下平行的关系。
4.根据权利要求1所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：所述双层E面探针结构包含有两个直流偏置端口，分别为双层基片的直流供电；两个悬置端口相互背向设置。
5.根据权利要求1所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：所述输出探针结构设计为集成直流馈电端口。
6.根据权利要求5所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：所述输出探针结构通过金丝跳线实现直流通路。
7.根据权利要求1所述的一种多基片的宽带肖特基平衡式二倍频结构，其特征在于：整个宽带肖特基平衡式二倍频结构的相对两层基片间距中心对称，并且该对称面属于等效磁壁。
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