CN114123978B - 基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，属于太赫兹无线通信技术领域，包括上下布置的中频电路和太赫兹电路，太赫兹电路包括本振三倍频器、135°3 dB滤波耦合器、射频波导功分器和两个石英异质集成分谐波混频器；135°3 dB滤波耦合器的输入单元、第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的谐振腔依次通过谐振凹槽耦合构成环形结构，输入单元的谐振腔腔长为其他三个单元的两倍，第一输出单元与第二输出单元的波导电长度差45°。本发明采用兼具滤波和耦合双重功能的环形结构的135°3 dB滤波耦合器，实现电路小型化，同时抑制本征噪声，获得低噪声镜频抑制收发前端。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无线通信技术领域，具体涉及基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1~10 THz范围的电磁波，其频谱位于毫米波与红外光波之间，兼具了微波和光波的特性并具有独特的特点，这使得太赫兹技术成为电子学和光子学研究的重要扩展。由于太赫兹波的适中波束宽度、极大带宽和高保密性等特点，其在高速无线通信领域的应用前景引起国内外广泛关注，急需开展太赫兹高速通信新体制和新方法研究，而太赫兹集成收发前端技术是其核心之一。
目前已报道的太赫兹固态高速通信系统收发前端存在噪声性能较差、电路集成度不高、镜频抑制能力弱等问题。噪声性能差主要是由于收发前端混频器的本振驱动源采用多次倍频方式，倍频次数往往在十次以上，极大地恶化了噪声的性能。由于太赫兹电路尺寸较小，如果简单的将各电路进行集成，虽然可以减小系统体积实现便携化，但是体积减小会增加加工难度，各电路之间的相互干扰也会加剧，所以合理的电路架构非常重要。同时，由于太赫兹电路十分精密，传统的人工装配会引入不确定的人工装配误差，从而导致电路性能的恶化。并且当需要多个电路时，人工装配也无法保证电路一致性。在镜频抑制收发前端中，两个混频器性能的不一致性会极大地降低收发前端的镜频抑制能力。
太赫兹镜频抑制接收前端国外已有报道[B. Thomas, S. Rea, B. Moyna, etal. A 320-360 GHz subharmonically pumped image rejection mixer using planarSchottky diodes[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2009, 19(2): 101-103]，但受制于电路架构不完善，镜频抑制度较差。对比传统结构，本专利提出一种新型镜频抑制收发前端架构，实现低噪声小型化。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，采用环形的135°3 dB滤波耦合器，减小电路尺寸，同时实现低噪声镜频抑制。
本发明具体技术方案如下：
基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，包括上下布置的中频电路和太赫兹电路；所述太赫兹电路包括本振三倍频器、135°3 dB滤波耦合器、第一石英异质集成分谐波混频器、第二石英异质集成分谐波混频器和射频波导功分器；所述135°3 dB滤波耦合器包括均由谐振腔和波导构成的输入单元、第一输出单元、第二输出单元和隔离单元，输入单元、第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的谐振腔依次通过谐振凹槽耦合构成环形结构；其中，输入单元的谐振腔腔长为其他三个单元的谐振腔腔长的两倍，第一输出单元的波导与第二输出单元的波导的电长度相差45°，使得第一输出单元与第二输出单元输出信号的相位差为135度；
射频信号经射频波导功分器平分为两路信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，被135°3 dB滤波耦合器滤波耦合为两路本振驱动信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器驱动混频；第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器混频后产生的中频分量分别输入至中频电路，经90°耦合、放大后，输出上边带（USB）信号和下边带（LSB）信号，实现镜频抑制功能。
进一步地，所述中频电路和太赫兹电路通过第一低损耗探针和第二低损耗探针连接。
进一步地，所述输入单元的波导连接于谐振腔的1/4区域处。
进一步地，所述第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的波导连接于对应谐振腔的1/2区域处。
进一步地，所述中频电路包括依次设置的中频90°电桥和中频低噪声放大器，第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器混频后产生的中频分量经中频90°电桥耦合，中频低噪声放大器放大后，产生上边带（USB）信号和下边带（LSB）信号。
进一步地，所述第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器采用石英抑制集成技术将二极管装配在混频器电路中，保证了两个混频器电路性能的一致性。
进一步地，所述第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器均包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。
进一步地，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导、输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带线过渡和输出波导。
进一步地，所述射频波导功分器采用Y型结功分器电路结构。
所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端的工作原理具体为：射频信号经射频波导功分器平分为的两路功率相同、相位相同的信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，输入至135°3 dB滤波耦合器滤波耦合为两路功率相同、相位差135°的本振驱动信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器驱动混频，产生两路相位差270°（-90°）的中频分量，分别输入至上层的中频电路进行90°耦合和放大；从135°3 dB滤波耦合器馈入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器的本征噪声相位差为270°（-90°），经中频电路的90°相位变化后，相位差为0°，保证镜频抑制架构的需求，从而输出上边带（USB）信号和下边带（LSB）信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提出了基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，通过采用兼具滤波和耦合双重功能的环形结构的135°3 dB滤波耦合器，实现电路小型化，同时解决本振源经过多次倍频放大后的噪声基底恶化的问题，获得低噪声镜频抑制收发前端；
2、本发明采用双层电路布局方法，将中频电路布置在太赫兹电路的上层，通过探针结构实现低损耗连接，使得整体收发前端前端集成在30 mm×20 mm×20 mm的电路腔体内，从而实现太赫兹镜频抑制收发前端整体电路的集成化小型化。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端的电路模型示意图；
图2为本发明实施例1中本振三倍频器的电路结构示意图；
图3为本发明实施例1中135°3 dB滤波耦合器的结构示意图；
图4为本发明实施例1中135°3 dB滤波耦合器的S参数仿真结果；
图5为本发明实施例1中135°3 dB滤波耦合器的相位不平坦度和幅度不平坦度的仿真结果；
图6为本发明实施例1中第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提出了基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，如图1所示，包括第一低损耗探针、第二低损耗探针、中频电路和太赫兹电路；所述中频电路布置在太赫兹电路的上层，二者通过第一低损耗探针和第二低损耗探针连接，使得所述太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端的整体集成在30 mm×20 mm×20 mm的电路腔体内，保证电路可实现性的同时实现了收发前端小型化。
所述太赫兹电路包括本振三倍频器、135°3 dB滤波耦合器、第一石英异质集成分谐波混频器、第二石英异质集成分谐波混频器和射频波导功分器；所述中频电路包括依次设置的中频90°电桥和中频低噪声放大器。
如图2所示，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导WR-28、输入波导-微带线
过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带
线过渡和输出波导WR-8；频率为
的本振信号从本振三倍频器的输入波导WR-28输入后，经
输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器和输入匹配电路输入至同向并联二极管对中进行
三倍倍频，倍频后信号经输出匹配电路和输出波导-微带线过渡后，从输出波导WR-8输出频
率为
的本振三倍频信号；其中，输入匹配电路和输出匹配电路基于负载牵引的方法设
计，使输入信号能量最大化地进入同向并联二极管对中参与倍频，倍频后又以能量最大化
地进行输出；对于同向并联二极管对无法对偶次谐波分量进行抑制的问题，对输出波导-微
带线过渡进行波导减高处理，这样可以提高输出波导-微带线过渡的输出端口的截止频率，
有效防止了三次谐波分量的泄漏。
如图3所示，所述135°3 dB滤波耦合器包括均由谐振腔和标准波导WR-8构成的输入单元、第一输出单元、第二输出单元和隔离单元，输入单元、第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的谐振腔依次通过谐振凹槽耦合构成环形结构；其中，输入单元的谐振腔腔长为第一输出单元、第二输出单元和隔离单元的谐振腔腔长的两倍，第一输出单元的标准波导WR-8与第二输出单元的标准波导WR-8的电长度相差45°，使得第一输出单元与第二输出单元输出信号的相位差为135度；本振三倍频信号从输入单元的标准波导WR-8进入，滤波耦合为两路功率相同、相位差135°的本振驱动信号，分别从第一输出单元和第二输出单元的标准波导WR-8输出，此时隔离端因180°相位差发生反相抵消，无信号输出。
所述135°3 dB滤波耦合器的S参数仿真结果如图4所示，可以看出，在110 GHz本振源频段附近，回波损耗S11优于-20 dB，结合图5的相位不平坦度和幅度不平坦度的仿真结果，可知第一输出单元和第二输出单元的幅度不平坦度低于0.2 dB，与180°相位差相比，相位不平坦度低于3°，性能优良。
所述射频波导功分器采用Y型结功分器电路结构，射频信号从射频波导功分器的公共端波导输入，从分叉形成的两个分支波导输出，射频信号被平分为的两路功率相同、相位相同的信号。
如图6所示，所述第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器为平衡电路结构，采用石英抑制集成技术将二极管装配在混频器电路中，保证了两个混频器电路性能的一致性，其包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。射频波导功分器输出的信号从射频波导-悬置微带过渡进入，经射频匹配电路进入反向并联二极管对；135°3 dB滤波耦合器输出的本振驱动信号从本振波导-悬置微带过渡进入，经本振低通滤波器、本振匹配电路进入反向并联二极管对驱动混频；射频信号和本振驱动信号在反向并联二极管对中混频后产生中频分量，经本振匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带过渡、中频低通滤波器，从中频输出端口输出。
本实施例基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端的工作原理为：射频信号经射频波导功分器平分为的两路功率相同、相位相同的信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，输入至135°3 dB滤波耦合器进行滤波耦合，有效降低多次倍频后的噪声基底，进而优化收发前端的噪声，输出两路功率相同、相位差135°的本振驱动信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器驱动混频，产生两路相位差270°（-90°）的中频分量（分别为中频分量1和中频分量2），分别经第一低损耗探针和第二低损耗探针输入至上层的中频电路的中频90°电桥进行90°耦合，经中频低噪声放大器放大后，输出上边带（USB）信号和下边带（LSB）信号；从135°3 dB滤波耦合器馈入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器的本征噪声相位差为270°（-90°），经中频电路的90°相位变化后，相位差为0°，保证镜频抑制架构的需求。
Claims (8)
1.基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，包括上下布置的中频电路和太赫兹电路；所述太赫兹电路包括本振三倍频器、135°3 dB滤波耦合器、第一石英异质集成分谐波混频器、第二石英异质集成分谐波混频器和射频波导功分器；所述135°3 dB滤波耦合器包括均由谐振腔和波导构成的输入单元、第一输出单元、第二输出单元和隔离单元，输入单元、第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的谐振腔依次通过谐振凹槽耦合构成环形结构；其中，输入单元的谐振腔腔长为其他三个单元的谐振腔腔长的两倍，第一输出单元的波导与第二输出单元的波导的电长度相差45°；
射频信号经射频波导功分器平分为两路信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器；本振信号经本振三倍频器倍频后，被135°3 dB滤波耦合器滤波耦合为两路本振驱动信号，分别进入第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器驱动混频；第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器混频后产生的中频分量分别输入至中频电路，经90°耦合、放大后，输出USB信号和LSB信号。
2.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述中频电路和太赫兹电路通过第一低损耗探针和第二低损耗探针连接。
3.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述输入单元的波导连接于谐振腔的1/4区域处。
4.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述第一输出单元、隔离单元和第二输出单元的波导连接于对应谐振腔的1/2区域处。
5.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述中频电路包括依次设置的中频90°电桥和中频低噪声放大器，第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器混频后产生的中频分量经中频90°电桥耦合，中频低噪声放大器放大后，产生USB信号和LSB信号。
6.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述第一石英异质集成分谐波混频器和第二石英异质集成分谐波混频器均包括依次设置的射频波导-悬置微带线过渡、射频匹配电路、反向并联二极管对、本征匹配电路、本振低通滤波器、本振波导-悬置微带线过渡、中频低通滤波器和中频输出端口。
7.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述本振三倍频器包括依次设置的输入波导、输入波导-微带线过渡、输入低通滤波器、输入匹配电路、同向并联二极管对、输出匹配电路、输出波导-微带线过渡和输出波导。
8.根据权利要求1所述基于异质集成的太赫兹低噪声小型化镜频抑制收发前端，其特征在于，所述射频波导功分器采用Y型结功分器电路结构。
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