CN113541608A - 一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹倍频器技术领域，具体地说，涉及一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，该装置包括：上腔体(15)、太赫兹倍频器基板和下腔体(16)；上腔体(15)和下腔体(16)相对放置，太赫兹倍频器基板位于上腔体(15)和下腔体(16)之间，上腔体(15)和下腔体(16)的相对位置处设置主沟道(17)和偏置沟道(18)，将太赫兹倍频器设置在主沟道(17)和偏置沟道(18)内，并用导电胶(12)填满；所述主沟道(17)和偏置沟道(18)之间的倾斜角为65‑85度；通过多个紧固螺钉将上腔体(15)和下腔体(16)，以及设置在其中的太赫兹倍频器基板紧固在一起。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹固态电路和太赫兹倍频器技术领域，具体地说，涉及一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器及其制备方法。
背景技术
在电磁波频谱中，太赫兹(THz)波是指频率范围为0.1THz-10THz的电磁波，介于微波频率和红外频率之间。目前太赫兹相关技术已被应用于大气遥感、空间探测、雷达成像、无线通信及生物医疗等领域。
太赫兹信号在大气中传播中的衰减使其表现出信号吸收峰和大气窗口，因此，在射电天文学、行星探测和大气遥感等领域有着重要应用。而为实现信号频谱的搬移，太赫兹频段的系统设计中常使用超外差接收机，其射频前端主要包括天线、低噪声放大器、混频器、本振源。太赫兹频段本振源作为超外差接收机的关键部件，决定着后级混频器能否正常工作，太赫兹倍频器作为太赫兹本振源中的核心器件，性能好坏直接影响本振源的输出功率。
太赫兹波的衰减特性使得在550GHz附近存在相对透明的窗口，可利用太赫兹超外差接收机在此频段进行检测，从而分析大气的特性。但是，在550GHz频段，可供后级混频器正常工作的本振源较少。现有的太赫兹倍频器采用平衡式结构，无法对二极管单元提供外加直流偏置或偏压，不能对二极管对的工作状态进行有效调节，无法提高太赫兹三倍频器的倍频效率和输出功率。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，采用非平衡式三倍频结构，通过对无源电路的改进，抑制不需要的各次谐波，达到了驱动后级混频器正常工作的目的。
本发明提供了一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，该装置包括：上腔体、太赫兹倍频器基板和下腔体；
上腔体和下腔体相对放置，太赫兹倍频器基板位于上腔体和下腔体之间，上腔体和下腔体的相对位置处设置主沟道和偏置沟道，将太赫兹倍频器设置在主沟道和偏置沟道内，并用导电胶填满；
所述主沟道和偏置沟道之间的倾斜角为65-85度；
通过多个紧固螺钉将上腔体和下腔体，以及设置在其中的太赫兹倍频器基板紧固在一起。
作为上述技术方案的改进之一，所述太赫兹倍频基板包括：第一标准波导结构、第二标准波导结构、肖特基势垒二极管对、低通滤波器、输入耦合探针、输出耦合探针、第一石英电路基板、第二石英电路基板、直流偏置滤波器，第一匹配电路和第二匹配电路；
输入耦合探针、低通滤波器、肖特基势垒二极管对、输出耦合探针均固定在水平放置的第二石英电路基板上，第二石英电路基板设置在主沟道内；输入耦合探针和低通滤波器相连接，且二者位于第二石英电路基板的前端，输出耦合探针位于第二石英电路基板的末端，低通滤波器与输出耦合探针之间增设第一匹配电路和第二匹配电路；第一匹配电路和第二匹配电路之间增设肖特基势垒二极管对，该肖特基势垒二极管对与第二石英电路基板呈十字交叉状结构；
第二石英电路基板的前端还设置第一标准波导结构，第一标准波导结构与输入耦合探针之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板的末端还增设设置第二标准波导结构，第二标准波导结构与输出耦合探针之间增设波导-微带转换结构；
第二石英电路基板上倾斜设置第一石英电路基板，第一石英电路基板上设置直流偏置滤波器，
直流偏置滤波器的输入端与低通滤波器的输入端键合金丝相连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述第二石英电路基板与第一石英电路基板之间的倾斜角度为65-85度。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一标准波导和第二标准波导均为标准矩形波导；
所述第一标准波导采用型号为WR10的标准矩形波导；所述第二标准波导采用型号为WR3.4的标准矩形波导。
作为上述技术方案的改进之一，所述直流偏置滤波器和低通滤波器均采用高低阻抗线结构。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一石英电路基板与第二石英电路基板均为平面微带线结构；
第一石英电路基板与第二石英电路基板的厚度均为50um,且第一石英电路基板与第二石英电路基板上的微带线厚度均为3um。
作为上述技术方案的改进之一，所述输入耦合探针和输出耦合探针均为E面探针。
作为上述技术方案的改进之一，所述肖特基势垒二极管对包括：第一肖特基变容管和第二肖特基变容管；第一肖特基变容管和第二肖特基变容管相对设置；第一肖特基变容管的一端通过导电胶粘接在操场形沟道的上半圆形沟道上，第二肖特基变容管的一端通过导电胶粘接在操场形沟道的下半圆形沟道上；第一肖特基变容管的另一端和第二肖特基变容管的另一端相对设置，且通过导电胶粘接在一起。
作为上述技术方案的改进之一，第一匹配电路和第二匹配电路均为阶跃阻抗结构。
本发明还提供了一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的制备方法，该方法包括：
上腔体和下腔体的相对位置处增设主沟道和偏置沟道；
将输入耦合探针、低通滤波器、肖特基势垒二极管对、输出耦合探针均固定在水平放置的第二石英电路基板上，输入耦合探针和低通滤波器相连接，且二者位于第二石英电路基板的前端，输出耦合探针位于第二石英电路基板的末端，低通滤波器与输出耦合探针之间增设第一匹配电路和第二匹配电路；第一匹配电路和第二匹配电路之间增设肖特基势垒二极管对，该肖特基势垒二极管对与第二石英电路基板呈十字交叉状结构；第二石英电路基板的前端还设置第一标准波导结构，第一标准波导结构与输入耦合探针之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板的末端还增设设置第二标准波导结构，第二标准波导结构与输出耦合探针之间增设波导-微带转换结构；
将第二石英电路基板通过导电胶粘接在主沟道内；
第二石英电路基板上倾斜设置第一石英电路基板，第一石英电路基板上设置直流偏置滤波器，
将第一石英电路基板通过导电胶粘接在偏置沟道内，
直流偏置滤波器的输入端与低通滤波器的输入端键合金丝相连接；
通过多个紧固螺钉将上腔体和下腔体紧固在一起。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、通过增设了肖特基势垒二极管对和两个匹配电路，抑制了不需要的各次谐波，提高了本频段的太赫兹倍频器的倍频效率和输出功率，在一定带宽内输出功率可驱动后级混频器正常工作；
2、本发明的太赫兹三倍频器能够在270-280GHz输出频率范围内，输出功率均大于7dBm，典型倍频效率值为6.2％，最大值为10.75％，在当驱动功率为23dBm时，最大输出功率为12.6mW。输出功率在一定频率范围内，可以驱动后级混频器正常工作。
附图说明
图1是本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的太赫兹倍频器基板的结构示意图；
图2(a)是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的肖特基二极管对的局部放大图；
图2(b)是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的肖特基二极管对的侧视图；
图3是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的第二石英电路基板的结构图；
图4是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的第一石英电路基板的结构图；
图5是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的上腔体结构示意图；
图6是图1的本发明的一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的下腔体结构示意图。
1、第一标准波导结构 2、输入耦合探针
3、键合金丝 4、直流偏置滤波器
5、第一石英电路基板 6、低通滤波器
7、第二石英电路基板 8、肖特基势垒二极管对
9、输出耦合探针 10、第二标准波导结构
11、上半圆形沟道 12、导电胶
13、第一匹配电路 14、第二匹配电路
15、上腔体 16、下腔体
17、主沟道 18、偏置沟道
81、第一肖特基势垒二极管 82、第二肖特基势垒二极管
83、下半圆形沟道 84、操场形沟道
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1、5和6所示，本发明提供了一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，该装置包括：上腔体15、太赫兹倍频器基板和下腔体16；
上腔体15和下腔体16相对放置，太赫兹倍频器基板位于上腔体15和下腔体16之间，上腔体15和下腔体16的相对位置处设置主沟道17和偏置沟道18，将太赫兹倍频器设置在主沟道17和偏置沟道18内，并用导电胶填满；再通过多个紧固螺钉将上腔体15和下腔体16，以及设置在其中的太赫兹倍频器基板紧固在一起。
其中，主沟道17和偏置沟道18之间的倾斜角为60-85度，其目的是为了防止上、下腔体发生形变；主沟道17的深度为0.225mm，宽度为0.33mm，上腔体15的深度为0.118mm；偏置沟道18的深度为0.225mm，宽度为0.25mm，下腔体16的深度为0.118mm。
如图1所示，所述太赫兹倍频基板包括：第一标准波导结构1、第二标准波导结构10、肖特基势垒二极管对8、低通滤波器6、输入耦合探针2、输出耦合探针9、第一石英电路基板5、第二石英电路基板7、直流偏置滤波器4，第一匹配电路13和第二匹配电路14；
如图3所示，输入耦合探针2、低通滤波器6、肖特基势垒二极管对8、输出耦合探针9均固定在水平放置的第二石英电路基板7上，第二石英电路基板7设置在主沟道17内；输入耦合探针2和低通滤波器6相连接，且二者位于第二石英电路基板7的前端，输出耦合探针9位于第二石英电路基板7的末端，低通滤波器6与输出耦合探针9之间增设第一匹配电路13和第二匹配电路14；第一匹配电路13和第二匹配电路14之间增设肖特基势垒二极管对8，该肖特基势垒二极管对8与第二石英电路基板7呈十字交叉状结构；
第二石英电路基板7的前端还设置第一标准波导结构1，第一标准波导结构1与输入耦合探针2之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板7的末端还增设设置第二标准波导结构10，第二标准波导结构10与输出耦合探针9之间增设波导-微带转换结构；其中，探针平面与矩形波导口平面垂直，在距离短路面1/4λ位置将微带线结构插入波导内，探针的一端搭在微带上(与金线接触)，其另一端探入波导内，而微带线处于传输模为准TEM模的腔体中，即探针与波导相接处就是波导-微带过渡结构处，其作用就是将波导中的TE10模转为微带线中传输的准TEM模。
其中，输入耦合探针2在第一标准波导1的波导口垂直插入，即输出端侧壁插入，输出耦合探针9在第二标准波导10的波导口垂直插入，即输出端侧壁插入，并固定在对应的波导内部，从而实现波导到微带线中传输模式的转换。
如图1和4所示，第二石英电路基板7上倾斜设置第一石英电路基板5，第一石英电路基板5上设置直流偏置滤波器4，
直流偏置滤波器4的输入端与低通滤波器6的输入端键合金丝3相连接；具体地，键合金丝3的一端与直流偏置滤波器4的输入端相连，其另一端与低通滤波器的输入端，即低通滤波器的不敏感处相连，将直流偏置滤波器4接入整体电路中，防止基波信号从直流偏置口中出去，低通滤波器6在允许基波通过的同时，阻止肖特基势垒二极管对8产生的二次、三次谐波信号馈入第一标准波导结构1中。
其中，第二石英电路基板7与第一石英电路基板5之间的倾斜角度为70-80度，通过对角度的设置进而降低加工的难度，使直流滤波器所在电路沟道以一定倾斜角度远离第一标准波导1端。
其中，所述第一标准波导1采用型号为WR10的标准矩形波导,并对第一标准波导1进行了减高处理，则第一标准波导1减高后的尺寸为2.54mm*0.52mm；该探针位于距离短路面四分之一波长处，从而将输入基波信号的能量尽可能聚集在输入耦合探针2上；
所述第二标准波导10采用型号为WR3.4的标准矩形波导,并对第二标准波导10进行了减宽减高处理，则第二标准波导10减宽减高后的尺寸为0.65mm*0.3mm，该探针位于距离短路面四分之一波长处，从而将输入基波信号的能量尽可能聚集在输出耦合探针9上；完成阻抗匹配辅助设计。
所述直流偏置滤波器4和低通滤波器6均采用高低阻抗线结构。
所述第一石英电路基板5与第二石英电路基板7均为平面微带线结构，其基板材料为石英；
第一石英电路基板5与第二石英电路基板7的厚度均为50um,且第一石英电路基板5与第二石英电路基板7上的微带线厚度均为3um。
其中，所述输入耦合探针2和输出耦合探针9均为E面探针。
所述第一标准波导1和第二标准波导10均为标准矩形波导。
如图2(a)和2(b)所示，所述肖特基势垒二极管对8包括：第一肖特基变容管81和第二肖特基变容管82；第一肖特基变容管81和第二肖特基变容管82相对设置；第一肖特基变容管81的一端通过导电胶12粘接在操场形沟道84的上半圆形沟道11上，第二肖特基变容管82的一端通过导电胶12粘接在操场形沟道84的下半圆形沟道83上；第一肖特基变容管81的另一端和第二肖特基变容管82的另一端相对设置，且通过导电胶12粘接在一起。
其中，使用导电胶12将两个肖特基势垒二极管的阴极的一部分固定在半圆形槽内，为两个肖特基势垒二极管的阴极留有一定的安装余量；
其中，所述上半圆形槽和下半圆形槽的直径均为80-100um，导电胶的涂抹厚度为5-15um。
第一匹配电路13和第二匹配电路14均为阶跃阻抗结构形式。
第一匹配电路13对从第一标准波导1输入的基波信号进行匹配，并对肖特基势垒二极管对8产生的各次不需要的谐波进行抑制；
第二匹配电路14则对第二标准波导10输出的基波信号进行匹配，进而使所需信号由第二标准波导结构10输出；
通过增设第一匹配电路13和第二匹配电路14，将不需要的各次谐波进行了抑制，提高了太赫兹三倍频器的倍频效率和输出功率。
所述太赫兹非平衡式三倍频器的工作原理如下：
通过输入耦合探针2将第一标准波导1接受的基波信号转换为微带线上传输的基波信号，使用键合金丝3将偏置滤波器4与波导-微带转换结构相连，外加的直流偏置通过此路径馈入到肖特基势垒二极管对8中。肖特基势垒二极管对8中的两个肖特基势垒二极管产生各次的谐波，通过第一匹配电路13，使基波信号能量最大化地进入肖特基势垒二极管对8中，通过第二匹配电路14从中选择出所需的频率，同时抑制杂波的泄露，使得到得所需三次谐波信号最大化地从第二标准波导10的波导口输出。
本发明还提供了一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的制备方法，该方法包括：
上腔体15和下腔体16的相对位置处增设主沟道17和偏置沟道18；
将输入耦合探针2、低通滤波器6、肖特基势垒二极管对8、输出耦合探针9均固定在水平放置的第二石英电路基板7上，输入耦合探针2和低通滤波器6相连接，且二者位于第二石英电路基板7的前端，输出耦合探针9位于第二石英电路基板7的末端，低通滤波器6与输出耦合探针9之间增设第一匹配电路13和第二匹配电路14；第一匹配电路13和第二匹配电路14之间增设肖特基势垒二极管对8，该肖特基势垒二极管对8与第二石英电路基板7呈十字交叉状结构；第二石英电路基板7的前端还设置第一标准波导结构1，第一标准波导结构1与输入耦合探针2之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板7的末端还增设设置第二标准波导结构10，第二标准波导结构10与输出耦合探针9之间增设波导-微带转换结构；
将第二石英电路基板7通过导电胶12粘接在主沟道17内；
第二石英电路基板7上倾斜设置第一石英电路基板5，第一石英电路基板5上设置直流偏置滤波器4，
将第一石英电路基板5通过导电胶12粘接在偏置沟道18内，
直流偏置滤波器4的输入端与低通滤波器6的输入端键合金丝3相连接；
通过多个紧固螺钉将上腔体15和下腔体16紧固在一起。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，该装置包括：上腔体(15)、太赫兹倍频器基板和下腔体(16)；
上腔体(15)和下腔体(16)相对放置，太赫兹倍频器基板位于上腔体(15)和下腔体(16)之间，上腔体(15)和下腔体(16)的相对位置处设置主沟道(17)和偏置沟道(18)，将太赫兹倍频器设置在主沟道(17)和偏置沟道(18)内，并用导电胶(12)填满；
所述主沟道(17)和偏置沟道(18)之间的倾斜角为65-85度；
通过多个紧固螺钉将上腔体(15)和下腔体(16)，以及设置在其中的太赫兹倍频器基板紧固在一起。
2.根据权利要求1所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述太赫兹倍频基板包括：第一标准波导结构(1)、第二标准波导结构(10)、肖特基势垒二极管对(8)、低通滤波器(6)、输入耦合探针(2)、输出耦合探针(9)、第一石英电路基板(5)、第二石英电路基板(7)、直流偏置滤波器(4)，第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)；
输入耦合探针(2)、低通滤波器(6)、肖特基势垒二极管对(8)、输出耦合探针(9)均固定在水平放置的第二石英电路基板(7)上，第二石英电路基板(7)设置在主沟道(17)内；输入耦合探针(2)和低通滤波器(6)相连接，且二者位于第二石英电路基板(7)的前端，输出耦合探针(9)位于第二石英电路基板(7)的末端，低通滤波器(6)与输出耦合探针(9)之间增设第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)；第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)之间增设肖特基势垒二极管对(8)，该肖特基势垒二极管对(8)与第二石英电路基板(7)呈十字交叉状结构；
第二石英电路基板(7)的前端还设置第一标准波导结构(1)，第一标准波导结构(1)与输入耦合探针(2)之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板(7)的末端还增设设置第二标准波导结构(10)，第二标准波导结构(10)与输出耦合探针(9)之间增设波导-微带转换结构；
第二石英电路基板(7)上倾斜设置第一石英电路基板(5)，第一石英电路基板(5)上设置直流偏置滤波器(4)，
直流偏置滤波器(4)的输入端与低通滤波器(6)的输入端键合金丝(3)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述第二石英电路基板(7)与第一石英电路基板(5)之间的倾斜角度为65-85度。
4.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述第一标准波导(1)和第二标准波导(10)均为标准矩形波导；
所述第一标准波导(1)采用型号为WR10的标准矩形波导；所述第二标准波导(10)采用型号为WR3.4的标准矩形波导。
5.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述直流偏置滤波器(4)和低通滤波器(6)均采用高低阻抗线结构。
6.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述第一石英电路基板(5)与第二石英电路基板(7)均为平面微带线结构；
第一石英电路基板(5)与第二石英电路基板(7)的厚度均为50um,且第一石英电路基板(5)与第二石英电路基板(7)上的微带线厚度均为3um。
7.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述输入耦合探针(2)和输出耦合探针(9)均为E面探针。
8.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，所述肖特基势垒二极管对(8)包括：第一肖特基变容管(81)和第二肖特基变容管(82)；第一肖特基变容管(81)和第二肖特基变容管(82)相对设置；第一肖特基变容管(81)的一端通过导电胶(12)粘接在操场形沟道(84)的上半圆形沟道(11)上，第二肖特基变容管(82)的一端通过导电胶(12)粘接在操场形沟道(84)的下半圆形沟道(83)上；第一肖特基变容管(81)的另一端和第二肖特基变容管(82)的另一端相对设置，且通过导电胶(12)粘接在一起。
9.根据权利要求2所述的基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器，其特征在于，第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)均为阶跃阻抗结构。
10.一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器的制备方法，该方法包括：
上腔体(15)和下腔体(16)的相对位置处增设主沟道(17)和偏置沟道(18)；
将输入耦合探针(2)、低通滤波器(6)、肖特基势垒二极管对(8)、输出耦合探针(9)均固定在水平放置的第二石英电路基板(7)上，输入耦合探针(2)和低通滤波器(6)相连接，且二者位于第二石英电路基板(7)的前端，输出耦合探针(9)位于第二石英电路基板(7)的末端，低通滤波器(6)与输出耦合探针(9)之间增设第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)；第一匹配电路(13)和第二匹配电路(14)之间增设肖特基势垒二极管对(8)，该肖特基势垒二极管对(8)与第二石英电路基板(7)呈十字交叉状结构；第二石英电路基板(7)的前端还设置第一标准波导结构(1)，第一标准波导结构(1)与输入耦合探针(2)之间增设波导-微带转换结构，第二石英电路基板(7)的末端还增设设置第二标准波导结构(10)，第二标准波导结构(10)与输出耦合探针(9)之间增设波导-微带转换结构；
将第二石英电路基板(7)通过导电胶(12)粘接在主沟道(17)内；
第二石英电路基板(7)上倾斜设置第一石英电路基板(5)，第一石英电路基板(5)上设置直流偏置滤波器(4)，
将第一石英电路基板(5)通过导电胶(12)粘接在偏置沟道(18)内，
直流偏置滤波器(4)的输入端与低通滤波器(6)的输入端键合金丝(3)相连接；
通过多个紧固螺钉将上腔体(15)和下腔体(16)紧固在一起。
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| CN202110619699.XA CN113541608A (zh) | 2021-06-03 | 2021-06-03 | 一种基于肖特基二极管结构的太赫兹三倍频器及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN114123978A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-03-01 | 电子科技大学 | 基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端 |
| CN115118347A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-09-27 | 壹新信通科技(成都)有限公司 | 一种太赫兹倍频链路、发射设备及直接调制通信系统 |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN104702217A (zh) * | 2015-03-31 | 2015-06-10 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种内嵌偏置电路的太赫兹倍频器 |
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2021
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