CN111769804A - 一种基于mim电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器,由波导转悬置线探头、输入低通滤波器、非线性二极管对平衡结构、MIM电容、电感线圈、悬置线转波导探头及T型腔体等结构组成。波导转悬置线探头用于输入端信号源以及输出端输出波导转换连接，信号源通过低通滤波器滤波，输出信号源经过肖特基二极管对平衡结构中心耦合，产生具有三倍谐波的非线性波；肖特基二极管对采用多对反向并联结构,抑制偶次谐波并提高耐功率高电压性能。二极管偏置电压VDD端添加MIM电容接地及电感，分流交流信号，降低偏置电压干扰。放置倍频器腔体采用T型结构，降低悬臂梁使用，降低噪声干扰。该三倍频器结构具有稳定性好、高倍频效率、低噪声等特点。

Description

一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍 频器

技术领域

本发明涉及太赫兹三倍频器技术领域，具体的说是一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器。

背景技术

太赫兹波(0.1~10THz)为宏观电子学与微观光子学过渡区域，介于成熟的微波电子学理论与光学理论之间，在国防军事，生物医疗，天文气象，无线通信等领域拥有重要的学术和应用价值。太赫兹技术发展主要方向之一为太赫兹波的产生，目前兼具室温工作、小尺寸、长寿命、高效率、连续波输出的太赫兹源一直是太赫兹技术发展的重要目标，因此在太赫兹应用中太赫兹单片集成电路即以固态电子方式，微电子学方法实现方法具有较大优势。

太赫兹频段微电子集成电路发射源主要通过倍频器将低频信号倍频为高频信号的方式来实现。倍频器是指能够利用非线性效应使输入的单音信号频率向上整数倍搬移并输出的器件，主要是通过基于二端口器件的倍频方法和基于三端口器件的放大方法实现信号频率和功率的提高，其原理主要是通过非线性器件，一般主要采用异质结势垒变容管（HBV）或肖特基二极管作为倍频器件，从而形成非线性的输出响应Vo。将特定次数的谐波分量提取出来，实现特定次数的倍频功能。

随着对太赫兹探测的自主化需求更加迫切，高灵敏度、高集成度、低噪声、集幅值、相位、极化信息探测于一体，将是下一步研究的重点和有待突破的关键问题。目前国外半导体固态源电路结构层出不穷，电路指标不断改善，而国内太赫兹固态源领域的研究现状来看，在太赫兹技术方面还具有一定的差距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，该种太赫兹三倍频器具有高功率、高线性度和高稳定性等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：包括波导转悬置线探头、低通滤波器、非线性二极管对平衡结构、 MIM电容和悬置线转波导探头，所述的波导转悬置线探头的输入端与信号源连接，所述的波导转悬置线探头的输出端与输入低通滤波器的输入端连接，输入低通滤波器输出的信号经过非线性二极管对平衡结构后输入悬置线转波导探头的输入端，所述的悬置线转波导探头的输出端用于输出信号；

所述的非线性二极管对平衡结构包括第一二极管组和第二二极管组，所述的第一二极管组和第二二极管组均包括同向顺次连接的若干个二极管，所述的第一二极管组和第二二极管组内二极管数量相同且二极管数量不少于2个，所述的第一二极管组和第二二极管组对于输入低通滤波器的输出信号呈反向并联；

所述的第一二极管组远离输入低通滤波器的输出信号一端与第一电感一端连接，第一电感另一端与VEE端连接，所述的第二二极管组远离输入低通滤波器的输出信号一端与第二电感一端连接，第二电感另一端与VDD端连接，所述的第二二极管组靠近VDD端一端与MIM电容一端连接，MIM电容另一端通过悬臂梁接地，所述的VDD端和VEE端共同用于为第一二极管组和第二二极管组提供偏置电压。

所述的第一二极管组包括二极管Q1和二极管Q2，所述的第二二极管组包括二极管Q3和二极管Q4，所述的二极管Q1的负极与二极管Q2的正极连接，二极管Q1的正极与第一电感一端连接；所述的二极管Q4的正极与二极管Q3的负极连接，二极管Q4的负极与第二电感一端连接。

所述的输入低通滤波器、第一二极管组和第二二极管组组成倍频芯片，所述的倍频芯片基底采用GaAs宽禁带化合物半导体材料，所述的二极管Q1、二极管Q2、二极管Q3和二极管Q4均采用GaAs基平面型肖特基二极管，所述的第一二极管组和第二二极管组之间形成的肖特基二极管对的有源区尺寸直径1.2um。

所述的倍频芯片铺设在T型腔体内的阶梯槽上，所述的T型腔体用于对倍频芯片进行支撑。

该种基于多对肖特基二极管对、MIM电容结构的太赫兹三倍频器能够产生的有益效果为：第一，倍频芯片基底采用GaAs化合物半导体工艺，单片集成设计技术，GaAs基片直接跃迁型能带，高饱和电子速度和电子迁移率，少子扩散长度短及且电常数较高等优异性能，使SBD器件具有高频，响应速率快、低噪声及线性度好等特点，并可用于对高低阻抗线尺寸较大的缺点进行补偿。第二，采用两对反向并联肖特基二极管为基础的倍频器电路结构，两对肖特基二极管提升其耐功率耐压性能，工作稳定，线性度更好；反向并联结构使偶次谐波形成虚拟回路，具有抑制偶次谐波的功能，从而提升倍频效率，降低功耗及噪声干扰，集成度更高。第三，在施加直流电压二极管对一端添加MIM电容结构并在两边分别添加电感可抑制交流信号流入直流电压端，通过MIM电容流入大地，充分滤掉交流信号源带来干扰，二极管工作电压偏压更稳定可靠，产生的非线性输出信号具有更低噪声，倍频效率更高的特性。第四，倍频芯片直接置放于T型腔体中且只有MIM电容及V_EE直流端悬臂梁，不需要额外的悬臂梁支撑芯片，大大降低耦合效应，降低噪声。

附图说明

图1为本发明一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的电路示意图。

图2为本发明一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器中T型腔体的剖面图。

图3为本发明一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器中T型腔体的俯视图。

说明书附图标记：1，第一二极管组、2，第二二极管组、3，第一电感、4，第二电感。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：包括波导转悬置线探头、输入低通滤波器、非线性二极管对平衡结构、 MIM电容和悬置线转波导探头，所述的波导转悬置线探头的输入端与信号源连接，所述的波导转悬置线探头的输出端与输入低通滤波器的输入端连接，输入低通滤波器输出的信号经过非线性二极管对平衡结构后输入悬置线转波导探头的输入端，所述的悬置线转波导探头的输出端用于输出信号；

所述的非线性二极管对平衡结构包括第一二极管组1和第二二极管组2，所述的第一二极管组和第二二极管组均包括同向顺次连接的若干个二极管，所述的第一二极管组和第二二极管组内二极管数量相同且二极管数量不少于2个，所述的第一二极管组和第二二极管组对于输入低通滤波器的输出信号呈反向并联；

所述的第一二极管组1远离输入低通滤波器的输出信号一端与第一电感3一端连接，第一电感3另一端与VEE端连接，所述的第二二极管组2远离输入低通滤波器的输出信号一端与第二电感4一端连接，第二电感4另一端与VDD端连接，所述的第二二极管组2靠近VDD端一端与MIM电容一端连接，MIM电容另一端通过悬臂梁接地，所述的VDD端和VEE端共同用于为第一二极管组1和第二二极管组2提供偏置电压。

本实施例中，输入低通滤波器、第一二极管组1和第二二极管组2组成倍频芯片，所述的倍频芯片基底采用GaAs化合物半导体，所述的化合物半导体GaAs为微波线路和雷达系统中电路的理想材料，半导体GaAs为直接跃迁型能带结构，禁带宽度1.43eV, 具有高饱和电子速度和电子迁移率，少数载流子扩散长度短，高熔点, 600摄氏度以下可稳定存在，耐高温，且易制成单晶。二极管Q1、二极管Q2、二极管Q3和二极管Q4均采用GaAs基平面型肖特基二极管，所述的第一二极管组1和第二二极管组2之间形成的肖特基二极管对的有源区尺寸直径1.2um，为微米级结构。所述的第一二极管组1包括二极管Q1和二极管Q2，所述的第二二极管组2包括二极管Q3和二极管Q4，所述的二极管Q1的负极与二极管Q2的正极连接，二极管Q1的正极与第一电感3一端连接；所述的二极管Q4的正极与二极管Q3的负极连接，二极管Q4的负极与第二电感4一端连接。

进一步的，肖特基二极管具有高频特性，无电导调制效应，并且其结构简单、可靠性高、成本低廉、室温工作等特点，采用两对肖特基二极管对，提高了内阻和电容，提高其线性度，降低二极管工作电压不稳定情况，增加了耐功率耐电压的性能，从而得到较优异的性能。第一二极管组1和第二二极管组2内的肖特基二极管对采用反向并联结构，输入输出信号均由二极管对中心耦合，直流偏置从二极管一端加载，偏置电压通过两侧在腔体开窗分别供给VDD与VEE，使二极管处于偏置工作状态。二极管对于输入信号呈现反向并联，对于直流偏置则为串联。该结构可使输入输出信号均由二极管对中心耦合，在此种结构下，偶次谐波形成虚拟回路，以此可实现抑制偶次谐波的功能，降低噪声干扰，只留奇次谐波进入输出端，提高三倍频器效率。

进一步的，第一二极管组1和第二二极管组2和电压端之间要分别连接第一电感3和第二电感4，阻止交流信号进入电压源。

进一步的，在直流偏置端VDD接一个MIM电容，MIM电容通过悬臂梁接地，使通过二极管的交流信号通过MIM电容及悬臂梁流入大地，进一步降低交流信号的干扰，充分滤掉交流，防止肖特基二极管SBD工作偏置电压不稳定，造成输出信号噪声干扰。

本实施例中，倍频芯片铺设在T型腔体内的阶梯槽上，所述的T型腔体用于对倍频芯片进行支撑。所述的T型腔体的结构如图2和图3所示，采用T型腔体对倍频芯片进行支撑将代替传统结构中外接的悬臂梁，消除了外接悬臂梁会对芯片产生耦合等相互影响，因此，采用T型腔体用于对倍频芯片进行支撑能够消除噪声干扰，提高效率。

信号源基波从波导转悬置线探头输入后，通过低通滤波器滤波，去除杂散的频率信号，形成频率较单一的信号源，该信号源经过偏置电压工作的非线性二极管对平衡结构，输入输出信号由第一二极管组1和第二二极管组2中心耦合，输出信号V_O形成非线性谐波，即包含三倍频率谐波分量的输出信号，输入的交流信号通过肖特基二极管后，被电感阻止流入片置电压区域，通过MIM电容，流入大地。输出信号会流向信号源方向，被低通滤波器阻止泄漏到输入端，最终通过悬置线探头转波导探头和波导WR-3输出,输出信号通过输入输出阻抗匹配网络与滤波电路，将三次谐波分量提取出来，即可实现三倍频器的倍频功能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：包括波导转悬置线探头、低通滤波器、非线性二极管对平衡结构、 MIM电容和悬置线转波导探头，所述的波导转悬置线探头的输入端与信号源连接，所述的波导转悬置线探头的输出端与输入低通滤波器的输入端连接，输入低通滤波器输出的信号经过非线性二极管对平衡结构后输入悬置线转波导探头的输入端，所述的悬置线转波导探头的输出端用于输出信号；

所述的非线性二极管对平衡结构包括第一二极管组（1）和第二二极管组（2），所述的第一二极管组和第二二极管组均包括同向顺次连接的若干个二极管，所述的第一二极管组和第二二极管组内二极管数量相同且二极管数量不少于2个，所述的第一二极管组和第二二极管组对于输入低通滤波器的输出信号呈反向并联；

所述的第一二极管组（1）远离输入低通滤波器的输出信号一端与第一电感（3）一端连接，第一电感（3）另一端与VEE端连接，所述的第二二极管组（2）远离输入低通滤波器的输出信号一端与第二电感（4）一端连接，第二电感（4）另一端与VDD端连接，所述的第二二极管组（2）靠近VDD端一端与MIM电容一端连接，MIM电容另一端通过悬臂梁接地，所述的VDD端和VEE端共同用于为第一二极管组（1）和第二二极管组（2）提供偏置电压。

2.如权利要求1所述的一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：所述的第一二极管组（1）包括二极管Q1和二极管Q2，所述的第二二极管组（2）包括二极管Q3和二极管Q4，所述的二极管Q1的负极与二极管Q2的正极连接，二极管Q1的正极与第一电感（3）一端连接；所述的二极管Q4的正极与二极管Q3的负极连接，二极管Q4的负极与第二电感（4）一端连接。

3.如权利要求2所述的一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：所述的输入低通滤波器、第一二极管组（1）和第二二极管组（2）组成倍频芯片，所述的倍频芯片基底采用GaAs宽禁带化合物半导体材料，所述的二极管Q1、二极管Q2、二极管Q3和二极管Q4均采用GaAs基平面型肖特基二极管，所述的第一二极管组（1）和第二二极管组（2）之间形成的肖特基二极管对的有源区尺寸直径1.2um。

4.如权利要求3所述的一种基于MIM电容及多对肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于：所述的倍频芯片铺设在T型腔体内的阶梯槽上，所述的T型腔体用于对倍频芯片进行支撑。

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