CN111384897A - 一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，涉及太赫兹电路技术领域。电路包含输入波导、腔体、九倍频电路芯片和输出波导，电路中太赫兹二极管采用GaAs工艺制作。该电路包含两级太赫兹平衡式二极管三倍频器，能实现九倍频功能。每一级三倍频器电路的单侧只有一个二极管，提升了每一级倍频管的截止频率，能获得更高的输出倍频损耗。每一级三倍频器电路采用了奇次谐波平衡式结构，使得电路具有很好的对称性，能更好的抑制偶次谐波、减小二极管上的功率，有助于二极管的散热，且能够更方便地引入直流偏置。

Description

一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路

技术领域

本发明涉及一种太赫兹倍频器集成电路架构，属于太赫兹芯片技术领域。具体涉及一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，是一种超高频倍频器，采用GaAs工艺，在太赫兹电路中具有较大优势，设计结构简单，输出频率高，同时具有抑制偶次谐波的优点。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段，由于太赫兹波的低能性、指纹谱性、高穿透性及宽带性等特殊性质而具有广阔的应用前景和战略性基础性的研究价值。

倍频原理是利用非线性器件受到基波正弦信号激励时，会在该基波频率的N次谐波频率上产生输出信号。提取出所需要N次频率的谐波信号，该方法是获得高频信号源的重要方式。输出信号频谱中不但包含原有的基波信号频率分量，而且还包含DC分量和各奇次和偶次谐波信号频率分量。根据设计倍频器需求的目标频率，需要在前级或者后级附加如四分之一枝节或者滤波器等电路，对非目标频率的谐波信号进行抑制或者回收，以达到目标频率的信号输出功率最大化。

常用的倍频器采用非线性电压和电流关系的PN型二极管器件，但由于扩散电容的存在使其在高频工作时的倍频效率低下。随着器件工作频率的提高，在太赫兹频段，为了获得更高的倍频效率就需要使用变容模式的二极管例如低寄生参数肖特基势垒二极管作为非线性器件。

倍频器常用电路可分为串联激励型和并联激励型两种，其中串联电流激励型倍频器由于二极管无需接地，这种直接接入电路的结构相对比较简单，但不利于热量传导，适用于设计低功率容量电路以及对散热要求不高的场合之中。并联电压激励型二极管需要接地，因此具有较好的散热，能为功率容量较大的倍频器提供长时间稳定的温度条件，而且二极管并联接入电路时可以采用一些结构上的对称性来实现对某次谐波的抑制。

在目前使用的太赫兹电路中，一般情况下，肖特基二极管被制作成适用于三倍频或九倍电路的二极管，且倍频电路只使用单级二极管倍频器进行倍频。由于输入的频率限制，这种倍频电路只适用于太赫兹的低段频率，且对于更高次谐波，输出的谐波功率很低，倍频效率较差。而使用两级三倍频器级联的倍频器电路能实现九倍频功能，获得较高的输出功率，这是一种创新结构的太赫兹倍频电路形式。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为克服现有技术之不足，提供一种太赫兹两级平衡式三倍频器级联的九倍频器电路。

技术方案：本发明所述提供的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，包含输入波导、腔体、九倍频电路芯片和输出波导；所述九倍频电路芯片放置在腔体中，一端连接输入波导，另一端连接输出波导；所述九倍频电路芯片的基板上设有依次相连的输入探头、第一级低通滤波器、第一级匹配传输线、第二级低通滤波器、第二级匹配传输线与输出探头。

每一级三倍频器的两个二极管连接在匹配传输线的两侧，为了提高太赫兹倍频二极管的截止频率，匹配传输线单侧的太赫兹倍频二极管采用单管形式。其中一个二极管的阳极与匹配传输线相连，另一个二极管的阴极与匹配传输线相连。二极管的另一侧与一个接直流偏置的金属线相连，该金属线通过键合的方式与外部直流电源相连接。与金属线相连接的还有片上电容，片上电容与悬臂梁相连接，悬臂梁通过导电胶与结构件相连，起到交流地的作用。

具体而言，所述第一级匹配传输线的一侧连接第一太赫兹倍频二极管单管的阴极，另一侧连接第二太赫兹倍频二极管单管的阳极，第一太赫兹倍频二极管单管的阳极与第一直流偏置线相连，第二太赫兹倍频二极管单管的阴极与第二直流偏置线相连；第一直流偏置线、第二直流偏置线通过键合的方式与外部直流电源相连接；第一直流偏置线连接第一片上电容，第二直流偏置线连接第二片上电容，第一片上电容以及第二片上电容接交流地。

所述第二级匹配传输线的一侧连接第三太赫兹倍频二极管单管的阴极，另一侧连接第四太赫兹倍频二极管单管的阳极，第三太赫兹倍频二极管单管的阳极与第三直流偏置线相连，第四太赫兹倍频二极管单管的阴极与第四直流偏置线相连；第三直流偏置线、第四直流偏置线通过键合的方式与外部直流电源相连接；第三直流偏置线连接第一片上电容或接交流地的第三片上电容，第四直流偏置线连接第二片上电容或接交流地的第四片上电容。

作为优选，所述的输入探头为E面输入探针，起到信号从波导转微带线的作用。

作为优选，所述的第一级低通滤波器和第二级低通滤波器为5阶或3阶高低阻抗微带线低通滤波器。

作为优选，所述的输入波导为WR-10矩形波导。

作为优选，所述的输出波导为WR-1矩形波导。

作为优选，所述的腔体为矩形腔体或者T型腔体；所述九倍频电路芯片悬置在矩形腔体内，采用悬臂梁进行固定或者放置在T型腔体中，将芯片基片两侧粘到结构件上。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点及显著效果：

(1)所述电路采用的工艺简单。

(2)所述电路的集成度高，体积小。在现有的工艺条件下，能单片实现两级平衡式三倍频器级联电路。

(3)所述电路能获得更高的输出频率。与一般的单级倍频平衡式三倍频器相比，相同的输出功率条件下，两级级联平衡式九倍频器电路输出频率更高，为九次谐波频率。

(4)所述电路能获得更高的输出功率。与一般单级倍频平衡式九倍频器相比，相同的输出功率条件下，两级级联平衡式九倍频器电路输出功率更高，倍频效率更高。

(5)所述电路采用了奇次谐波平衡式结构，使得电路具有很好的对称性，能更好的抑制偶次谐波、减小二极管上的功率，有助于二极管的散热，能够更方便地引入直流偏置。

附图说明

图1是本发明倍频器的设计方案图；

图2是本发明倍频器的电路图。

图中：1-输入探头，2-第一级低通滤波器，3-第一级奇次谐波平衡式三倍频器，4-第二级低通滤波器，5-第二级奇次谐波平衡式三倍频器，6-输出探头，7-输入波导，8-输出波导，9-九倍频电路芯片，10-第一片上电容，11-第二片上电容，12-第一级匹配传输线，13-第二级匹配传输线，14-悬臂梁，15-第一太赫兹倍频二极管单管，16-第二太赫兹倍频二极管单管，17-第三太赫兹倍频二极管单管，18-第四太赫兹倍频二极管单管，19-第一直流偏置线，20-第二直流偏置线，21-第三直流偏置线，22-第四直流偏置线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，输入基波信号从输入波导馈入，首先经过波导转悬置线探头，波导转悬置线探头将输入信号从波导转换到倍频芯片上。然后输入信号通过第一级低通滤波器，第一级低通滤波器的截止频率位于输入信号基波频率和三次谐波频率之间，对后续电路产生的三次谐波具有阻断反射作用，使其无法泄露到输入端。紧接着基波信号经过第一级倍频电路，倍频器电路由一对平衡式二极管组成，由于倍频二极管具有非线性且采用反向并联式结构，倍频器电路能够产生输入基波信号的各次谐波，其中偶次谐波被抑制，因此该级倍频器电路产生的谐波信号中以三次谐波为主。然后该三次谐波信号通过第二级低通滤波器，第二级低通滤波器截止频率位于输入信号的三次谐波频率和输入信号的九次谐波频率之间，对后续电路产生的九次谐波能够起到阻断反射作用，使其无法泄露到输入端。紧接着该信号经过第二级倍频电路，倍频电路也由一对平衡式二极管组成，具有非线性并采用反向并联结构，能够产生输入信号的各次谐波，其中偶次谐波被抑制，该级倍频电路产生的谐波信号中以输入信号的三次谐波分量，即基波信号的九次谐波分量为主。最后，包含各次谐波的输出信号通过悬置线转波导探头发射到输出波导中，由于输出波导的高通特性，合理地选择波导尺寸，最终输出九次谐波。

如图2所示，本发明实施例公开的一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，该电路通过两级平衡式三倍频器级联的方式实现九倍频功能，获得较高的输出功率。电路包含输入波导7、腔体、九倍频电路芯片9和输出波导8，九倍频电路芯片9放置在矩形腔体或者T型腔体中。放置在矩形腔体中时，九倍频电路芯片9的悬臂梁14用导电胶固定在结构件上。放置在T型腔体中时，九倍频电路芯片9直接粘在T型腔体两侧槽上。

输入探头1位于九倍频电路芯片9一侧，依次经第一级低通滤波器2、第一级匹配传输线12、第二级低通滤波器4、第二级匹配传输线13与输出探头6相连接。输入探头1、第一级低通滤波器2、第一级匹配传输线12、第二级低通滤波器4、第二级匹配传输线13与输出探头6都在倍频电路芯片9的基板上。输入探头1为E面输入探针，起到信号从波导转微带线的作用，低通滤波器为5阶或3阶高低阻抗微带线低通滤波器，输入波导7为WR-10矩形波导，输出波导8为WR-1矩形波导。

第一级奇次谐波平衡式三倍频器3包括了第一级匹配传输线12、第一太赫兹倍频二极管单管15、第二太赫兹倍频二极管单管16、第一直流偏置线19、第二直流偏置线20、第一片上电容10、第二片上电容11以及悬臂梁14。第一太赫兹倍频二极管单管15、第二太赫兹倍频二极管单管16连接在第一级匹配传输线12的两侧。第二太赫兹倍频二极管单管16的阳极与第一级匹配传输线12相连，第二太赫兹倍频二极管单管16的阴极与第二直流偏置线20相连。第一太赫兹倍频二极管单管15的阴极与第一级匹配传输线12相连，第一太赫兹倍频二极管单管15的阳极与第一直流偏置线19相连。第一直流偏置线19、第二直流偏置线20通过键合的方式与外部直流电源相连接。第二直流偏置线20连接第二片上电容11，第一直流偏置线19连接第一片上电容10。第一片上电容10以及第二片上电容11与悬臂梁14相连接，悬臂梁14通过导电胶与结构件相连，起到交流地的作用。

第二级奇次谐波平衡式三倍频器5包括了第二级匹配传输线13、第三太赫兹倍频二极管单管17、第四太赫兹倍频二极管单管18、第三直流偏置线21、第四直流偏置线22、第一片上电容10、第二片上电容11以及悬臂梁14。第三太赫兹倍频二极管单管17、第四太赫兹倍频二极管单管18连接在第二级匹配传输线13的两侧。第四太赫兹倍频二极管单管18的阳极与第一级匹配传输线13相连，第四太赫兹倍频二极管单管18的阴极与第四直流偏置线22相连。第三太赫兹倍频二极管单管17的阴极与第一级匹配传输线13相连，第三太赫兹倍频二极管单管17的阳极与第三直流偏置线21相连。第三直流偏置线21、第四直流偏置线22通过键合的方式与外部直流电源相连接。第四直流偏置线22连接第二片上电容11，第三直流偏置线21连接第一片上电容10。第一片上电容10以及第二片上电容11与悬臂梁14相连接，悬臂梁14通过导电胶与结构件相连，起到交流地的作用。第三直流偏置线21、第四直流偏置线22也可分别连接独立的第三片上电容、第四片上电容，第三片上电容以及第四片上电容与悬臂梁14相连接，悬臂梁14通过导电胶与结构件相连，起到交流地的作用。

Claims (7)

1.一种太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，包括输入波导、腔体、九倍频电路芯片和输出波导；所述九倍频电路芯片放置在腔体中，一端连接输入波导，另一端连接输出波导；所述九倍频电路芯片的基板上设有依次相连的输入探头、第一级低通滤波器、第一级匹配传输线、第二级低通滤波器、第二级匹配传输线与输出探头；

所述第一级匹配传输线的一侧连接第一太赫兹倍频二极管单管的阴极，另一侧连接第二太赫兹倍频二极管单管的阳极，第一太赫兹倍频二极管单管的阳极与第一直流偏置线相连，第二太赫兹倍频二极管单管的阴极与第二直流偏置线相连；第一直流偏置线、第二直流偏置线通过键合的方式与外部直流电源相连接；第一直流偏置线连接第一片上电容，第二直流偏置线连接第二片上电容，第一片上电容以及第二片上电容接交流地；

所述第二级匹配传输线的一侧连接第三太赫兹倍频二极管单管的阴极，另一侧连接第四太赫兹倍频二极管单管的阳极，第三太赫兹倍频二极管单管的阳极与第三直流偏置线相连，第四太赫兹倍频二极管单管的阴极与第四直流偏置线相连；第三直流偏置线、第四直流偏置线通过键合的方式与外部直流电源相连接；第三直流偏置线连接第一片上电容或接交流地的第三片上电容，第四直流偏置线连接第二片上电容或接交流地的第四片上电容。

2.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述第一片上电容以及第二片上电容与悬臂梁相连接，所述悬臂梁通过导电胶与结构件相连，起到交流地的作用。

3.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述输入探头为E面输入探针。

4.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述第一级低通滤波器和第二级低通滤波器为5阶或3阶高低阻抗微带线低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述输入波导为WR-10矩形波导。

6.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述输出波导为WR-1矩形波导。

7.根据权利要求1所述的太赫兹两级级联平衡式九倍频器电路，其特征在于，所述腔体为矩形腔体或者T型腔体；所述九倍频电路芯片悬置在矩形腔体内，采用悬臂梁进行固定或者放置在T型腔体中，将芯片基片两侧粘到结构件上。

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