CN113572431A - 一种太赫兹固态基波混频器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹固态基波混频器电路，所述太赫兹基波混频器电路包括射频输入波导、匹配腔体、本振输入波导和平面电路基板，平面电路基板上集成单阳极肖特基势垒二极管、本振输入波导‑悬置微带耦合探针和中频信号低通滤波器；所述射频输入波导通过匹配腔体耦合连接单阳极肖特基势垒二极管，所述本振输入波导的腔体上固定本振输入波导‑悬置微带耦合探针，本振输入波导‑悬置微带耦合探针通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管；本振输入波导‑悬置微带耦合探针通过传输线连接中频信号低通滤波器的电路。本发明能够将频率相近的射频和本振信号通过两个不同的模式大幅提升端口隔离度和驻波特性。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹固态电路器件领域，具体为一种太赫兹固态基波混频器电路。
背景技术
太赫兹是一种电磁波，频率覆盖0.1THz到10THz，频率范围处于微波和红外之间，被称为“太赫兹间隙”。太赫兹在电磁波谱中的特殊位置，使其具有非常多的特性。与微波相比，太赫兹波的波长更短、带宽更宽，可以获得更高的分辨率和承载更大的信息量，从而广泛应用于安检、通信等相关领域。与光波相比，太赫兹波具有更强的穿透性和更低的光子能量，从而被广泛应用于射电天文、遥感、生物医疗以及极端环境战场通信等。
在太赫兹的高频端(2THz～10THz)，太赫兹研究主要采用光学或者类光学的理论方法；在太赫兹的低频端(2THz以下)，普遍采用电子学理论与方法进行系统设计和理论分析。在太赫兹低频端，超外差接收机由于其具有较高的灵敏度而被广泛采用。通常情况下，超外差接收机主要包括天线、低噪声放大器、混频器、本振信号源链路以及中频放大及检波链路。在太赫兹频段，成熟的低噪声放大器无法获得，从而混频器作为第一级器件，直接决定了接收机的性能。
在太赫兹频段，由于本振源链路成本高及输出功率低等问题，普遍采用谐波混频(奇次、偶次)的方式进行混频器设计。但是，随着谐波次数的增长，混频器变频损耗和噪声温度变差，从而导致接收机性能下降。对于一些应用场景(如太赫兹高速通信和太赫兹辐射计)，需要尽可能的降低混频器变频损耗以及噪声温度，从而提升系统性能。因此，基波混频器形式在太赫兹频段应该得到发展和应用。目前，国内外在太赫兹基波混频器电路方面的报导相对较少。
发明内容
本发明的目的在于提出一种应用于太赫兹频段的固态基波混频器电路，该基波混频器电路能够有效降低混频器变频损耗，大幅提升本振、射频端口驻波及隔离度。随着本振源频率的提高，基波混频器可以在太赫兹较高频段下工作。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种太赫兹固态基波混频器电路，所述太赫兹基波混频器电路包括射频输入波导、匹配腔体、本振输入波导和平面电路基板，平面电路基板上集成单阳极肖特基势垒二极管、本振输入波导-悬置微带耦合探针和中频信号低通滤波器；
所述射频输入波导通过匹配腔体耦合连接单阳极肖特基势垒二极管，所述本振输入波导的腔体上固定本振输入波导-悬置微带耦合探针，本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管；
本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线连接中频信号低通滤波器的电路；
所述平面电路基板通过沟道与腔体固定连接。
本发明中，所述射频输入波导通过匹配腔体耦合连接单阳极肖特基势垒二极管的耦合模式为TE10模式；
所述本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管的耦合方式为准TEM模式。
本发明中，所述平面电路基板正面采用覆金材料走线，背面整体涂抹导电胶，与匹配腔体和本振输入波导的腔体沟道固定。
优选地，匹配腔体为四段不同宽度的矩形波导结构。
本发明中，所述单阳极肖特基势垒二极管的数量为两个，在平面电路基板上的设置方式为同向串联。
具体地，本发明提供了一种太赫兹固态基波混频器电路，所述太赫兹基波混频器电路包括射频/本振输入波导、平面电路基板和单阳极肖特基势垒二极管，其中平面电路基板集成射频输入波导、本振输入波导-悬置微带耦合探针、中频信号低通滤波器及匹配枝节；其中，两个同向单阳极肖特基势垒二极管实现对射频信号的下变频。
本发明射频输入波导通过TE10模式直接耦合在单阳极二极管，本振输入波导-悬置微带耦合探针结构通过准TEM模式耦合在单阳极二极管，能够将频率相近的射频和本振信号通过两个不同的模式大幅提升端口隔离度和驻波特性。
本发明中，所述射频和本振信号通过不同模式耦合到单阳极二极管上，形成同频段信号的端口隔离度和驻波特性。
本发明中，所述的太赫兹基波混频器电路一端与混频器金属腔体粘合，另一端通过金丝键合的方式与SMA输出连接。
本发明提出一种基于平衡式的太赫兹固态基波混频器，通过射频和本振信号输入的模式隔离，实现射频端和本振端的隔离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过射频信号与本振信号的模式隔离实现同频段信号的隔离度以及驻波，从而降低本振和射频信号串扰对变频信号的影响。
附图说明
图1为本发明混频器电路的结构图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明混频器电路的中频输出与SMA的连接图；
图4为本发明混频器电路的平面电路基板结构图；
图5为本发明混频器电路两个同向单阳极肖特基势垒二极管的设置方式图；
图6为本发明混频器电路的单边带变频损耗仿真结果图；
附图标记：
1、本振输入波导；2、射频输入波导；3、平面电路基板；4、平面电路沟道；5、接地；6、单阳极肖特基势垒二极管；7、本振输入波导-悬置微带探针；8、中频低通滤波器；9、匹配腔体；10、金丝键合线；11、SMA；12、第一单阳极肖特基势垒二极管阳极；13、第二单阳极肖特基势垒二极管阳极；14、第一单阳极肖特基势垒二极管阴极；15、第二单阳极肖特基势垒二极管阴极。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1-5所示，一种太赫兹固态基波混频器电路，所述太赫兹基波混频器包括平面电路基板3以及其上集成的射频输入波导2、匹配腔体9、本振输入波导1、单阳极肖特基势垒二极管6、本振输入波导-悬置微带耦合探针7和中频信号低通滤波器8；
所述射频输入波导2通过匹配腔体9耦合连接单阳极肖特基势垒二极管6，所述本振输入波导1的腔体上固定本振输入波导-悬置微带耦合探针7，本振输入波导-悬置微带耦合探针7通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管6；单阳极肖特基势垒二极管的两端设置接地5。
本振输入波导-悬置微带耦合探针7通过传输线连接中频信号低通滤波器8的电路。
本发明中，所述射频输入波导2通过匹配腔体9耦合连接单阳极肖特基势垒二极管6的耦合模式为TE10模式；
所述本振输入波导-悬置微带耦合探针7通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管的耦合方式为准TEM模式。
本发明中，所述平面电路基板3正面采用覆金材料走线，背面整体涂抹导电胶，基板上的平面电路沟道4与匹配腔体和本振输入波导的腔体沟道固定。
本发明中，所述单阳极肖特基势垒二极管的数量为两个，在平面电路基板上的设置方向为同向。
本实施例为220GHz基波混频器，其电路结构如图1所示，主要包括本振输入波导1、射频输入波导2、平面电路基板3、平面电路沟道4、接地5、中频低通滤波电路8、两个单阳极肖特基势垒二极管6。
如图1所示，射频输入波导采用四段匹配波导设计，本振输入波导进行减高设计。本实施例射频信号和本振信号频率接近，因此采用相同的标准矩形波导WR4.3，截面尺寸为1.092mm*0.546mm。
其中，射频信号功率以TE10波导模式馈入二极管，本振信号TE10模式通过石英平面电路转换为准TEM波，馈入二极管。由于本振信号和射频信号模式的正交性，本振信号不会向石英电路泄露，射频信号也不会向本振输入波导泄露。
本实施例基波混频器电路的俯视图如图2所示。使得图1中的信息更加完善和清晰。
如图3所示，混频电路的中频输出与SMA11采用金丝键合方式连接。其中，金丝键合线10连接基波混频电路和SMA 11的探针。
如图4所示，基波混频石英平面电路结构包括两个单阳极肖特基势垒二极管6、本振输入波导-悬置微带探针7和中频低通滤波电路8。所述石英平面电路基板厚度为15μm，正面采用覆金材料走线，金的厚度为2μm。石英基板背面整体涂抹导电胶，与腔体沟道固定，胶厚度为15μm。
如图5所示，两个同向单阳极肖特基势垒二极管，分别为第一单阳极肖特基势垒二极管和第二单阳极肖特基势垒二极管，其中，第一单阳极肖特基势垒二极管具有第一单阳极肖特基势垒二极管阳极12和第一单阳极肖特基势垒二极管阴极14，第二单阳极肖特基势垒二极管具有第二单阳极肖特基势垒二极管阳极13和第二单阳极肖特基势垒二极管阴极15，两个二极管是同向串联。两个二极管对通过倒贴的形式，两端分别涂抹导电胶，一端与石英平面电路基板上的传输线连接，另一端与混频器腔体连接。导电胶涂抹厚度通常保持在15μm。在混频器腔体上为二极管对的两个阴极预留安装空间，具体为混频器腔体上开两个半径为50μm的半圆形槽。
本发明的最大优点是通过射频信号与本振信号的模式隔离实现同频段信号的隔离度以及驻波，从而降低本振和射频信号串扰对变频信号的影响。本实施例使用的本振输入波导过渡结构为本振耦合E面探针结构，射频输入波导输入TE10模信号耦合在肖特基二极管上，电路原理图如图1中结构所示。
本实施例最终的220GHz基波混频器的单边带变频损耗仿真结果如图6所示，仿真参数：射频信号频率f1＝200GHz～240GHz、本振信号频率f2＝220GHz、射频信号功率-20dBm、本振信号功率6mW。其中，中频信号频率定义为f3＝|f1-f2|，变频损耗定义为中频信号输出功率与射频输入信号功率的比值。图6所示横坐标为射频信号频率(单位：GHz)，纵坐标为单边带变频损耗(单位：dB)。从图6中可以看出，本发明设计的太赫兹基波混频器在40GHz射频带宽内能够实现变频损耗3dB的平坦度，性能优异。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
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该理解，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 (5)
1.一种太赫兹固态基波混频器电路，其特征在于，所述太赫兹基波混频器电路包括射频输入波导、匹配腔体、本振输入波导和平面电路基板，平面电路基板上集成单阳极肖特基势垒二极管、本振输入波导-悬置微带耦合探针和中频信号低通滤波器；
所述射频输入波导通过匹配腔体耦合连接单阳极肖特基势垒二极管，所述本振输入波导的腔体上固定本振输入波导-悬置微带耦合探针，本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管；
本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线连接中频信号低通滤波器的电路；
所述平面电路基板通过沟道与腔体固定连接。
2.根据权利要求1所述的太赫兹固态基波混频器电路，其特征在于，所述射频输入波导通过匹配腔体耦合连接单阳极肖特基势垒二极管的耦合模式为TE10模式；
所述本振输入波导-悬置微带耦合探针通过传输线耦合连接单阳极肖特基势垒二极管的耦合方式为准TEM模式。
3.根据权利要求1所述的太赫兹固态基波混频器电路，其特征在于，所述平面电路基板正面采用覆金材料走线，背面整体涂抹导电胶，与匹配腔体和本振输入波导的腔体沟道固定。
4.根据权利要求1所述的太赫兹固态基波混频器电路，其特征在于，所述单阳极肖特基势垒二极管的数量为两个，在平面电路基板上的设置方式为同向串联。
5.根据权利要求1所述的太赫兹固态基波混频器电路，其特征在于，所述匹配腔体为四段不同宽度的矩形波导结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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