CN112350670A - 一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，属于倍频器电路设计技术领域。针对目前基于传统微带型平衡式三倍频器倍频效率普遍不高的现状，本发明创造性地提出在传统微带型平衡式三倍频器结构的基础上，引入混合微带/槽线结构，使得二极管回路中的二次谐波可以沿着槽线传输至外部电路，从而可以通过槽线对二次谐波的嵌入阻抗进行独立控制。通过合适的参数设置，可以降低二次谐波的转化能力，从而间接提高三次谐波的转化效率和输出功率。本发明结构简单，与传统电路的制造工艺相同，可以有效的提升平衡式三倍频器的倍频效率和输出功率，同时有利于缩短基片长度，在毫米波及太赫兹频段高效、高功率倍频源的设计中具有很好的应用价值。

Description

一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器
技术领域
本发明属于倍频器电路设计技术领域，具体涉及一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器。
背景技术
太赫兹技术在宽带通信、医学成像、安全检查、天文探测等领域具有广阔的应用前景，近年来逐渐成为科学研究的热点，但目前由于缺乏高效、稳定的太赫兹源限制了太赫兹技术的进一步发展。平面肖特基二极管因其截止频率高，可以室温工作，且寄生参数较低，所以当前获取太赫兹波的主流方式是基于平面肖特基二极管的固态倍频源。倍频器是将低频的微波毫米波通过二极管的非线性效应将频率倍增到输入基波的N次谐波，一般倍频次数越高，效率越低，所以，基于肖特基二极管的倍频器一般是常见的二倍频和三倍频。在设计倍频器的时候，往往采用平衡式的结构来降低设计的难度。比如，在二倍频器的设计中，常常采用Erikson式的平衡式结构，其输出电路中只有偶次谐波输出，而没有奇次谐波输出；而且输入和输出电路之间实现了模式隔离，从而不需要额外的滤波器来实现基波和二次谐波的分离。三倍频器也有常用的微带平衡式结构，即同向串联的二极管加载于微带线两侧，输出电路中只有奇次谐波输出，而没有偶次谐波输出，偶次谐波被限制在二极管回路中。从谐波控制的角度来看，平衡式三倍频器没有偶次谐波输出，也就不能对偶次谐波，特别是二次谐波的嵌入阻抗进行控制。而且，目前大量已经设计的平衡式三倍频器的效率普遍不高，处于行业领先地位美国VDI、德国ACST，英国Teratech等公司设计的三倍频的最高效率也基本上不超过20％。除了受限制于二极管本身的谐波转化能力、偏置条件以及外部匹配等因素以外，在很大程度上受限制于传统的平衡式三倍频器结构中不能对二次谐波的嵌入阻抗进行有效控制。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器。该三倍频器在传统微带型平衡式三倍频器结构的基础上，引入混合微带/槽线结构，使得二极管回路中的二次谐波可以沿着槽线传输至外部电路，从而可以通过槽线对二次谐波进行独立控制，并同时对输入端的三次谐波和输出端的基波施加相应控制，从而极大地提高倍频器的转化效率和输出功率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，包括基片(23)、输入部分、输出部分、二极管管对部分和直流偏置部分，其特征在于，所述输入部分包括输入波导(1)、减高波导(2)、输入波导短路面(3)、输入E面探针(4)、第一匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)和输入端混合微带/槽线(7)；所述输入减高波导(2)内设置输入E面探针(4)；所述输入E面探针(4)后依次连接第一匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)、输入端混合微带/槽线(7)；所述输出部分包括输出端混合微带/槽线(10)、第二匹配微带(14)、输出E面探针(15)、输出减高波导(20)、输出波导短路面(18)、输出波导(22)、第二芯片电容(19)和输出波导匹配枝节(21)；所述输出端混合微带/槽线(10)一端与输入端混合微带/槽线(7)相连，另一端依次与第二匹配微带(14)、输出E面探针(15)相连；所述输出E面探针(15)设置于输出减高波导(20)内，沿着输出波导(22)的轴线向输出波导短路面(18)形成输出探针枝节(16)，所述输出探针枝节(16)的末端靠近基片(23)的边缘，所述输出探针枝节(16)通过输出探针枝节键合金丝(17)连接至布置于输出波导短路面(18)内的第二芯片电容(19)；所述输出波导(22)内设置有输出波导匹配枝节(21)；所述二极管管对部分设置于输入端混合微带/槽线(7)与输出端混合微带/槽线(10)的连接处。
进一步地，所述二极管管对部分包括第一级二极管芯片(8)、第二级二极管芯片(9)；所述直流偏置部分包含第一芯片电容(11)、直流偏置端口(13)；所述第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)同向配置于输入端混合微带/槽线(7)与输出端混合微带/槽线(10)的连接处两侧；所述第一级二极管芯片(8)的一端连接至第一芯片电容(11)；所述第一芯片电容(11)通过偏置键合金丝(12)连接至直流偏置端口(13)。
进一步地，所述输入探针(4)、匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)、输入端混合微带/槽线(7)、输出端混合微带/槽线(10)、第二匹配微带(14)和输出探针(15)依次设置于基片(23)表面。
进一步地，所述输入混合微带/槽线结构(7)和输出混合微带/槽线结构(10)均为微带线中间拉槽(开缝)结构。
进一步地，所述输入混合微带/槽线结构(7)和输出混合微带/槽线结构(10)的长度相等或不相等，两者的长度根据实际所需性能进行设置。
进一步地，所述输入端混合微带/槽线结构(7)和输出端混合微带/槽线结构(10)中的槽线宽度优选为10～30μm。
进一步地，第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)均为同向串联结构。
进一步地，所述第一匹配微带(5)和第二匹配微带(14)的节数为1～3节，优选为两节，调节匹配微带的长度和宽度以实现与二极管良好的匹配。
进一步地，所述输入端三次谐波控制枝节(6)的枝节长度为三次谐波波长的四分之一；所述输入端三次谐波控制枝节(6)到第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)的距离为三次谐波波长的四分之一。
本发明的工作原理为：混合微带/槽线是一种多模传输线，其中微带支持TEM模式，能量主要分布在微带外侧；而槽线支持TE模式，能量主要分布在槽线内侧；两种模式是正交的，因此可以相对独立的控制微带线内的槽线模式，而几乎不影响外侧的微带模式。第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)内产生的二次谐波电流在微带上是反向的，所以微带线不能支持二次谐波的传输，而反向的二次谐波电流会激励起槽线的TE模式。因此，二次谐波可以从第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)内输出并沿着槽线传输，这就为控制二次谐波的嵌入阻抗提供了机会。通过设置合适的槽线宽度、长度，二次谐波的嵌入阻抗可以实现任意控制，解决了传统平衡式三倍频器结构中二次谐波不能控制的问题。一般来说，非线性器件产生的谐波功率随着谐波次数的增加而迅速下降，其中主要的谐波分量是二次谐波和三次谐波。本发明的技术方案中通过调节输入端混合微带/槽线(7)和输出端混合微带/槽线(10)的长度可以调节二次谐波的嵌入阻抗，使得二极管中的二次谐波转化效率降低。因此，输入基波将有更多的能量向三次谐波转化，从而间接提高三次谐波的转化效率。同时，通过调节输入端三次谐波控制枝节(6)的长度和到二极管芯片(8)和(9)的距离来实现在输入端对三次谐波的控制，使三次谐波不能泄露到输入端；输出电路中通过调节输出端匹配微带(14)与输出E面探针(15)、输出探针枝节(16)以及输出探针枝节键合金丝(17)的长度来实现对输出基波的控制，使得基波最大限度的进入二极管中参与倍频；最后，在实现对各次谐波进行控制的基础上，通过输入匹配微带(5)、输出匹配微带(14)和输出波导匹配枝节(21)来分别实现对输入基波和输出三次谐波的匹配。输入匹配使得输入基波最大限度的进入二极管中，输出匹配使得二极管产生的三次谐波最大化的输出至外部电路。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明创造性地在传统微带型平衡式三倍频器的基础上引入了混合微带/槽线结构，并设置合适的槽线长度与宽度，从而实现了对平衡式三倍频器中的二次谐波进行有效的控制，可以有效降低二次谐波的转化能力；此外，输入端和输出端还分别实现了对三次谐波和基波的有效控制；因此，本发明的结构，可以极大地提高平衡式三倍频器的倍频效率。
2.本发明结构简单，与普通的倍频器加工工艺相同，而且有助于提升倍频器的倍频效率和输出功率，在毫米波太赫兹高效、高功率倍频源的设计中具有很好的实用性。
附图说明
图1为本发明提出的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频结构的俯视示意图。
图2为本发明提出的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频结构的局部放大示意图。
图3为实施例中采用本发明提出的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器结构和传统微带型平衡式三倍频器结构的倍频效率对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，包括输入波导(1)、减高波导(2)、输入波导短路面(3)、输出波导短路面(18)、输出减高波导(20)、输出波导(22)、基片(23)，还包括从输入端到输出端方向依次设置于基片(23)表面的输入E面探针(4)、第一匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)、混合微带/槽线(7)(10)、第二匹配微带(14)、输出E面探针(15)，所述输入E面探针(4)设置于输入减高波导(2)内，所述输出E面探针(15)设置于减高输出波导(20)内；所述输出E面探针(15)沿着输出波导(22)的轴线向输出波导短路面(18)形成探针枝节(16)，所述输出探针枝节(16)的末端靠近基片(23)的边缘，所述输出探针枝节(16)通过输出探针枝节键合金丝(17)连接至布置于输出波导短路面(18)内的第二芯片电容(19)；所述输出波导(22)内设置有输出波导匹配枝节(21)，与第二匹配微带(14)一起用于实现对三次谐波的阻抗匹配；
所述混合微带/槽线(7)(10)关于第一级二极管芯片(8)、第二级二极管芯片(9)对称，所述第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)均为三管芯同向串联形成；混合微带/槽线(7)(10)的一端与第一匹配微带(5)相连，另一端与第二匹配微带(14)相连，两者的长度之和为二次谐波波长的二分之一；所述第一级二极管芯片(8)的一端连接至第一芯片电容(11)；所述第一芯片电容(11)通过偏置键合金丝(12)连接至直流偏置端口(13)。
所述输入端三次谐波控制枝节(6)的枝节长度为三次谐波波长的四分之一；所述输入端三次谐波控制枝节(6)到第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)的距离为三次谐波波长的四分之一；所述第二匹配微带(14)与输出E面探针(15)、输出探针枝节(16)以及输出探针枝节键合金丝(17)的长度之和约为基波波长的四分之一。
本实施实例采用的二极管的本征SPICE参数为：零偏结电容Cj0＝42fF，串联电阻Rs＝4Ω，反向饱和电流Is＝5fA，理想因子n＝1.12，内建电压Vj＝0.75V，反向击穿电压-13V。分别采用传统微带型平衡式三倍频器结构和本发明提出的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器结构，设计输出频率为280GHz的三倍频器，基片都选择30μm厚的石英基片。
在相同的本征参数、寄生模型以及偏置条件下，两种结构所能实现的理想倍频效率如图3所示。从图3可以看出，在275GHz的输出频率附近，相对于传统结构，本发明的结构的理想效率可达40％，远高于传统结构大约18％的理想效率；并且本发明结构具有更宽的带宽。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，包括基片(23)、输入部分、输出部分、二极管管对部分和直流偏置部分，其特征在于，所述输入部分包括输入波导(1)、减高波导(2)、输入波导短路面(3)、输入E面探针(4)、第一匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)和输入端混合微带/槽线(7)；所述输入减高波导(2)内设置输入E面探针(4)；所述输入E面探针(4)后依次连接第一匹配微带(5)、输入端三次谐波控制枝节(6)、输入端混合微带/槽线(7)；所述输出部分包括输出端混合微带/槽线(10)、第二匹配微带(14)、输出探针(15)、输出减高波导(20)、输出波导短路面(18)、输出波导(22)、第二芯片电容(19)和输出波导匹配枝节(21)；所述输出端混合微带/槽线(10)一端与输入端混合微带/槽线(7)相连，另一端依次与第二匹配微带(14)、输出探针(15)相连；所述输出E面探针(15)设置于输出波导(22)内，沿着输出波导(22)的轴线向输出波导短路面(18)形成探针枝节(16)，所述输出探针枝节(16)的末端靠近基片(23)的边缘，所述输出探针枝节(16)通过输出探针枝节键合金丝(17)连接至布置于输出波导短路面(18)内的第二芯片电容(19)；所述输出波导(22)内设置有输出波导匹配枝节(21)；所述二极管管对部分设置于输入端混合微带/槽线(7)与输出端混合微带/槽线(10)的连接处。
2.如权利要求1所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述二极管管对部分包括第一级二极管芯片(8)、第二级二极管芯片(9)；所述直流偏置部分包含第一芯片电容(11)、直流偏置端口(13)；所述第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)同向配置于输入端混合微带/槽线(7)与输出端混合微带/槽线(10)的连接处两侧；所述第一级二极管芯片(8)的一端连接至第一芯片电容(11)；所述第一芯片电容(11)通过偏置键合金丝(12)连接至直流偏置端口(13)。
3.如权利要求1所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述输入端混合微带/槽线结构(7)和输出端混合微带/槽线结构(10)均为微带线中间开缝结构。
4.如权利要求3所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述输入端混合微带/槽线结构(7)和输出端混合微带/槽线结构(10)的长度相等或不相等，两者的长度根据实际所需性能进行设置。
5.如权利要求3所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述输入端混合微带/槽线结构(7)和输出端混合微带/槽线结构(10)中的槽线宽度为10～30μm。
6.如权利要求2所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)均为同向串联结构。
7.如权利要求1所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述第一匹配微带(5)和第二匹配微带(14)的节数为1～3节。
8.如权利要求1所述的基于混合微带/槽线的平衡式三倍频器，其特征在于，所述输入端三次谐波控制枝节(6)的枝节长度为三次谐波波长的四分之一；所述输入端三次谐波控制枝节(6)到第一级二极管芯片(8)和第二级二极管芯片(9)的距离为三次谐波波长的四分之一。
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