CN112003570A - 一种高频宽带的毫米波噪声源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频宽带的毫米波噪声源及其制备方法，其中毫米波噪声源包括：偏置电路与雪崩二级管、悬带式匹配电路及微带‑同轴转换器依次连接，为保证雪崩二极管的工作电流恒定，在结构中偏置电路与雪崩二级管之间设置有过压保护电路，具有高隔离度输出、低噪声输出电压的特点，用以保证雪崩二极管工作在恒流状态。同时采用了悬带式匹配电路结构，可将频率范围拓展至110GHz，从而实现高频宽带噪声信号稳定输出；最后末级通过微带‑同轴转换器进行转换，实现信号稳定输出。使用微带转同轴的输出方式替代传统噪声源波导转同轴的形式，提升了超噪比，优化了驻波比。

Description

一种高频宽带的毫米波噪声源及其制备方法

技术领域

本发明涉及毫米波宽带噪声源技术领域，尤其涉及的是一种高频宽带的毫米波噪声源及制备方法。

背景技术

噪声系数测量在微波毫米波测量领域中占有重要的地位。在噪声特性的测试中，噪声源是一个重要的组成部分，它的准确度对最终噪声测试的准确度具有重大的影响。随着毫米波技术的不断发展，传统的固态噪声源对于实现高频噪声信号的稳定输出难度较大，特别是产生Ka波段以上的高频宽带信号。目前传统的毫米波宽带噪声源的产生方式如图1所示，由恒流源加于雪崩二极管之上，通过雪崩二极管产生白噪声，通过在输入端口增加低通滤波器实现抑制噪声功率的泄露，通过衰减器和波导-同轴-微带转换器共同协调电路的阻抗匹配，实现噪声信号的输出。而毫米波段噪声源一般采用波导结构安装雪崩二极管，为了实现波导阻抗与雪崩二极管阻抗的匹配，采用阶梯1/4λg阻抗变换器将波导的阻抗进行变换，可以实现波导到雪崩二极管的阻抗匹配。阶梯变换的尺寸对阻抗变换有很大的影响，如图2所示为现有技术噪声源结构示意图，为便于系统测试使用，通常采用波导-同轴的转换方式最终实现噪声信号输出。

现有技术主要存在以下两点缺点：(1)噪声源各级组件之间未处于同一平面，而采用了较为复杂的三维结构进行匹配和转换，存在较大的传输损耗，导致噪声信号超噪比较低。(2)1/4λg阻抗变换器尺寸对阻抗变换有很大的影响，难以实现宽带高频信号(例如在67GHz-110GHz频段)由波导到雪崩二极管的阻抗匹配，同时无法兼顾对驻波的调节。

发明内容

本发明提出了一种高频宽带的毫米波噪声源，毫米波噪声源采用雪崩噪声二极管最终实现50GHz-110GHz的高频宽带噪声信号输出。为实现宽带高频噪声信号的阻抗匹配，设计了一种新型悬带式匹配电路，可将频率范围拓展至110GHz；整体电路采用平面式结构，降低了加工装配的难度，减小了传输过程中的损耗；信号输出采用微带转同轴来替换波导转同轴的形式，保证了输出信号的超噪比和驻波比，更加便于测试使用，解决现有电路结构转换复杂、加工装配难度大、超噪比低的问题。

本发明的技术方案如下：一种高频宽带的毫米波噪声源，其特征在于，包括：偏置电路、雪崩二极管、悬带式衰减匹配电路、陶瓷电容、微带-同轴转换器依次由纯金丝连接设置于腔体中，腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，悬带式衰减匹配电路设置位置需要在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽，镂空槽深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长；悬带式衰减匹配电路由石英基片和铜箔及导电胶组成；偏置电路为雪崩二极管供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路中包含过压保护电路防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏。

上述中，使用石英基片作为悬带式衰减匹配电路的介质基底，石英基片的相对介电常数为4.4，厚度为0.127；将石英基片设置于镂空槽的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽。

上述中，所述陶瓷电容设置在镂空槽的一个边缘处，雪崩二极管设置在陶瓷电容的上表面，在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片上表面保持水平一致。

上述中，所述设置微带-同轴转换器于镂空槽的另一侧边缘处，靠近石英基片，间距不大于0.05mm；采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体的输出端面上。

本发明还提供一种高频宽带的毫米波噪声源制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置偏置电路、雪崩二极管、悬带式衰减匹配电路、陶瓷电容、微带-同轴转换器依次由纯金丝连接设置于腔体中，腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，悬带式衰减匹配电路设置位置需要在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽，镂空槽深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长；悬带式衰减匹配电路由石英基片和铜箔及导电胶组成；偏置电路为雪崩二极管供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路中包含过压保护电路防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏；腔体采用纯铜质金属，其高度根据不同频段波长确定；

步骤2：腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，偏置电路为雪崩二极管供电，使二极管处于稳定的恒流工作状态；设置偏置电路和保护电路的电压调节灵敏度不大于0.002dB/V；

步骤3：采用石英基片作为悬带式衰减匹配电路的介质基底，石英基片的相对介电常数为4.4，厚度为0.127；将石英基片设置于镂空槽的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽；

步骤4：悬带式衰减匹配电路为宽频带π型电阻衰减匹配网络，采用真空镀膜技术将TaN电阻膜溅射在石英基片上，方阻为50Ω，设置电阻衰减网络兼顾频带的低端和高端，工艺上电阻衰减匹配网络制作时要求薄膜电阻均匀。

步骤5：在石英基片两侧采用铜箔及导电胶粘连的方式增加接地面积以保证其良好的接地性；在石英片边角表面处做具有一定弧型的表面化处理；

步骤6：陶瓷电容设置在镂空槽的一个边缘处，雪崩二极管设置在陶瓷电容的上表面，在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片上表面保持水平一致；

步骤7：设置微带-同轴转换器于镂空槽的另一侧边缘处，靠近石英基片，间距不大于0.05mm，采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体的输出端面上；

步骤8：设置雪崩二极管，悬带式衰减匹配电路以及微带-同轴转换器的上表面保持在同一水平高度。

本发明与现有技术相比实现了宽带高频噪声信号输出，采用了新型悬带式匹配电路，可将频率范围拓展至110GHz；整体电路采用平面式结构，降低了加工装配的难度，减小了传输过程中的损耗；使用微带转同轴的方式替代传统波导的发生结构，优化了驻波比，提升了超噪比。

附图说明

图1为现有技术中毫米波宽带噪声源产生示意图。

图2为现有技术中噪声源结构示意图。

图3本发明高频宽带的毫米波噪声源原理图。

图4本发明高频宽带的毫米波噪声源悬带式衰减匹配电路正视图。

图5为本发明高频宽带的毫米波噪声源结构侧视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的一个实施例是，提出的一种高频宽带的毫米波噪声源的制备方法，可以实现50GHz-110GHz宽带高频噪声信号输出，从而解决现有电路结构转换复杂、加工装配难度大、超噪比和驻波比不可控的问题。其中，本发明高频宽带的毫米波噪声源的结构示如图3、图4及图5所示包括：偏置电路3，雪崩二极管4，悬带式衰减匹配电路5，陶瓷电容8，微带-同轴转换器9依次由纯金丝10连接设置于腔体1中，腔体1的一个端面中间区域设置偏置电路3，悬带式衰减匹配电路5的实现需在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽2，镂空槽2深度需大于下限频率的二分之一波长，可以实现高频宽带噪声信号的输出；上述中，悬带式衰减匹配电路5由石英基片6和铜箔及导电胶7组成。采用石英基片6作为悬带式衰减匹配电路5的介质基底，石英基片6的相对介电常数为4.4，厚度为0.127。将石英基片6设置于镂空槽2的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽。陶瓷电容8设置在镂空槽2的一个边缘处，雪崩二极管4设置在陶瓷电容8的上表面，为保证信号传输过程中的连贯性，需在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片6上表面保持水平一致。设置微带-同轴转换器9于镂空槽2 的另一侧边缘处，靠近石英基片6，间距不大于0.05mm。微带-同轴转换器具有低插损、自锁性强的特点，采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体1的输出端面上，其限位保护功能使转换器内导体不会过度伸入腔体内部引起石英片的损坏，从而实现信号稳定输出。

偏置电路3为雪崩二极管4供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路3 中包含过压保护电路可以防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏。产生的噪声信号通过悬带式衰减匹配电路进行传送，悬带式衰减匹配电路5可以优化宽带信号的频响，保证信号输出的驻波比和准确度。输出端口采用微带-同轴转换器9，微带-同轴转换器9具有插损低、自锁性强的特点，可以提升输出信号的超噪比，优化了驻波比。陶瓷电容8，用于滤去雪崩二极管4对偏置电路3产生的反向高频干扰，同时可以调节二极管与石英基片6 的水平高度一致性。陶瓷电容8用于：1是滤波功能，可以使雪崩二极管产生的噪声信号不会反向传输到偏置电路上影响电路正常工作。2是起支撑雪崩二极管高度的作用，使二极管与石英片可以保持同一高度。

具体实现方式为：一种高频宽带的毫米波噪声源制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置偏置电路、雪崩二极管、悬带式衰减匹配电路、陶瓷电容、微带-同轴转换器依次由纯金丝连接设置于腔体中，腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，悬带式衰减匹配电路设置位置需要在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽，镂空槽深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长；悬带式衰减匹配电路由石英基片和铜箔及导电胶组成；偏置电路为雪崩二极管供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路中包含过压保护电路防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏；腔体1采用纯铜质金属，其高度根据不同频段波长确定。例如50-110GHz频段其波长为：2.7mm～6mm，腔体高度选定为12mm。悬带式衰减匹配电路5的实现需在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽2，镂空槽2深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长。根据其选定尺寸进行切割，腔体表面通体采用镀软金的工艺方式实现，可以保证噪声信号传输过程中屏蔽性及整个电路良好的接地性。

步骤2：腔体1的一个端面中间区域设置偏置电路3，偏置电路为雪崩二极管4供电，使二极管处于稳定的恒流工作状态，具有隔离度高、低噪声的特点。保护电路包含在偏置电路中，可以保护雪崩二极管不被高电压击穿损坏，例如本专利的偏置电路3的电压调节灵敏度不大于0.002dB/V。

步骤3：采用石英基片6作为悬带式衰减匹配电路5的介质基底，石英基片6的相对介电常数为4.4，厚度为0.127。将石英基片6设置于镂空槽2 的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽，例如设计该石英基片宽度为1.5mm。

步骤4：衰减匹配电路采用悬带线，在石英基片6上表面设计了宽频带π型电阻衰减匹配网络，采用真空镀膜技术将TaN电阻膜溅射在石英基片上，方阻为50Ω。由于工作频带较宽，要求电阻衰减网络设计时要兼顾频带的低端和高端，为保证匹配电路的频响，工艺上电阻衰减匹配网络制作时要求薄膜电阻均匀。

步骤5：悬带式的结构使得石英基片6接地性较差，在石英基片两侧采用设置铜箔及导电胶7的方式增加接地面积以保证其良好的接地性；由于石英片容易引起信号传输过程中的附加反射，需在石英片边角表面处做表面化处理，例如具有一定弧度的外形可以有效的改变宽频带内的匹配性。衰减网络的频响影响到雪崩二极管输出超噪比的频响，同时衰减网络的衰减量的大小影响到输出端口的超噪比的大小，本发明匹配网络可以使输出端口具有较好的输出驻波比，提高噪声系数测量的准确度。

步骤6：陶瓷电容8设置在镂空槽2的一个边缘处，雪崩二极管4设置在陶瓷电容8的上表面，为保证信号传输过程中的连贯性，需在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片6上表面保持水平一致。

步骤7：设置微带-同轴转换器9于镂空槽2的另一侧边缘处，靠近石英基片6，间距不大于0.05mm。微带-同轴转换器具有低插损、自锁性强的特点，采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体1的输出端面上，其限位保护功能使转换器内导体不会过度伸入腔体内部引起石英片的损坏，从而实现信号稳定输出。使用微带转同轴的输出方式替代传统噪声源波导转同轴的形式，提升了超噪比，优化了驻波比。

步骤8：设置雪崩二极管4，悬带式衰减匹配电路5以及微带-同轴转换器9的上表面保持在同一水平高度，该平面式结构可以有效保证噪声源输出的连续性与平坦度。

图5所示为本发明噪声源结构侧视图，相对比图2现有技术所示噪声源整体结构，本发明电路采用平面式结构，电路均处于同一水平面上，从三维结构上减小了装配过程中的复杂结构，减小了空间维度上的损耗，降低了加工装配的难度，同时微波传输过程中的损耗得以减小；本发明的匹配电路节省了恒流源、低通滤波器及波导阻抗变换器在三维结构上所占用的空间；石英基片的制作成本较阶梯状四分之一波长阻抗变换器要低，可以灵活的调整输出超噪比的大小。

本发明与现有技术相比实现了宽带高频噪声信号输出，采用了新型悬带式匹配电路，可将频率范围拓展至110GHz；整体电路采用平面式结构，降低了加工装配的难度，减小了传输过程中的损耗；使用微带转同轴的方式替代传统波导的发生结构，优化了驻波比，提升了超噪比。本发明制备方法可以实现50GHz-110GHz宽带高频噪声信号稳定输出。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高频宽带的毫米波噪声源，其特征在于，包括：偏置电路、雪崩二极管、悬带式衰减匹配电路、陶瓷电容、微带-同轴转换器依次由纯金丝连接设置于腔体中，腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，悬带式衰减匹配电路设置位置需要在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽，镂空槽深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长；悬带式衰减匹配电路由石英基片和铜箔及导电胶组成；偏置电路为雪崩二极管供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路中包含过压保护电路防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏。

2.如权利要求1所述的毫米波噪声源，其特征在于，所述使用石英基片作为悬带式衰减匹配电路的介质基底，石英基片的相对介电常数为4.4，厚度为0.127；将石英基片设置于镂空槽的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽。

3.如权利要求2所述的毫米波噪声源，其特征在于，所述陶瓷电容设置在镂空槽的一个边缘处，雪崩二极管设置在陶瓷电容的上表面，在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片上表面保持水平一致。

4.如权利要求3所述的毫米波噪声源，其特征在于，所述设置微带-同轴转换器于镂空槽的另一侧边缘处，靠近石英基片，间距不大于0.05mm；采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体的输出端面上。

5.一种高频宽带的毫米波噪声源制备方法，特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设置偏置电路、雪崩二极管、悬带式衰减匹配电路、陶瓷电容、微带-同轴转换器依次由纯金丝连接设置于腔体中，腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，悬带式衰减匹配电路设置位置需要在腔体正中位置开一个宽度为1mm的镂空槽，镂空槽深度需大于下限频率50GHz的二分之一波长；悬带式衰减匹配电路由石英基片和铜箔及导电胶组成；偏置电路为雪崩二极管供电使其处于稳定的恒流工作状态，偏置电路中包含过压保护电路防止电压过高而导致雪崩二极管击穿损坏；腔体采用纯铜质金属，

其高度根据不同频段波长确定；

步骤2：腔体的一个端面中间区域设置偏置电路，偏置电路为雪崩二极管供电，使二极管处于稳定的恒流工作状态；设置偏置电路和保护电路的电压调节灵敏度不大于0.002dB/V；

步骤3：采用石英基片作为悬带式衰减匹配电路的介质基底，石英基片的相对介电常数为4.4，厚度为0.127；将石英基片设置于镂空槽的正上方处，基片宽度应大于镂空槽宽；

步骤4：悬带式衰减匹配电路为宽频带π型电阻衰减匹配网络，采用真空镀膜技术将TaN电阻膜溅射在石英基片上，方阻为50Ω，设置电阻衰减网络兼顾频带的低端和高端，工艺上电阻衰减匹配网络制作时要求薄膜电阻均匀；

步骤5：在石英基片两侧采用铜箔及导电胶粘连的方式增加接地面积以保证其良好的接地性；在石英片边角表面处做具有一定弧型的表面化处理；

步骤6：陶瓷电容设置在镂空槽的一个边缘处，雪崩二极管设置在陶瓷电容的上表面，在高度上调整雪崩二极管上表面与石英基片上表面保持水平一致；

步骤7：设置微带-同轴转换器于镂空槽的另一侧边缘处，靠近石英基片，间距不大于0.05mm，采用法兰盘结构通过螺钉固定在腔体的输出端面上；

步骤8：设置雪崩二极管，悬带式衰减匹配电路以及微带-同轴转换器的上表面保持在同一水平高度。

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