CN112019165A - 基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器，所述方案将电容加载的对称式“月牙铲”形宽带滤波电路引入到太赫兹二倍频器设计中，降低了滤波级数减小了泵浦信号的传输损耗，消除了输入泵浦杂散对倍频器性能的影响，同时配合匹配单元实现了谐波信号的回收利用提高了倍频效率，本公开提出的倍频电路可利用微电子工艺进行一体化的集成实现，频率向更高频段扩展更容易。

Description

基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器

技术领域

本公开涉及太赫兹倍频技术领域，特别涉及一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

太赫兹倍频技术是太赫兹固态信号产生的关键技术之一，主要利用固态器件的非线性，产生输入泵浦的高次谐波信号，通过对高次谐波信号的提取，实现太赫兹信号的产生，而二倍频技术由于倍频次数低，在同等的技术路线下较3次、4次等高次倍频的技术路线，具有倍频效率高的天然优势，因此二倍频技术也成为了太赫兹固态信号产生中的常用技术之一，如何提高二倍频器的带宽和效率，解决他们之间相互制约的技术问题，实现太赫兹信号的宽带高效产生，对高性能太赫兹测试仪器的研制具有重要的意义和价值。

发明人发现，目前主要解决的技术方案是采用全金属结构的倍频器拓扑结构，典型的是利用脊波导构成满足平衡式二倍频器的平衡至不平衡的转换结构，该技术路线由于采用了全金属结构的技术路线，消除了介质的影响，减小了传输损耗，能够实现较高的倍频效率，但随着频率的不断攀升、波长不断的减小，使得其对加工制造精度要求越来越高，另外该技术方案中的核心非线性器件和倍频电路采用的混合集成方式，随着频率的升高至300GHz以上，混合集成的精度也已无法满足二倍频电路宽频带和高效率的特性要求。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器，通过将电容加载的对称式“月牙铲”形宽带滤波电路引入到太赫兹二倍频器设计中，该滤波器通过电容加载的对称式“月牙铲”谐振结构，以及谐振结构之间的电容加载，在采用较少的谐振单元情况下，可以实现宽带的滤波，同时由于降低了滤波级数，从而减小了泵浦信号的传输损耗，消除了输入泵浦杂散对倍频器性能的影响，同时配合匹配单元实现了谐波信号的回收利用提高了倍频效率。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，包括：输入探针、输入匹配单元、滤波单元、输出匹配单元以及输出探针，并且顺序连接集成在微带线上；

所述滤波单元为电容加载的对称式月牙铲形宽带低通滤波器。

进一步的，所述输入探针为E面微带探针，其用于采用连续渐变结构实现输入信号的宽带耦合。

进一步的，所述输入匹配单元用于实现所述输入探针和所述滤波单元的的宽带匹配。

进一步的，所述滤波单元用于配合输入波导的高通特性，实现输入泵浦信号的高谐杂散抑止，降低输入泵浦信号各级杂散的影响，满足倍频器宽带特性设计要求。

进一步的，所述滤波单元采用两节谐振结构，并通过两节谐振结构之间的电容加载。

进一步的，所述输出匹配单元用于实现所述滤波单元和所述输出探针之间的宽带匹配。

进一步的，所述二倍频电路还包括T型肖特基二极管，所述输出探针将宽带泵浦信号反馈给所述T型肖特基二极管。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器，所述二倍频器采用上述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开所述方案提出一种基于泵浦谐杂波高抑止的太赫兹宽带高效二倍频器，通过将电容加载的对称式“月牙铲”形宽带滤波电路引入到太赫兹二倍频器设计中，降低了滤波级数减小了泵浦信号的传输损耗，消除了输入泵浦杂散对倍频器性能的影响

(2)本公开所述方案配合匹配单元实现了谐波信号的回收利用提高了倍频效率，发明提出的倍频电路可利用微电子工艺进行一体化的集成实现，频率向更高频段扩展更容易。

(3)本公开提出了一种太赫兹宽带高效二倍频器的电路拓扑形式。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例二中所述的全金属结构太赫兹二倍频器结构示意图。

图2为本公开实施例二中所述的太赫兹宽带高效二倍频器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路。

一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，包括：输入探针、输入匹配单元、滤波单元、输出匹配单元以及输出探针，并且顺序连接集成在微带线上；所述滤波单元为电容加载的对称式月牙铲形宽带低通滤波器。

进一步的，所述输入探针为E面微带探针，其用于采用连续渐变结构实现输入信号的宽带耦合；所述输入匹配单元用于实现所述输入探针和所述滤波单元的的宽带匹配。

进一步的，所述滤波单元用于配合输入波导的高通特性，实现输入泵浦信号的高谐杂散抑止，降低输入泵浦信号各级杂散的影响，满足倍频器宽带特性设计要求；所述滤波单元采用两节谐振结构，并通过两级谐振结构之间的电容加载。

进一步的，所述输出匹配单元用于实现所述滤波单元和所述输出探针之间的宽带匹配，所述二倍频电路还包括T型肖特基二极管，所述输出探针将宽带泵浦信号反馈给所述T型肖特基二极管。

本公开所述方案针对太赫兹二倍频器宽频带、高效率相互制约的难题，和更高太赫兹频率扩展的技术需求，提出了一种太赫兹宽带二倍频电路拓扑结构，主要思想是利用波导作为平衡结构，微带探针作为平衡至不平衡的转换结构，在满足太赫兹平衡式二倍频的基本原理下，进行了创新：提出了电容加载的对称式“月牙铲”宽带滤波电路结构，利用对称式“月牙铲”谐振结构的高Q值谐振结构和两级谐振结构的电容加载，降低了滤波级数减小了泵浦信号的传输损耗，同时实现宽带滤波，有效的实现了对输入泵浦信号谐杂波的高抑止，减小输入泵浦杂散对二倍频器宽带性能的影响，同时配合匹配单元，实现了谐波信号的回收利用，提高了倍频效率，满足了宽频带、高效率和高频易扩展太赫兹二倍频器的设计要求。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器。

基于倍频的固态太赫兹信号发生器由于体积小、寿命长和可调谐等特点，在太赫兹测试仪器、通讯、气象遥感等诸多领域获得了广泛的应用，而太赫兹平衡式二倍频器不仅具有良好的谐波抑止能力，同时由于倍频次数低，具有较高的倍频效率，也使得太赫兹二倍频器成为了太赫兹固态信号产生的首选方案之一；如何提高太赫兹二倍频器的效率和拓展倍频器的带宽，也成为了诸多学者不断追求的目标；随着精密制造、微电子工艺等技术的发展和众多科研工作者的不懈努力，已在诸多方面取得了突破，典型的技术路线是无介质二倍频技术。

如图1所示展示了现有技术中全金属结构太赫兹二倍频器，其主要由三部分组成，分别是金属鳍线构成的平衡结构、金属脊和槽构成的平衡至不平衡的转换结构以及T形串联二极管等三部分；整体结构主要有上腔、板片和下腔三部分组成，板片用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导，上腔用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽；该倍频器工作时，首先通过脊波导，将泵浦的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经T型二极管对整流产生太赫兹偶次谐波，其中二次谐波经过鳍线输出；输出信号在槽线中可双向传播，可向着负载方向传播，也可以向着源方向传播，通过设计一个空气桥，可保证信号的主要传播方向为向着输出方向，输出波导自然形成高通滤波器滤除输入信号的基波信号，输入信号的二次谐波经高通滤波器输出，由于太赫兹倍频电路采用金属结构构成，消除了介质对高频信号的影响，提高了倍频器的效率；该技术路线由于采用了全金属结构的技术路线，消除了介质的影响，减小了传输损耗，能够实现较高的倍频效率，但随着频率的不断攀升波长不断的减小，使得其对加工制造精度要求越来越高，另外该技术方案中的核心非线性器件和倍频电路采用的混合集成方式，随着频率的升高至300GHz以上，混合集成的精度也已无法满足二倍频电路宽频带和高效率的特性要求。

本公开针对太赫兹二倍频器宽频带、高效率相互制约的难题，和更高太赫兹频率扩展的技术需求，提出了一种新的二倍频方法和电路拓扑结构，波导作为平衡结构，微带探针作为平衡至不平衡的转换结构，在满足太赫兹平衡式二倍频的基本原理下，进行了创新：提出了电容加载的对称式“月牙铲”宽带滤波电路结构，利用对称式“月牙铲”谐振结构的高Q值谐振结构和两级谐振结构的电容加载，降低了滤波级数减小了泵浦信号的传输损耗，同时实现宽带滤波，有效的实现了对输入泵浦信号谐杂波的高抑止，减小输入泵浦杂散对二倍频器宽带性能的影响，同时配合匹配单元，实现了谐波信号的回收利用，提高了倍频效率，满足了宽频带、高效率和高频易扩展太赫兹二倍频器的设计要求。

一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器，包括输入波导和输出波导，采用了本公开实施例一中所述的一种太赫兹宽带二倍频电路。

进一步的，所述输入探针深入输入波导中。

具体的，如图2所述，本实施例中所述的二倍频器包括：1是二倍频电路腔体，2是输入波导，3是输出波导，4是T形肖特基二极管，5是本公开实施例一种所述的二倍频电路，6是二倍频平面电路衬底，7是二倍频平面电路镀金导体；二倍频器的泵浦信号经输入波导2输入，经5-1输入探针耦合至平面电路，后经5-2输入匹配单元、5-3滤波单元、5-4输出匹配单元和5-5输出探针，实现泵浦信号以较小的损耗馈至二极管4；5-1输入探针为E面微带探针，其采用连续渐变结构实现输入信号的宽带耦合，5-2输入匹配单元用于实现输入探针5-1和滤波单元5-3的宽带匹配；5-3滤波单元为电容加载的对称式“月牙铲”形宽带低通滤波器，配合输入波导2的高通特性，可以实现输入泵浦信号的高谐杂散抑止，降低输入泵浦信号各级杂散的影响，满足倍频器宽带特性设计要求，同时考虑到谐振结构越多，插入损耗越大，倍频器的基波驱动功率要求就越高，因此综合考虑倍频器的性能，5-3滤波器只采用两节谐振结构，并通过两级谐振结构之间的电容加载，在实现宽带滤波同时，具有较小的插入损耗；5-4输出匹配单元用于实现滤波单元5-3和输出探针5-5与T形二极管4的宽带匹配，实现输入的宽带泵浦信号以较小的插入损耗馈至T形二极管4处；T形肖特基二极管4是太赫兹二倍频的核心非线性器件，采用的是两管芯串联的结构，包括4-1、4-2和4-3三个焊盘，4-4和4-5两个二极管。

上述实施例提供的一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路及二倍频器完全可以实现，具有广阔应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，包括：输入探针、输入匹配单元、滤波单元、输出匹配单元以及输出探针，并且顺序连接集成在微带线上；

所述滤波单元为电容加载的对称式月牙铲形宽带低通滤波器。

2.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述输入探针为E面微带探针，其用于采用连续渐变结构实现输入信号的宽带耦合。

3.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述输入匹配单元用于实现所述输入探针和所述滤波单元的的宽带匹配。

4.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述滤波单元用于配合输入波导的高通特性，实现输入泵浦信号的高谐杂散抑止，降低输入泵浦信号各级杂散的影响，满足倍频器宽带特性设计要求。

5.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述滤波单元采用两节谐振结构，并通过两级谐振结构之间的电容加载。

6.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述输出匹配单元用于实现所述滤波单元和所述输出探针之间的宽带匹配。

7.如权利要求1所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路，其特征在于，所述二倍频电路还包括T型肖特基二极管，所述输出探针将宽带泵浦信号反馈给所述T型肖特基二极管。

8.一种基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器，其特征在于，所述二倍频器采用如权利要求1-7任一项所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频电路。

9.如权利要求8所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器，其特征在于，所述二倍频器还包括输入波导和输出波导。

10.如权利要求8所述的基于泵浦杂散高抑止的太赫兹宽带二倍频器，其特征在于，所述输入探针垂直于波导壁深入输入波导中。

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