CN114123979A - 一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，属于太赫兹通信技术领域。本发明固态前端发射电路整体架构采用两条支路并行，由一个本振源进行驱动的新型体制，利用分支波导定向耦合器将同一本振源提供的驱动信号进行两路输出，分别给两条支路提供所需功率的驱动信号，两条支路产生所需要的发射信号后经正交模耦合双工器合并成一路信号进行发射，从而实现全双工共本振固态前端发射电路的构建。

Description

一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路
技术领域
本发明属于太赫兹通信技术领域，涉及前端发射电路，具体涉及一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1~10THz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。相较于微波、毫米波，太赫兹波波长更短、频段更高；相较于光波，具有更强的穿透特性以及较低的光子能量；太赫兹波一系列独特的优越特性使其具有巨大的应用前景，可广泛应用于射电天文、太赫兹通信、大气与环境监测、雷达成像以及医学诊断等领域。近二三十年来，随着太赫兹频段半导体器件、辐射源、探测器及系统的不断进步，使得太赫兹技术已成为对现代科学技术、国防建设有重要影响的前沿学科，并对国民经济和国家安全有重大的应用价值。
传统前端发射电路对于不同功能采用不同支路实现，是因为不同支路之间的驱动信号不同，若直接集成会产生强烈的电路互扰，恶化系统性能。在太赫兹频段，半导体器件的高频效应影响尤为突出，小型化集成化电路结构会进一步增加两个支路电路之间的互扰。但是，随着需求的增加，如何尽可能地在较小的使用面积和电路资源下实现更多的功能就成为了关键。太赫兹固态收发前端元器件的关键技术是系统应用的共性技术，美欧等国在该领域投入巨大，相继开展了大量研究。但是，太赫兹固态前端器件目前仍然面临器件模型精度差、发射功率低、接收噪声高、传输损耗大、集成度差等问题，导致太赫兹系统难以满足实际应用需求。
因此，如何构建双工架构，使得发射前端电路能够实现双支路的并行且共用本振源就成为了研究关键。
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太赫兹全双工共本振固态前端发射电路。本发明固态前端发射电路通过分支波导定向耦合器和正交模耦合双工器共同构建双工架构，实现了不同需求的两条支路的并行，使得不同信号源驱动的两条支路能够直接集成且不会产生电路之间的互扰，有利于集成化电路的发展。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，包括本振三倍频器、分支波导定向耦合器、太赫兹分谐波混频器、太赫兹二倍频器、正交模耦合双工器和发射天线；
所述本振三倍频器用于将从本振端口进入的驱动信号进行倍频，然后将倍频后的本振信号传输至分支波导定向耦合器；所述分支波导定向耦合器将倍频后的本振信号分为功率不同的两路信号，第一功率信号传输至太赫兹二倍频器进行倍频，产生第一支路发射信号，第二功率信号传输至太赫兹分谐波混频器，太赫兹分谐波混频器将输入的中频信号与第二功率信号一起进行混频，产生第二支路发射信号；第一支路发射信号和第二支路发射信号分别从正交模耦合双工器的两个输入端口输入，由正交模耦合双工器合并为一路信号经发射天线进行发射。
进一步地，所述正交模耦合双工器的其中一个输入端口与扭波导相连，使得第一支路发射信号和第二支路发射信号在输入端口的极化模式相互正交。
进一步地，所述第二功率信号为小功率信号，其功率小于等于4mW；第一功率信号为大功率信号，其功率为100mW以上。
进一步地，所述本振三倍频器包括波导和微带线，驱动信号从波导的本振端口输入，经波导耦合至微带线进行倍频；所述波导采用标准波导WR-28。
进一步地，所述分支波导定向耦合器为工字型波导结构，水平臂为两个矩形波导，两个矩形波导的四个端口分别为耦合器的输入端、耦合端、直通端和隔离端，竖直臂上设置一对沿竖直臂中线对称的分割柱，分割柱截面为多边形，包括上底边、下底边和连接上下底边的连接边，连接边为直线和圆弧的组合线，即分割柱截面为类梯形型，上底边和下底边之间通过与垂直底边的直线和圆弧的组合线连接，且上底边靠近竖直臂中线；其中，输入端与本振三倍频器的输出端相连，耦合端与太赫兹分谐波混频器的本振输入端相连，直通端与二倍频器的输入端相连。
进一步地，所述太赫兹分谐波混频器包括射频探针和本振双工器；所述射频探针包括射频波导探针过渡、射频匹配电路和反向并联二极管对，本振双工器包括本振波导探针过渡、本振低通滤波器、中频低通滤波器和本振匹配电路；中频信号从中频低通滤波器的输入端口输入，然后传输至本振波导探针过渡，与从本振波导探针过渡的本振端口输入的第二功率信号一同传输至本振低通滤波器，再经本振匹配电路传输至反向并联二极管对，反向并联二极管对用于将中频信号和第二功率信号进行混频产生第二支路发射信号，第二支路发射信号经射频匹配电路传输至射频波导探针过渡，经射频波导探针过渡结构输出至正交模双工器的输入端口。
进一步地，所述太赫兹二倍频器采用平衡倍频结构，包括输入双工器、输出波导过渡、同向并联二极管对及匹配网络；所述输入双工器包括输入波导过渡和输入低通滤波器，输入波导过渡包括输入波导探针过渡和输入波导，输出波导过渡包括输出波导探针过渡和输出波导，匹配网络包括输入匹配和输出匹配；第一功率信号从输入波导的本振端口进入，经过输入波导探针过渡耦合至输入低通滤波器进行滤波处理，然后经输入匹配网络耦合至同向并联二极管对进行倍频，倍频后的信号经输出匹配至输出波导探针过渡，再耦合至输出波导进行输出。
本发明还提供上述太赫兹全双工共本振固态前端发射电路在测控数传一体化中的应用，所述发射天线为喇叭天线；所述驱动信号为测控扫频信号，所述大功率信号为测控支路中的太赫兹二倍频器提供驱动信号，可使太赫兹二倍频器产生大功率输出信号，拓展太赫兹探测系统的传输距离，第一支路发射信号为太赫兹测控信号；小功率信号为数传支路中的太赫兹分谐波混频器提供本振驱动信号，可使太赫兹分谐波混频器正常工作，进行数据传输，第二支路发射信号为太赫兹数传信号。
本发明还提供上述太赫兹全双工共本振固态前端发射电路在通信探测一体化中的应用，所述发射天线为相控阵天线，所述驱动信号为探测扫频信号；所述大功率信号为探测支路中的太赫兹二倍频器提供驱动信号，可使太赫兹二倍频器产生大功率输出信号，提升太赫兹探测系统的精度，第一支路发射信号为太赫兹探测信号；小功率信号为通信支路中的太赫兹分谐波混频器提供本振驱动信号，可使太赫兹分谐波混频器正常工作，进行数据传输，提升太赫兹通信系统的速度，第二支路发射信号为太赫兹通信信号。
进一步地，在通信探测一体化中的应用一体化应用中，前端发射电路还可以包括功率放大器和低噪声放大器；所述功率放大器与太赫兹二倍频器和太赫兹正交模耦合双工器连接，用于将太赫兹二倍频器倍频后的信号进行进一步地放大处理后输入至太赫兹正交模耦合双工器；所述低噪声放大器与太赫兹分谐波混频器和和太赫兹正交模耦合双工器连接，用于将太赫兹分谐波混频器混频后的信号进行进一步地放大处理后输入至太赫兹正交模耦合双工器。
本发明的机理为：发射机整体架构采用两条支路并行，由一个本振源进行驱动的新型体制，利用分支波导定向耦合器将同一本振源提供的驱动信号进行两路输出，分别给两条支路提供所需功率的驱动信号，两条支路产生所需要的发射信号后经正交模耦合双工器合并成一路信号进行发射，从而实现全双工共本振固态前端发射电路的构建。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明创新性地提出了两条支路共本振的电路实现方式，解决了现有技术只能依靠基带算法实现多支路一体化的局限；同时，传统方式若同时实现两种功能，需要两个电路子系统和两个天线，在实际应用中，天线尺寸往往都在10cm×10cm以上，无法共用天线就会造成系统的体积极大的增加。本发明的创新架构和采用一个天线就可以实现两种功能，且实现系统小型化。
附图说明
图1为本发明固态前端发射电路的电路框图。
图2为本发明固态前端发射电路中正交模耦合双工器的结构示意图。
图3为本发明固态前端发射电路中分支波导定向耦合器的结构示意图。
图4为本发明固态前端发射电路中太赫兹分谐波混频器的电路框图。
图5为本发明固态前端发射电路中太赫兹二倍频器的电路框图。
图6为本发明实施例1测控数传一体化的电路框图。
图7为本发明实施例2通信检测一体化的电路框图。
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。
一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，包括本振三倍频器、分支波导定向耦合器、太赫兹分谐波混频器、太赫兹二倍频器、正交模耦合双工器和发射天线，其电路框图如图1所示，本振三倍频器将进入的本振驱动信号进行倍频，将信号传输至分支波导定向耦合器分为功率不同的两路信号，大功率信号传输至太赫兹二倍频器进行倍频，产生第一支路发射信号；小功率信号传输至太赫兹分谐波混频器，同时中频信号输入至太赫兹分谐波混频器，与小功率信号一起进行混频，产生第二支路发射信号；第一支路发射信号和第二支路发射信号通过正交模耦合双工器合并为一路信号经发射天线进行发射。
图2为本发明固态前端发射电路中正交模耦合双工器的结构示意图。正交模耦合双工器的两个输入端口分别与两条支路相连，公共端口与发射天线相连，同时，其中一个信号输入端口与扭波导相连，使得两条支路的两个发射信号进入至公共端口后极化模式相互正交。
图3为本发明固态前端发射电路中分支波导定向耦合器的结构示意图。分支波导定向耦合器为工字型波导结构，水平臂为两个矩形波导，矩形波导的四个端口分别为耦合器的输入端、耦合端、直通端和隔离端，竖直臂上设置一对沿竖直臂中线对称的分割柱，分割柱截面为多边形（类梯形型），上底边和下底边之间通过与垂直底边的直线和圆弧的组合线连接，且上底边靠近竖直臂中线；其中，输入端与本振三倍频器的输出端相连，耦合端与太赫兹分谐波混频器的本振输入端相连，直通端与二倍频器的输入端相连。
图4为本发明固态前端发射电路中太赫兹分谐波混频器的电路框图。太赫兹分谐波混频器所述太赫兹分谐波混频器包括射频探针和本振双工器；所述射频探针包括射频波导探针过渡、射频匹配电路和反向并联二极管对，本振双工器包括本振波导探针过渡、本振低通滤波器、中频低通滤波器和本振匹配电路；中频信号从中频低通滤波器的输入端口输入，然后传输至本振波导探针过渡，与从本振波导探针过渡的本振端口输入的第二功率信号一同传输至本振低通滤波器，再经本振匹配电路传输至反向并联二极管对，反向并联二极管对用于将中频信号和第二功率信号进行混频产生第二支路发射信号，第二支路发射信号经射频匹配电路传输至射频波导探针过渡，经射频波导探针过渡结构输出至正交模双工器的输入端口。其中，本振低通滤波器用于防止射频信号从本振端口泄漏，本振匹配电路和射频匹配电路用于降低信号损耗，中频低通滤波器用于滤除中频信号中的其它杂散分量。
图5为本发明固态前端发射电路中太赫兹二倍频器的电路框图。太赫兹二倍频器采用平衡倍频结构，包括输入双工器、输出波导过渡、同向并联二极管对及匹配网络；所述输入双工器包括输入波导过渡和输入低通滤波器，输入波导过渡包括输入波导探针过渡和输入波导，输出波导过渡包括输出波导探针过渡和输出波导，匹配网络包括输入匹配和输出匹配；第一功率信号从输入波导的本振端口进入，经过输入波导探针过渡耦合至输入低通滤波器进行滤波处理，然后经输入匹配网络耦合至同向并联二极管对进行倍频，倍频后的信号经输出匹配至输出波导探针过渡，再耦合至输出波导进行输出。所述太赫兹二倍频器还包括直流偏置和直流偏置滤波器，用于为输入双工器供电。
实施例1
一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路应用于测控数传一体化，其电路框图如图6所示，其中，本振驱动信号为测控扫描信号，测控扫频信号经过本振倍频链路（太赫兹二倍频器）倍频后传输至分支波导定向耦合器，分支波导定向耦合器将信号分为两路，为分谐波混频器提供低功率驱动信号的同时为二倍频器提供高功率本振信号；分谐波上变频器（太赫兹分谐波混频器）将数传支路中频信号搬移至太赫兹频段，经过正交模耦合双工器和内嵌喇叭天线进行传输；太赫兹二倍频器将测控支路的本振驱动信号进一步倍频至太赫兹频段，经过正交模耦合双工器和内嵌喇叭天线进行传输。
正交模耦合双工器和分支波导定向耦合器实现两支路之间的高隔离度，因此两支路可独立工作，互不干扰。
实施例2
一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路应用于通信检测一体化，其电路框图如图7所示，其中，驱动信号为探测扫描信号，探测扫频信号经过本倍频链路提供给分支波导定向耦合器，为分谐波上变频器提供低功率驱动信号的同时为二倍频器提供高功率本振信号；分谐波混频器将通信支路中频信号搬移至太赫兹频段，经过正交模耦合双工器和天线进行发射；二倍频器将探测支路的本振驱动信号进一步倍频至太赫兹频段，经过正交模耦合双工器和相控阵天线进行发射。
同时，为了更好地实现发射功能，分谐波上变频器的输出端还可以连接一个低噪声放大器，用于将经分谐波上变频器输入的通信支路太赫兹信号进行放大，然后将放大后的信号传输至正交模耦合双工器，进一步扩展通信支路的作用距离；二倍频器的输出端还可以连接一个功率放大器，用于将二倍频器输入的探测支路太赫兹信号进行放大，然后将放大后的信号传输至正交模耦合双工器，进一步扩展探测支路的作用距离。
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 (10)

1.一种太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，包括本振三倍频器、分支波导定向耦合器、太赫兹分谐波混频器、太赫兹二倍频器、正交模耦合双工器和发射天线；
所述本振三倍频器用于将从本振端口进入的驱动信号进行倍频，然后将倍频后的本振信号传输至分支波导定向耦合器；所述分支波导定向耦合器将倍频后的本振信号分为功率不同的两路信号，第一功率信号传输至太赫兹二倍频器进行倍频，产生第一支路发射信号，第二功率信号传输至太赫兹分谐波混频器，太赫兹分谐波混频器将输入的中频信号与第二功率信号一起进行混频，产生第二支路发射信号；第一支路发射信号和第二支路发射信号分别从正交模耦合双工器的两个输入端口输入，由正交模耦合双工器合并为一路信号经发射天线进行发射。
2.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述正交模耦合双工器的其中一个输入端口与扭波导相连，使得两个输入端口中信号的极化模式相互正交。
3.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述第二功率信号的功率小于等于4mW；第一功率信号的功率为100mW以上。
4.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述本振三倍频器包括波导和微带线，驱动信号从波导的本振端口输入，经波导耦合至微带线进行倍频；所述波导采用标准波导WR-28。
5.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述分支波导定向耦合器为工字型波导结构，水平臂为两个矩形波导，两个矩形波导的四个端口分别为耦合器的输入端、耦合端、直通端和隔离端，竖直臂上设置一对沿竖直臂中线对称的分割柱，分割柱截面为多边形，包括上底边、下底边和连接上下底边的连接边，连接边为直线和圆弧的组合线，且上底边靠近竖直臂中线；其中，输入端与本振三倍频器的输出端相连，耦合端与太赫兹分谐波混频器的本振输入端相连，直通端与二倍频器的输入端相连。
6.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述太赫兹分谐波混频器包括射频探针和本振双工器；所述射频探针包括射频波导探针过渡、射频匹配电路和反向并联二极管对，本振双工器包括本振波导探针过渡、本振低通滤波器、中频低通滤波器和本振匹配电路；中频信号从中频低通滤波器的输入端口输入，然后传输至本振波导探针过渡，与从本振波导探针过渡的本振端口输入的第二功率信号一同传输至本振低通滤波器，再经本振匹配电路传输至反向并联二极管对，反向并联二极管对用于将中频信号和第二功率信号进行混频产生第二支路发射信号，第二支路发射信号经射频匹配电路传输至射频波导探针过渡，经射频波导探针过渡结构输出至正交模双工器的输入端口。
7.如权利要求1所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路，其特征在于，所述太赫兹二倍频器采用平衡倍频结构，包括输入双工器、输出波导过渡、同向并联二极管对及匹配网络；所述输入双工器包括输入波导过渡和输入低通滤波器，输入波导过渡包括输入波导探针过渡和输入波导，输出波导过渡包括输出波导探针过渡和输出波导，匹配网络包括输入匹配和输出匹配；第一功率信号从输入波导的本振端口进入，经过输入波导探针过渡耦合至输入低通滤波器进行滤波处理，然后经输入匹配网络耦合至同向并联二极管对进行倍频，倍频后的信号经输出匹配至输出波导探针过渡，再耦合至输出波导进行输出。
8.如权利要求1~7任一权利要求所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路在测控数传一体化中的应用，其特征在于，所述发射天线为喇叭天线；所述驱动信号为测控扫频信号，第一功率信号为测控支路中的太赫兹二倍频器提供驱动信号，第一支路发射信号为太赫兹测控信号；第二功率信号为数传支路中的太赫兹分谐波混频器提供本振驱动信号，第二支路发射信号为太赫兹数传信号。
9.如权利要求1~7任一权利要求所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路在通信探测一体化中的应用，其特征在于，所述发射天线为太赫兹相控阵天线，所述驱动信号为探测扫频信号；所述第一功率信号为探测支路中的太赫兹二倍频器提供驱动信号，第一支路发射信号为太赫兹探测信号；第二功率信号为通信支路中的太赫兹分谐波混频器提供本振驱动信号，第二支路发射信号为太赫兹通信信号。
10.如权利要求9所述的太赫兹全双工共本振固态前端发射电路在通信探测一体化中的应用，其特征在于，前端发射电路还包括功率放大器和低噪声放大器；所述功率放大器与太赫兹二倍频器和太赫兹正交模耦合双工器连接，用于将太赫兹二倍频器倍频后的信号进一步放大处理后输入至太赫兹正交模耦合双工器；所述低噪声放大器与太赫兹分谐波混频器和太赫兹正交模耦合双工器连接，用于将太赫兹分谐波混频器混频后的信号进一步放大处理后输入至太赫兹正交模耦合双工器。
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