CN113688591B - 一种太赫兹倍频器的快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹器件技术领域，具体为一种太赫兹倍频器的快速设计方法。本发明方法在计算输入结构端口阻抗值时，先对设计的输入结构模型端口阻抗进行归一化处理，然后根据微波理论，利用输入结构模型端口的S参数得到其实部计算公式和虚部计算公式；再将实部和虚部两个计算公式代入三维电磁仿真软件的输出变量控件中，即可得到输入结构端口与非线性器件阻抗匹配值。输出结构端口阻抗值计算过程与输入结构相同，只需要将输入结构模型端口的S参数替换为输出结构模型端口的S参数即可。由于实部和虚部两个公式的存在，输入、输出结构端口的阻抗值可在三维电磁仿真软件中直观获取，无需对SNP文件在三维电磁仿真软件与电路软件来回迭代运算。

Description

一种太赫兹倍频器的快速设计方法

技术领域

本发明属于太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹倍频器的快速设计方法。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1THz-10THz内的电磁波，具有非常优秀的特性，能够广泛应用在安检、医疗、航天、检测等技术领域。太赫兹倍频器可以将低频的电磁波进行倍频形成太赫兹波，是获得太赫兹波的核心器件。

在传统太赫兹倍频器的设计方法中，常常采用三维电磁仿真软件与电路仿真软件相结合的方式，通过分部、整体、又或者半整体的设计方法完成倍频器的设计。在设计的过程中，当相连的两段微带线宽度不一致时，会出现微带或悬置微带等传输线阻抗的阶跃效应，在电路仿真软件中是难以表征这个效应的，因此需要在三维电磁仿真软件中，仿真得到这个阶跃效应的SNP文件，将其代回电路仿真软件中，才能完整地表征这两节传输线的电路性能。具体过程可以参阅图1。由于倍频电路较为繁杂，通常需要多个传输线的阶跃匹配，这就需要我们来回迭代多次，使得传统的太赫兹倍频器设计过程繁杂；另一方面，在增加阶跃效应后，会使电路性能恶化，这时又需要重新优化电路传输线结构尺寸，大大增加了设计周期时长。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种太赫兹倍频器的快速设计方法，以解决传统太赫兹倍频器设计工序繁杂且设计周期长的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太赫兹倍频器的快速设计方法，包括以下步骤：

步骤1、在三维电磁仿真软件中提取非线性器件的SNP文件，并将其导入电路仿真软件中；

步骤2、在电路仿真软件中，根据实际需求的倍频器性能，利用SNP文件计算出理想状态下非线性器件输入、输出阻抗值；

步骤3、在三维电磁仿真软件中设计输入、输出结构模型，分别计算出输入结构、输出结构的端口阻抗值，以用于调整输入结构、输出结构的尺寸，使其与对应的步骤2所计算出的非线性器件输入、输出阻抗值相等，实现阻抗匹配，从而完成倍频器设计；详细过程为：

3.1、在三维电磁仿真软件中分别设计出输入结构和输出结构的模型；并分别提取输入、输出结构模型端口的S参数；

3.2、计算输入结构端口阻抗值：

对输入结构模型端口阻抗进行归一化50Ω处理；并根据微波理论，利用输入结构模型端口的S参数，得到公式(1)和公式(2)；

ReZin＝-50*(re(S(2,2))^2+im(S(2,2))^2-1)/((re(S(2,2))-1)^2+im(S(2,2))^2) (1)

ImZin＝(ReZin*(re(S(2,2))-1)+50*(re(S(2,2))+1))/im(S(2,2)) (2)

其中，Re为输入结构Zin的实部，Im为输入结构Zin的虚部；

将公式(1)和公式(2)代入三维电磁仿真软件的Output Variables控件中，即可直观的获得输入结构端口阻抗值。

3.3、计算输出结构端口阻抗值：

输出结构端口阻抗值的计算过程与输入结构阻抗值的计算过程相同；只需在输出结构端口阻抗归一化50Ω处理后，将输入结构模型端口的S参数替换为输出结构模型端口的S参数，即可得到输出结构端口阻抗值。

进一步的，所述太赫兹倍频器的快速设计方法还包括验证过程：

在三维电磁仿真软件中，将输入结构、输出结构及非线性器件模型合并得到倍频器模型，并提取倍频器模型的SNP文件；

将提取的倍频器模型SNP文件导入电路模型中验证设计准确性。

进一步的，为减少谐波对倍频性能的影响，所述输入结构、输出结构模型中还包括理想滤波器。

本发明提供了一种太赫兹倍频器的快速设计方法，采用了电路仿真软件与三维电磁仿真软件相结合的方式，先从三维电磁仿真软件中，提取出非线性器件的SNP文件；再在电路仿真软件中利用获取的SNP文件计算出非线性器件输入、输出阻抗值；最后在三维电磁仿真软件中设计输入、输出结构模型，并对输入结、输出结构及非线性器件进行合并形成本发明的倍频器。为解决传统倍频器设计时，需要在三维电磁仿真软件与电路软件来回迭代运算才能实现输入、输出阻抗匹配的问题。本发明在计算输入结构端口阻抗值时，先对设计的输入结构模型端口阻抗进行归一化50Ω处理，并根据微波理论，利用输入结构模型端口的S参数得到其实部计算公式和虚部计算公式，即公式(1)和公式(2)。然后将实部和虚部两个计算公式代入三维电磁仿真软件的Output Variables控件中，即可以使三维电磁仿真软件对输入结构的端口值实时展示出来，实现了与非线性器件的快速匹配。输出结构端口阻抗值匹配过程与输入结构相同，匹配时，只需要将输入结构模型端口的S参数替换为输出结构模型端口的S参数即可。由此不难发现，本发明的核心点在于公式(1)和公式(2)。图11为公式(1)和公式(2)的理论分析图。图11中，上部分为电磁三维软件中，不做任何处理得到的S参数，图的下部分为输入或输出模型结构的端口归一化处理后得到S参数，利用微博理论，可以将图11中推导详细过程为：

首先在三维电磁仿真软件中，不做任何处理下，得到的端口2的S参数如图11上半部分所示；然后对端口2做归一化50Ω处理得到的S参数如图11下半部分所示。所以，在图11下半部分中S22端口面向右的所有网络视为一个Zin，得到如下方程：

对上述方程进行求解即可得到公式(1)和公式(2)：

ReZin＝-50*(re(S(2,2))^2+im(S(2,2))^2-1)/((re(S(2,2))-1)^2+im(S(2,2))^2 (1)

ImZin＝(ReZin*(re(S(2,2))-1)+50*(re(S(2,2))+1))/im(S(2,2)) (2)

由于实部和虚部两个公式，即公式(1)和公式(2)的存在，输入、输出结构端口的阻抗值可以在三维电磁仿真软件直观的获取，且还能随着尺寸的调制进行实时展示计算结果。也无需对SNP文件在三维电磁仿真软件与电路软件来回迭代运算。

与现有技术相比，本发明设计工序简单且周期短，在太赫兹倍频器的设计中具有良好的应用前景，同时也可以推广到太赫兹混频器设计应用中。

说明书附图

图1为传统设计方法的倍频器拓扑图；

图2为传统设计方法的倍频器整体三维电磁模型图；

图3为实施例中应用本发明方法设计得到的220GHz二倍频器对应拓扑图示；

图4为实施例制作的倍频器整体三维电磁模型图；

图5为实施例利用导出的SNP文件在电路仿真软件中计算得到的阻抗图；

图6为本实施例计算得到的220GHz二倍频器的输出阻抗；

图7为实施例中对端口2归一化50欧姆；

图8(a)为实施例三维电磁仿真软件中输入结构模型导入公式(1)和公式(2)后，Output Variables控件展示情况；

图8(b)为实施例三维电磁仿真软件中输入结构模型导入公式(1)后，其端口实部ReZin值；

图8(c)为实施例三维电磁仿真软件中输入结构模型导入公式(2)后，其端口虚部ImZin值；

图9(a)为实施例三维电磁仿真软件中输出结构模型导入公式(1)和公式(2)后，Output Variables控件展示情况；

图9(b)为实施例三维电磁仿真软件中输出结构模型导入公式(1)后，其端口实部ReZin值；

图9(c)为实施例三维电磁仿真软件中输入结构模型导入公式(2)后，其端口虚部ImZin值；

图10为实施例最终得到仿真设计结果；

图11为本发明中实部计算公式和虚部计算公式的推导过程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面以一款220GHz二倍频的设计为例，结合合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

依照上述方法进行一种太赫兹倍频器，详细过程如下：

步骤1、先在三维电磁仿真软件中设计出非线性器件模型，然后提取该模型的SNP文件，导入电路仿真软件中。本实施例220GHz二倍频设计采用2个三管芯串联的二极管，故此SNP文件的N为8。(关于SNP文件的设置是太赫兹倍频器设计的基础知识，不再赘述。)

步骤2、在电路仿真软件中，根据实际需求的倍频器性能，利用SNP文件计算出理想状态下非线性器件的输入端口、输出端口阻抗值。在本实施例中，倍频电路性能要求为：220GHz频点在100mw输入情况下输出>30mw。图5为本实施例计算得到的阻抗图，图6为本实施例计算得到的220GHz二倍频器的输出阻抗。由图5、图6可知，本实施例利用SNP文件计算出的输入阻抗为61.7-j*27Ω、输出阻抗为15.4+j*11.6Ω，倍频器220GHz输出在35mw。

步骤3、在传统的倍频器的设计中，也会对非线性器件模型进行阻抗匹配的获取。但是，他们的设计方式仍然是电路仿真软件-三维电磁仿真软件来回迭代，来实现该目标阻抗的。这种方式无法直观的在三维电磁仿真软件中得到这一阻抗值，且来回迭代使得工序繁杂，且计算量大，设计周期长。

为解决这一问题，本实施例采用了一种新的方式解决阻抗匹配问题。首先在三维电磁仿真软件中，分别设计输入、输出结构的整体拓扑图。该拓扑结构不限，只要可以与非线性器件三维模型的输入输出实现对接，且输入输出部分满足倍频器的输入输出波导尺寸要求即可。以本款220GHz二倍频器设计为例，输入结构的端口2，就是与非线性部分的对接端口，只需这个端口的输入阻抗达到非线性器件的输入阻抗61.7-j*27Ω即可实现匹配。

由于在三维电磁仿真软件中只能看见端口特性阻抗PortZ，这个阻抗只有实部部分或在不传输情况下只有虚部，不是我们所需要的输入阻抗。故需要利用微博理论基础知识对其进行理论推导。

图7为本实施例中对端口2归一化50欧姆。如图7所示，先将接端口2归一化50Ω处理，使其阻抗归一化到50Ω，进行归一化操作后，可以认为端口2的特征阻抗为50Ω，也可以认为是负载阻抗为50Ω，此时根据微波理论，利用两端口的S参数计算得到：

ReZin＝-50*(re(S(2,2))^2+im(S(2,2))^2-1)/((re(S(2,2))-1)^2+im(S(2,2))^2 (1)

ImZin＝(ReZin*(re(S(2,2))-1)+50*(re(S(2,2))+1))/im(S(2,2)) (2)

这里的Zin就是从端口2往输入波导看去的端口输入阻抗，也就是对应非线性器件模型的目标输入阻抗。其中，Re为Zin的实部，Im为Zin的虚部。

将公式(1)和公式(2)代入三维电磁仿真软件的Output Variables控件中，即可在三维电磁仿真软件中得到这个ReZin、ImZin的值。如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示，在三维电磁仿真软件中可以看到在110GHz,端口2阻抗在61.7-j*27Ω。输出结构阻端口抗值的计算过程与输入结构端口阻抗值的计算过程相同。本实施例需要设计的220GHz二倍频器的输出部分为例，对输出结构归一化到50Ω，将输入结构模型端口的S参数替换为输出结构模型端口的S参数，得到输出部分的端口阻抗值，也即非线性器件模型的输出匹配阻抗。若套用公式(1)和公式(2)，只需将输入端口Zin改写成输出端口Zout，如图9(a)、图9(b)及图9(c)所示，在三维电磁仿真软件中可以看到在220GHz,该端口阻抗在15.4+j*11.6Ω。

图3为应用本方法设计得到的220GHz二倍频器对应拓扑图示，如图3所示，在电路仿真软件中，对非线性器件模型的SNP文件进行负载牵引得到的输入基波f0，目标匹配阻抗与输出谐波n*f0目标匹配阻抗(n＝2、3……取决于倍频次数)，而后计算输入结构、输出结构的最佳输入、输出端口阻抗值，使其跟步骤2计算出的非线性器件输入、输出阻抗值相等。最后合并为整体倍频器模型。需要注意的是，在获取非线性器件的阻抗值时，应当注意设置阻抗值区间的合理性(以复数形式a+j*b为例，a一般设置[0,300],b设置成[-300,300])，以避免出现因在实际情况下阻抗值无法实现而导致无法与输入、输出部分的阻抗实现匹配的情况。此外在为获得非线性器件模型端口的输入、输出阻抗值时，还可以根据需要在输入、输出部分可添加理想滤波器，以抑制其他谐波，减少谐波对倍频性能的影响。本专利方法设计的二倍频器自带输入输出模式正交隔离，故可以不需要理想滤波器元件。

为验证本发明方法的正确性，特设计了一款中心频率在220GHz的二倍频器作为验证，其三维电磁模型如图4所示。将本实施例得到的中心频率在220GHz的二倍频器与传统结构(图2)相比，可以清楚的看到，本设计方法利于用波导做匹配，应用本方法设计的倍频器的微带结构采用一致宽度，通过在三维电磁仿真软件中改变波导匹配，实现了输入阻抗、输出阻抗与倍频电路输入、输出阻抗的匹配。其倍频效率如图10所示，在220GHz倍频器效率为35％，S11优于-25dB，与电路仿真软件中得到倍频效率一致，证明了本方法的可行性。

由上述内容可以看出，本发明提供的一种倍频器的快速设计方法，设计工序简洁，省去了传统倍频器电路采用场路联合仿真设计时来回迭代的过程，并且有效解决了倍频电路匹配支节较多的问题，从而减少整个电路的损耗。

Claims (3)

1.一种太赫兹倍频器的快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在三维电磁仿真软件中提取非线性器件的SNP文件，并将其导入电路仿真软件中；

步骤2、在电路仿真软件中，根据实际需求的倍频器性能，利用SNP文件计算出理想状态下非线性器件输入、输出阻抗值；

步骤3、在三维电磁仿真软件中设计输入、输出结构模型，分别计算出输入结构、输出结构的端口阻抗值，通过调整输入结构、输出结构的尺寸，使其与对应的步骤2所计算出的非线性器件输入、输出阻抗值相等，实现阻抗匹配，从而完成倍频器设计；详细过程为：

3.1、在三维电磁仿真软件中分别设计出输入结构和输出结构的模型；并分别提取输入、输出结构模型端口的S参数；

3.2、计算输入结构端口阻抗值：

在三维电磁仿真软件中，不做任何处理下，得到的端口2的S参数；然后对端口2做归一化50Ω处理得到一个新的S参数，在归一化50Ω处理后得到的新S参数下，定义S22端口面向右的所有网络为一个Zin，得到如下方程：

对上述方程进行求解即可得到公式(1)和公式(2)：

ReZin ＝-50*(re(S(2,2))^2+im(S(2,2))^2-1)/((re(S(2,2))-1)^2+im(S(2,2))^2) (1)

ImZin＝(ReZin*(re(S(2,2))-1)+50*(re(S(2,2))+1))/im(S(2,2)) (2)

其中，Re为输入结构Zin的实部，Im为输入结构Zin的虚部；

将公式(1)和公式(2)代入三维电磁仿真软件的Output Variables控件中，即可直观的获得输入结构端口阻抗值；

3.3、计算输出结构端口阻抗值：

输出结构端口阻抗值的计算过程与输入结构阻抗值的计算过程相同；只需在输出结构归一化50Ω处理后，将输入结构模型端口的S参数替换为输出结构模型端口的S参数，即可得到输出结构端口阻抗值。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹倍频器的快速设计方法，其特征在于：所述太赫兹倍频器的快速设计方法还包括验证过程：

在三维电磁仿真软件中，将输入结构、输出结构及非线性器件模型合并得到倍频器模型，并提取倍频器模型的SNP文件；

将提取的倍频器模型SNP文件导入电路模型中验证设计准确性。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹倍频器的快速设计方法，其特征在于：为减少谐波对倍频性能的影响，所述输入结构、输出结构模型中还包括理想滤波器。

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