CN111884592B - 一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹器件技术领域，涉及一种太赫兹偶次倍频器,具体为一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件。本发明通过在悬置微带的基板底部设置了开口金属环结构，由于开口环在肖特基二极管处位置有一个电场汇聚的作用，使得能量能更好的馈入肖特基二极管，提高了太赫兹波的利用效率，增加了整体的电路性能，增加了整体倍频器的倍频效率及输出功率。

Description

一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，涉及一种太赫兹偶次倍频器,具体为一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件。
背景技术
通常将频率在0.1-10THz范围内的电磁波定义为太赫兹波(THz波)，它是介于毫米波和红外光之间，处于从电子学向光学的过渡区。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、雷达、射电天文中应用广泛。由于太赫兹波频频率较高，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。
传统的倍频器都是将基波先通过标准矩形波导传输后通过微带探针过渡实现将太赫兹波导入在太赫兹电路上，传统的太赫兹电路是从电路角度来进行射频电路的匹配的，没有从场的角度进行能量的分析，无法完全达到二极管的工作特性，使得倍频器的工作效率及输出功率较低。
发明内容
针对上述存在的问题或不足，为解决现有太赫兹倍频器工作效率低和输出功率低的问题，本发明提供了一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件。
基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件在介质基板底部肖特基二极管处添加放置了开口环，该环能够将工作频段的电场集中在二极管的中心处，使得更多的能量能够馈入二级管，实现二极管工作在更佳的状态。
对于倍频器而言，输入信号为正弦信号vin＝V0cosw0t,输出电流为
Figure BDA0002635241920000011
由上式可知，输出信号中包含了大量的谐波分量及直流分量，我们可以在输出电路匹配后，通过加入滤波器等电路结构，将我们需要的信号滤出，而反射不需要的信号，进而增加效率。
一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，包括输入端波导、输出端微带波导过渡、开口环结构和太赫兹倍频电路；
所述输入端波导为两段式结构，一段为标准WR-10波导输入，另一段为输入减高波导，输入减高波导末级为第一短路面，标准WR-10波导依次与输入减高波导和悬置微带连接。标准波导输入的电磁波模式为TE10模，通过改变输入减高波导的长度及第一段短路面至二极管的距离，进行输入匹配，使得能量能够更好的汇入二极管内。
所述输出端微带波导过渡为两段式结构，包括一段标准WR-5波导，另一段为输出减高波导,输出减高波导的末级为第二短路面。输出端微带波导过渡将肖特基二极管产生的，通过太赫兹倍频电路传输得到的准TEM二次谐波，转换成TE10模输出。
所述太赫兹倍频电路包括依次连接的悬置微带、肖特基二极管、输出匹配电路、四分之一匹配过渡和高低阻抗滤波器。
悬置微带它具有较小的传输损耗、较弱的色散特性、较宽的频带范围及较大的阻抗范围，散热性能好，而且制作公差要求不严，是混合和单片集成电路的较好选择。
肖特基二极管为肖特基二极管，其最显著的特点为反向恢复时间极短，尤其适合高频的应用，同时利用二极管的非线性效应，当基波通过输入端波导进入二极管内时，二极管能够产生多次谐波，通过之后的输出匹配电路，将肖特基二极管产生的不需要的高次谐波反射掉，从而得到我们所需要的二次谐波。
四分之一匹配过渡为连接输出匹配电路与输出端微带波导过渡的连接部分。该部分为多枝节结构，其长度为波长的四分之一，由于悬置微带是由不同阻抗的枝节直接相连，会造成太赫兹波的反射，利用四分之一微带过渡结构，能够拓展带宽及减少反射，对电路匹配有很好的效果。
高低阻抗滤波器接输出减高波导，其主要的目的是用于直流馈电，同时防止产生的二次谐波能量通过直流端泄露，使能量通过输出端微带波导过渡输出。
所述开口环结构为金属的劈裂式开口谐振环，设置于悬置微带的基板背面，其开口处位于肖特基二极管的正下方，且开口部分被肖特基二极管在基片上的投影全覆盖，由于在输入减高波导内电场为TE10模式，电场方向垂直于环的开口处，由于环的尺寸与波长相比拟，电磁波就会汇聚在环的开口处，从而产生很强烈的电场即产生谐振。功率的表达式为P＝U2/R，很明显的发现，当电场U增大时，功率能够有明显的提高。
进一步的，所述太赫兹倍频电路使用的是石英基片。
进一步的，所述肖特基二极管为平面肖特基二极管。
进一步的，在本发明中倍频器使用的是平衡结构，该结构不会产生三次谐波，从而不必设计三次谐波的滤波电路，该特点使得太赫兹倍频器的电路尺寸减小，有利于降低电路的内部损耗。
综上可见，本发明通过在悬置微带的基板底部设置了开口金属圆环结构，由于开口环在肖特基二极管处位置有一个电场汇聚的作用，使得能量能更好的馈入肖特基二极管，提高了太赫兹波的利用效率，增加了整体的电路性能，增加了整体倍频器的的倍频效率及输出功率。
附图说明
图1为实施例的开口环结构电场分布示意图；
图2为实施例中肖特基二极管的结构电路示意图；
图3为实施例的整体电路示意图；
图4为实施例有开口环结构与无环结构效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明通过使用HFSS仿真软件，标准矩形波导输入太赫兹基波，通过改变输入减高波导的长度及第一段短路面至二极管的距离，进行输入匹配，使得能量能够更好的汇入二极管内，将输入能量传输至倍频电路中。
所述高低阻抗滤波器其结构为六阶高低阻抗低通滤波器。
如图3所示，第一短路面的距离表示肖特基二极管距离输入探针端口的距离，为输出高次谐波的四分之一波长。通过调整输入减高波导的尺寸，以实现输入信号的S(1，1)反射系数能够稳定在-20dB以下。
图4为本实施例有开口环结构与无环结构的效率对比图。通过在悬置微带的基板底部设置的开口金属圆环结构，由于开口环在肖特基二极管处位置有一个电场汇聚的作用，使得能量能更好的馈入肖特基二极管，用于增加整体倍频器的的倍频效率及输出功率。
再通过输出匹配电路的设计，使得输出的二次谐波能够完全输出。同时采用四分之一波长匹配输出，将能量由输出匹配电路过渡到输出端微带波导过渡。
在本实施例中倍频器使用的是平衡结构，该结构不会产生三次谐波，从而不必设计三次谐波的滤波电路，该特点使得太赫兹倍频器的电路尺寸减小，有利于降低电路的内部损耗。
综上可见，本发明通过在悬置微带的基板底部设置了开口金属圆环结构，由于开口环在肖特基二极管处位置有一个电场汇聚的作用，使得能量能更好的馈入肖特基二极管，提高了太赫兹波的利用效率，增加了整体的电路性能，增加了整体倍频器的的倍频效率及输出功率。

Claims (6)

1.一种基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：包括输入端波导、输出端微带波导过渡、开口环结构和太赫兹倍频电路；
所述输入端波导为两段式结构，一段为标准WR-10波导输入，另一段为输入减高波导，输入减高波导末级为第一短路面，标准WR-10波导依次与输入减高波导和悬置微带连接；标准波导输入的电磁波模式为TE10模，通过改变输入减高波导的长度及第一段短路面至二极管的距离，进行输入匹配，使得能量汇入二极管内；
所述输出端微带波导过渡为两段式结构，包括一段标准WR-5波导，另一段为输出减高波导，输出减高波导的末级为第二短路面；输出端微带波导过渡将肖特基二极管产生的，通过太赫兹倍频电路传输得到的准TEM二次谐波，转换成TE10模输出；输出减高波导与四分之一匹配过渡连接，作为输出端微带波导过渡的输入端；标准WR-5波导作为输出端微带波导过渡的输出端，也是整个倍频器件的输出端；
所述太赫兹倍频电路包括依次连接的悬置微带、肖特基二极管、输出匹配电路、四分之一匹配过渡和高低阻抗滤波器；
肖特基二极管通过之后的输出匹配电路，将其产生的不需要的高次谐波反射掉，从而得到所需要的二次谐波；
四分之一匹配过渡为连接输出匹配电路与输出端微带波导过渡的连接部分，为多枝节结构，其长度为波长的四分之一；
高低阻抗滤波器接输出减高波导，用于直流馈电，同时防止产生的二次谐波能量通过直流端泄露，使能量通过输出端微带波导过渡输出；
所述开口环结构为金属的劈裂式开口谐振环，设置于悬置微带的基板背面，其开口处位于肖特基二极管的正下方，且开口部分被肖特基二极管在基片上的投影全覆盖；开口环结构与输入的电磁波产生谐振，并且输入的电磁波汇聚在环的开口处。
2.如权利要求1所述基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：所述太赫兹倍频电路使用的是石英基片。
3.如权利要求1所述基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：所述肖特基二极管为平面肖特基二极管。
4.如权利要求1所述基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：所述高低阻抗滤波器其结构为六阶高低阻抗低通滤波器。
5.如权利要求1所述基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：所述开口环结构为开口圆环。
6.如权利要求1所述基于超材料结构的太赫兹双面二倍频器件，其特征在于：采用平衡结构。
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