CN111030600A - 一种有源偏置太赫兹谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源偏置太赫兹谐波混频器，其包括：本振驱动信号馈电波导结构(1)、肖特基势垒二极管对(2)、射频信号馈电波导结构(3)、射频‑石英电路转换结构(4)、中频信号低通滤波器(5)、第一探针(9)、第二探针(10)、石英平面电路基板(6)、直流偏置电路(7)和直流电源(8)；第一探针(9)、第二探针(10)、中频信号低通滤波器(5)均固定在石英平面电路基板(6)上，本振驱动信号馈电波导结构(1)与石英平面电路基板(6)的一端固定连接，肖特基势垒二极管对(2)固定在第一探针(9)上；直流偏置电路(7)的一端与中频信号低通滤波器(5)连接，其另一端与直流电路(8)连接。

Description

一种有源偏置太赫兹谐波混频器

技术领域

本发明属于太赫兹固态电路和太赫兹器件技术领域，具体涉及一种有源偏置太赫兹谐波混频器。

背景技术

太赫兹(简写为THz)频段是位于微波(简写为Microwave)与红外波(简写为Infrared)之间的电磁波频段，频率范围为0.1THz-10THz，被视为宏观电子学到微观光子学的过渡频段。由于太赫兹相关技术的限制，例如，太赫兹波产生、检测方法，太赫兹频段在很长一段时间内处于未开发状态。目前，现有技术中，太赫兹相关技术可以被应用于遥感、雷达、空间科学、公共安全、无线通信、生物医药、物质科学等领域。

在太赫兹高频段(2THz以上)，对太赫兹相关技术的研究主要采用光学或者类光学的理论与方法。在太赫兹低频端(0.1THz～2THz)，通常采用电子学的理论与方法进行系统设计与分析。

超外差接收机能够实现信号频谱的搬移功能，具有高灵敏度以及低系统复杂度等优点，被广泛应用于太赫兹低频端系统设计。超外差接收机射频前端主要包括天线、低噪声放大器、混频器、本振源。在太赫兹频段，目前无法获得成熟商用的低噪声放大器产品，因此太赫兹混频器直接决定了系统的性能指标。

在太赫兹频段，现有的混频器通常采用谐波混频形式，其主要包括：偶次谐波混频和奇次谐波混频。随着频率的不断升高，要获得混频所需的本振驱动信号功率变得愈加困难。在相同射频信号频率条件下，采用分谐波混频形式，能够降低对本振驱动信号功率的要求。但是，随着谐波次数增大，变频损耗会随之增加，严重影响混频器的性能。因此，二次谐波混频为首选混频方式。

目前，国内太赫兹谐波混频器通常采用反向并联二极管对的分立集成电路结构，将肖特基势垒二极管反向并联固定于石英电路基板上，然后将石英电路基板固定于电路沟道中。但是，在670GHz及以上频段，获得所需的本振驱动信号功率较为困难。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的混频器存在上述缺陷，本发明提出了一种有源偏置太赫兹谐波混频器，采用外加有源偏置的平衡结构，能够抑制混频产生的奇次谐波信号，同时通过在二极管外加直流偏置的结构设置，显著降低在670GHz及以上的混频器的本振驱动信号功率的要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种有源偏置太赫兹谐波混频器，其包括：本振驱动信号馈电波导结构、肖特基势垒二极管对、射频-石英电路转换结构、射频信号馈电波导结构、中频信号低通滤波器、第一探针、第二探针、石英平面电路基板、直流偏置电路和直流电源；

第一探针、第二探针、中频信号低通滤波器均固定在石英平面电路基板上，且第一探针和中频信号低通滤波器位于石英平面电路基板的两端，第二探针位于第一探针和中频信号低通滤波器之间，第一探针、第二探针、中频信号低通滤波器三者彼此之间相互连接；

本振驱动信号馈电波导结构与石英平面电路基板的一端固定连接，第一探针通过本振驱动信号馈电波导结构的一端设置的第一开口插入本振驱动信号馈电波导结构内，将接收到的本振驱动信号引至太赫兹混频电路；肖特基势垒二极管对固定在第一探针上；

第二探针通过射频-石英电路转换结构的一端设置的第二开口插入射频-石英电路转换结构内，将接收到的射频信号引至太赫兹混频电路；射频-石英电路转换结构与石英平面电路基板垂直固定连接；

直流偏置电路的一端与中频信号低通滤波器连接，其另一端与直流电路连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述肖特基势垒二极管对包括：两个肖特基势垒二极管；所述肖特基势垒二极管具有阳极和阴极；其中，两个肖特基势垒二极管的阳极相对放置，且两个肖特基势垒二极管的阳极位于肖特基势垒二极管对的中部，两个肖特基势垒二极管的阴极位于肖特基势垒二极管对的两端，每个肖特基势垒二极管的阳极与对应的阴极进行反向串联，形成平衡结构；该平衡结构能够抑制混频产物中的奇次谐波分量，从而提升变频效率，降低变频损耗。

作为上述技术方案的改进之一，两个肖特基势垒二极管的阳极通过导电胶固定在第一探针上；本振驱动信号馈电波导结构的一端的两侧分别开有半圆形槽，两个肖特基势垒二极管的阴极的一部分分别对应的固定在半圆形槽内，为两个肖特基势垒二极管的阴极预留安装空间；其中，肖特基势垒二极管的阴极与半圆形槽之间通过导电胶固定连接；其中，所述半圆形槽的直径为30-100um，导电胶的涂抹厚度为5-15um。

作为上述技术方案的改进之一，所述石英平面电路基板的厚度为30-50um，其正面采用覆金材料走线，金的厚度为3-5mm；其背面整体涂抹导电胶，石英平面电路基板通过本振驱动信号馈电波导结构的一端设置的第一开口插入并固定在本振驱动信号馈电波导结构内。

作为上述技术方案的改进之一，所述射频-石英电路转换结构为平面微带线结构，采用石英板材制成。

作为上述技术方案的改进之一，所述中频信号低通滤波器采用紧凑平面微带谐振滤波器结构。

作为上述技术方案的改进之一，所述直流偏置电路为T型直流偏置结构；直流偏置电路为三端口模型，用于将直流偏置电压和本振信号电压同时施加到两个肖特基势垒二极管的阳极处，同时保证中频信号低通滤波器的中频信号正常输出；所述直流偏置电路主要包括：电容和电感，在电路仿真软件ADS中，采用理想的电容、电感元器件搭建直流偏置电路，理想电容的作用是隔绝直流偏置电压信号，隔离中频信号。理想电感的作用是防止中频信号从直流端泄露。

所述有源偏置太赫兹谐波混频器的工作原理如下：

本振驱动信号馈电波导结构接收本振信号，以TE₁₀模的形式施加于肖特基势垒二极管对。射频信号馈电波导结构接收射频信号，经过射频-石英电路转换结构，以准TEM波的形式施加于肖特基势垒二极管对。直流偏置信号从直流偏置端口施加，施加于肖特基势垒二极管对，当直流偏置信号和本振信号同时施加在肖特基势垒二极管对上时，肖特基势垒二极管对中的两个肖特基势垒二极管导通；两个肖特基势垒二极管在直流偏置信号和本振信号的驱动下，将射频信号和本振信号进行混频处理，产生各次谐波信号，再通过中频信号低通滤波器进行滤波处理，得到期望的中频信号IF，该期望的中频信号IF通过直流偏置电路，从中频端口输出。

本发明的优点在于：

通过将外加直流偏置电压施加到两个肖特基势垒二极管的阳极处，使两个肖特基势垒二极管进入导通状态，从而降低本振信号功率。

附图说明

图1是本发明的一种有源偏置太赫兹谐波混频器的结构示意图；

图2是图1的本发明的一种有源偏置太赫兹谐波混频器的肖特基势垒二极管对的结构示意图；

图3是图1的本发明的一种有源偏置太赫兹谐波混频器的肖特基势垒二极管对的侧视图；

图4是图1的本发明的一种有源偏置太赫兹谐波混频器的肖特基势垒二极管对的局部放大图；

图5是图1的本发明的一种有源偏置太赫兹谐波混频器的石英平面电路基板的结构示意图；

图6是本实施例中的670GHz有源偏置太赫兹谐波混频器的变频损耗仿真结果图。

附图标记：

1、本振驱动信号馈电波导结构 2、肖特基势垒二极管对

3、射频信号馈电波导结构 4、射频-石英电路转换结构

5、中频信号低通滤波器 6、石英平面电路基板

7、直流偏置电路 8、直流电源

9、第一探针 10、第二探针

11、阳极 12、阴极

13、半圆形槽 14、导电胶

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本实例中的本振驱动信号馈电波导结构采用型号为WR2.8的标准波导，具体尺寸为0.711mm*0.356mm。射频-石英电路转换结构采用型号为WR1.5的标准波导，具体尺寸为0.381mm*0.191mm。对本振驱动信号馈电波导结构和射频-石英电路转换结构分别进行减高处理，则本振驱动信号馈电波导结构减高后的尺寸为0.711mm*0.150mm，射频-石英电路转换结构减高后的尺寸为0.381mm*0.120mm。

如图1所示，本发明提供了一种有源偏置太赫兹谐波混频器，其包括：本振驱动信号馈电波导结构1、肖特基势垒二极管对2、射频信号馈电波导结构3、射频-石英电路转换结构4、中频信号低通滤波器5、第一探针9、第二探针10、石英平面电路基板6、直流偏置电路7和直流电源8；

第一探针9、第二探针10、中频信号低通滤波器5均固定在石英平面电路基板6上，且第一探针9和中频信号低通滤波器5位于石英平面电路基板6的两端，第二探针10位于第一探针9和中频信号低通滤波器5之间，第一探针9、第二探针10、中频信号低通滤波器5三者彼此之间相互连接；

如图1和5所示，本振驱动信号馈电波导结构1与石英平面电路基板6的左端固定连接，第一探针9通过本振驱动信号馈电波导结构1的右端设置的第一开口插入本振驱动信号馈电波导结构1内，将接收到的本振驱动信号引至太赫兹混频电路；肖特基势垒二极管对2固定在第一探针9上；

第二探针10通过射频-石英电路转换结构4的上端设置的第二开口插入射频-石英电路转换结构4内，将接收到的射频信号引至太赫兹混频电路；射频-石英电路转换结构4与石英平面电路基板1垂直固定连接；

直流偏置电路7的左端与中频信号低通滤波器5连接，其下端与直流电路8连接。

作为上述技术方案的改进之一，如图2、3和4所示，所述肖特基势垒二极管对2包括：两个肖特基势垒二极管；所述肖特基势垒二极管具有阳极11和阴极12；其中，两个肖特基势垒二极管的阳极11相对放置，且两个肖特基势垒二极管的阳极11位于肖特基势垒二极管对2的中部，两个肖特基势垒二极管的阴极12位于肖特基势垒二极管对2的两端，每个肖特基势垒二极管的阳极11与对应的阴极12进行反向串联，形成平衡结构；该平衡结构能够抑制混频产物中的奇次谐波分量，从而提升变频效率，降低变频损耗。

作为上述技术方案的改进之一，如图1所示，两个肖特基势垒二极管的阳极11通过导电胶固定在第一探针9上；本振驱动信号馈电波导结构1的右端的两侧分别开有半圆形槽13，两个肖特基势垒二极管的阴极12的一部分分别对应的固定在半圆形槽13内，为两个肖特基势垒二极管的阴极12预留安装空间；其中，肖特基势垒二极管的阴极12与半圆形槽13之间通过导电胶固定连接；其中，所述半圆形槽13的直径为50um，导电胶14的涂抹厚度为15um。

作为上述技术方案的改进之一，所述石英平面电路基板6的厚度为50um，其正面采用覆金材料走线，金的厚度为3mm；其背面整体涂抹导电胶，石英平面电路基板6通过本振驱动信号馈电波导结构1的右端设置的第一开口插入并固定在本振驱动信号馈电波导结构1内。

作为上述技术方案的改进之一，所述射频-石英电路转换结构4为平面微带线结构，采用石英板材制成。

作为上述技术方案的改进之一，所述中频信号低通滤波器5采用紧凑平面微带谐振滤波器结构。

作为上述技术方案的改进之一，如图1所示，所述直流偏置电路7为T型直流偏置结构；直流偏置电路7为三端口模型，用于将直流偏置电压和本振信号电压同时施加到两个肖特基势垒二极管的阳极11处，利用直流偏置电压分担本振信号电压，从而达到降低本振信号功率的目的，同时保证中频信号低通滤波器5的中频信号正常输出；所述直流偏置电路7主要包括：电容和电感，在电路仿真软件ADS中，采用理想的电容、电感元器件搭建直流偏置电路，理想电容的作用是隔绝直流偏置电压信号，隔离中频信号。理想电感的作用是防止中频信号从直流端泄露。

如图1所示，所述有源偏置太赫兹谐波混频器的工作原理如下：

本振驱动信号馈电波导结构1接收本振信号，以TE₁₀模的形式施加于肖特基势垒二极管对2。射频信号馈电波导结构3接收射频信号，经过射频-石英电路转换结构4，以准TEM波的形式施加于肖特基势垒二极管对2。直流偏置信号从直流偏置端口施加，施加于肖特基势垒二极管对2，当直流偏置信号和本振信号同时施加在肖特基势垒二极管对2上时，肖特基势垒二极管对2中的两个肖特基势垒二极管导通；两个肖特基势垒二极管在直流偏置信号和本振信号的驱动下，将射频信号和本振信号进行混频处理，产生各次谐波信号，再通过中频信号低通滤波器5进行滤波处理，得到期望的中频信号IF，该期望的中频信号IF通过直流偏置电路7，从右侧的中频端口输出。

本实例最终的670GHz谐波混频器的单边带变频损耗仿真结果如图6所示，仿真参数：射频信号频率f1＝630GHz～720GHz、本振信号频率f2＝335GHz、射频信号功率-20dBm、本振信号功率1Mw、直流偏置电压0.45V。其中，中频信号频率定义为f3＝|f1-2*f2|，变频损耗定义为中频信号输出功率与射频输入信号功率的比值。

图6所示的横坐标为射频信号频率，纵坐标为单边带变频损耗。从图6中可以看出，本发明设计的太赫兹谐波混频器在70GHz射频带宽内能够实现变频损耗3dB的平坦度，性能优异。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种有源偏置太赫兹谐波混频器，其特征在于，其包括：本振驱动信号馈电波导结构(1)、肖特基势垒二极管对(2)、射频信号馈电波导结构(3)、射频-石英电路转换结构(4)、中频信号低通滤波器(5)、第一探针(9)、第二探针(10)、石英平面电路基板(6)、直流偏置电路(7)和直流电源(8)；

第一探针(9)、第二探针(10)、中频信号低通滤波器(5)均固定在石英平面电路基板(6)上，且第一探针(9)和中频信号低通滤波器(5)位于石英平面电路基板(6)的两端，第二探针(10)位于第一探针(9)和中频信号低通滤波器(5)之间，第一探针(9)、第二探针(10)、中频信号低通滤波器(5)三者彼此之间相互连接；

本振驱动信号馈电波导结构(1)与石英平面电路基板(6)的一端固定连接，第一探针(9)通过本振驱动信号馈电波导结构(1)的一端设置的第一开口插入本振驱动信号馈电波导结构(1)内，将接收到的本振驱动信号引至太赫兹混频电路；肖特基势垒二极管对(2)固定在第一探针(9)上；

第二探针(10)通过射频-石英电路转换结构(4)的一端设置的第二开口插入射频-石英电路转换结构(4)内，将接收到的射频信号引至太赫兹混频电路；射频-石英电路转换结构(4)与石英平面电路基板(6)垂直固定连接；

直流偏置电路(7)的一端与中频信号低通滤波器(5)连接，其另一端与直流电路(8)连接。

2.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述肖特基势垒二极管对(2)包括：两个肖特基势垒二极管；所述肖特基势垒二极管具有阳极(11)和阴极(12)；其中，两个肖特基势垒二极管的阳极(11)相对放置，且两个肖特基势垒二极管的阳极(11)位于肖特基势垒二极管对(2)的中部，两个肖特基势垒二极管的阴极(12)位于肖特基势垒二极管对(2)的两端，每个肖特基势垒二极管的阳极(11)与对应的阴极(12)进行反向串联，形成平衡结构。

3.根据权利要求2所述的混频器，其特征在于，两个肖特基势垒二极管的阳极(11)通过导电胶(14)固定在第一探针(9)上；本振驱动信号馈电波导结构(1)的一端的两侧分别开有半圆形槽(13)，两个肖特基势垒二极管的阴极(12)的一部分分别对应的固定在半圆形槽(13)内；其中，肖特基势垒二极管的阴极(12)与半圆形槽(13)之间通过导电胶(14)固定连接。

4.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述石英平面电路基板(6)的厚度为30-50um，其正面采用覆金材料走线，金的厚度为3-5mm；其背面整体涂抹导电胶(14)。

5.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述射频-石英电路转换结构(4)为平面微带线结构，采用石英板材制成。

6.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述中频信号低通滤波器(5)采用紧凑平面微带谐振滤波器结构。

7.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述直流偏置电路(7)为T型直流偏置结构；直流偏置电路(7)为三端口模型，用于将直流偏置电压和本振信号电压同时施加到两个肖特基势垒二极管的阳极处。

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