CN114039551B - 一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器，属于太赫兹倍频器技术领域。本发明倍频器在不改变传统太赫兹倍频器整体结构与体积的前提下，创新性地采用薄膜代替传统硬基片，并通过双层薄膜设计实现两条上下对称的倍频支路。由于两条支路的电长度对称，从而保证了两路信号相位的一致性，能够实现上下两路倍频信号的合成，因此使得功率容量较传统太赫兹倍频器增大了一倍，解决了传统通过波导实现功率分配/合成体积大结构复杂的问题；同时还能大幅降低信号传输中的介质损耗。

Description

一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器
技术领域
本发明属于太赫兹倍频器技术领域，具体涉及一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(对应的波长为3mm～30um)范围内的电磁波，其长波段临接毫米波，短波段靠近红外线，处于电子学与光子学的交叉区域。与较低频段的微波相比，其具有以下特点：1、利用的频谱范围宽，信息容量大；2、易实现窄波束和高增益的天线，且分辨率高，抗干扰性好；3、穿透等离子体的能力强；4、多普勒频移大，测速灵敏度高。因此，太赫兹波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。
稳定高功率输出的太赫兹源是固态太赫兹系统应用中的关键。当频率提高到太赫兹范围内时，直接制造具有良好的功率、稳定性和噪声特性的基频振荡器变得十分困难；通过倍频器将低频信号抬高，从而获得高频太赫兹信号，是更有效的高频太赫兹源实现方式。太赫兹倍频器作为频率源时，即要求具有一定倍频效率，更要尽量提高输出功率。实现固态倍频器主要是使用微波半导体器件，然而微波半导体器件有功率容量的限制，因此单个器件产生的功率无法满足频率源的要求。
为了获得更高的功率容量和较大的输出功率，现有技术常用以下两种途径解决：1.采用具有并联平衡式结构的倍频器[1]，此倍频结构二极管垂直于线路长度方向排布，由于电路宽度的限制，使单个倍频电路可容纳的二极管数量有限，使得倍频器的容量仍有限；2.采用波导分配/合成结构对多个倍频电路进行功率分配/合成[2]，此方法需要在金属腔体实现波导分配/合成结构，增加了腔体尺寸和电路复杂程度。
因此，如何实现在较少体积下设计具有高功率容量和大的输出功率的太赫兹倍频器就成为了亟待解决的问题。
[1]W.S.Holland et al.,"Local oscillator sub-systems for arrayreceivers in the 1-3 T Hz range,"presented at the Millimeter,Submillimeter,and Far-Infrared Detectors and Instru mentation for Astronomy VI,2012.
[2]J.V.Siles et al.,"A High-Power 105–120GHz Broadband On-Chip Power-Combine d Frequency Tripler,"IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.25,no.3,pp.157-159,2015.
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双层薄膜的太赫兹倍频器。该倍频器在不改变传统太赫兹倍频器整体结构与体积的前提下，创新性地提出通过双层薄膜结构替代单基片形成两路倍频支路，并实现两路倍频支路的功率分配/合成；同时该器件具有体积小、易于实现等特点，具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器，包括两个倍频管、两层支撑薄膜、功分结构、传输线和匹配结构，所述第一倍频管设置于第一支撑薄膜的上表面，匹配结构和传输线设置于两层支撑薄膜之间且传输线平行于薄膜长边方向设置；第二倍频管设置于第二支撑薄膜的下表面，第一倍频管和第二倍频管关于第一支撑薄膜所在平面对称且垂直于薄膜长边方向设置；第一倍频管和第二倍频管均通过功分结构与传输线相连；匹配结构和传输线相连，用于信号的传输。
进一步地，支撑薄膜的薄膜越厚，两条支路隔离度越好；优选地，薄膜厚度应大于倍频管高度的两倍。
进一步地，支撑薄膜材料的介电常数越小，倍频器的损耗越低；优选有机高分子材料，如苯并环丁烯(BCB)。
进一步地，倍频管由若干个二极管串联形成，二极管数量越多，倍频器的功率容量越大。
进一步地，传输线沿薄膜宽边的中心方向设置。
进一步地，所述功分结构采用梯形线。
本发明的机理为：本发明倍频器的倍频电路采用两条上下对称的倍频支路，信号由输入端输入后，在接近二极管的输入端，通过功过结构使信号等功率分配到上下两个倍频支路，进行倍频作用后，在接近二极管出入端，功分结构将上下两支路的输出信号合为一路，从而实现片上功率的分配/合成。该电路在长宽和传统单路倍频结构相同的情况下，因为两条支路的电长度对称，从而保证了两路信号相位的一致性，能够实现上下两路倍频信号的合成，因此使得功率容量较传统太赫兹倍频器增大了一倍。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明创新性地采用薄膜代替传统硬基片，可大幅降低信号传输中的介质损耗；同时，通过上下两条对称的倍频支路实现了片内输出功率的分配/合成，解决了传统通过波导实现功率分配/合成体积大结构复杂的问题。
附图说明
图1为本发明双层薄膜的太赫兹倍频器的整体结构示意图。
图2为本发明太赫兹倍频器管芯部分的结构示意图；
其中，(a)为整体结构示意图；(b)为正视图；(c)为侧视图。
图3为单层薄膜太赫兹倍频器管芯部分的结构示意图。
图4为单层薄膜太赫兹倍频器和本发明太赫兹倍频器在最大输入功率下输出功率对比图。
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。
图1为本发明双层薄膜的太赫兹倍频器的整体结构示意图。从图中可以看出，不同于传统硬基片固态电路，双层薄膜的太赫兹倍频器采用高分子薄膜作为电路支撑，实现无基片电路结构。倍频器包括核心倍频结构和常规匹配结构，核心倍频结构由两条上下对称的倍频支路组成，每一条支路有一组用于倍频的二极管，上下两条支路的二极管沿中心平面对称设置，被薄膜隔离，避免传输信号在两条支路的耦合，从而产生干扰；传输线沿薄膜宽边中心方向设置，位于上下两层薄膜之间用于信号的传输；常规匹配结构以太赫兹固态电路中常用的高低阻抗变换结构实现输入、输出阻抗匹配。
图2为本发明太赫兹倍频器管芯部分的结构(核心倍频结构)示意图；其中，倍频支路管芯处包括支撑薄膜(1)，位于支撑薄膜(1)上表面的第一倍频管(2)和支撑薄膜(1)下表面的第二倍频管(3)，且倍频管垂直于薄膜长度方向设置；两层支撑薄膜之间设置传输线(4)，传输线与倍频管相互垂直且设置于薄膜宽边中心方向上；上下两条支路的倍频管通过梯形线(功分结构5)与传输线连接。
中央传输线在管芯附近分为上下两个支路，对两路二极管管芯分别馈入信号并将上下两支路的输出信号合为一路，实现功率的分配/合成。
图3为单层薄膜太赫兹倍频器管芯部分的结构示意图，本发明可看作将其沿中心对称面对称得到。
图4为单层薄膜太赫兹倍频器和本发明太赫兹倍频器在最大输入功率下输出功率对比图，容性倍频器二极管工作在反向偏压状态，过高的输入功率会使得二极管反向击穿，图4中可以看出，在二极管都处于反向击穿临界状态下，双层薄膜的太赫兹倍频结构较单层薄膜的太赫兹倍频器而言，其功率容量扩大一倍。
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 (7)

1.一种基于双层薄膜的太赫兹倍频器，其特征在于，包括两个倍频管、两层支撑薄膜、功分结构、传输线和匹配结构；第一倍频管设置于第一支撑薄膜的上表面，匹配结构和传输线设置于两层支撑薄膜之间且传输线平行于薄膜长边方向设置；第二倍频管设置于第二支撑薄膜的下表面，第一倍频管和第二倍频管关于第一支撑薄膜所在平面对称且垂直于薄膜长边方向设置；第一倍频管和第二倍频管均通过功分结构与传输线相连；匹配结构和传输线相连，用于信号的传输；支撑薄膜材料为有机高分子材料。
2.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，支撑薄膜的薄膜越厚，两条支路隔离度越好。
3.如权利要求2所述的太赫兹倍频器，其特征在于，支撑薄膜厚度应大于倍频管高度的两倍。
4.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，支撑薄膜材料的介电常数越小，倍频器的损耗越低。
5.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述倍频管由若干个二极管串联形成，二极管数量越多，倍频器的功率容量越大。
6.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述传输线沿薄膜宽边的中心方向设置。
7.如权利要求1所述的太赫兹倍频器，其特征在于，所述功分结构采用梯形线。
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