CN114447550B - 一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，它包括由射频电路、本振中频双工电路、中频输出电路和二极管对组成的微带电路；射频电路和本振中频双工电路分别设置在二极管对的两端；本振中频双工电路内部设置有对称折叠开路枝节结构的带阻滤波器，通过具有对称折叠开路枝节结构的滤波器对相应频率的信号进行阻断，同时允许另一频率的信号传输；中频输出电路设置在本振中频双工电路另一端，用于输出中频信号到外部器件。本发明采用对称折叠的开路枝节结构的带阻滤波器，其具有结构简单、尺寸小、易于调谐等优点。基于该带阻滤波器实现的太赫兹混频器具有宽带、低变频损耗、高回波损耗等优异性能。

Description

一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器

技术领域

本发明涉及一种分谐波混频器，尤其涉及一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器。

背景技术

太赫兹宽带高灵敏度超外差式接收机是未来高速无线通信所需要的。混频器，特别是分谐波混频器，作为接收机的核心器件，其性能直接关系到通信质量。与低温接收器系统相比，肖特基混频器具有重量轻、可靠性高、成本低和使用寿命长等优秀品质。

现有的肖特基分谐波混频器电路中常常使用低通滤波器，比如高低阻抗低通滤波器或者CMRC低通滤波器等。这些低通滤波器需具有宽带、低插入损耗的通带特性和宽带、高插入损耗的阻带特性。通带和阻带分别起着允许和阻断射频/本振信号流通的作用。但是，这种采用低通滤波器的太赫兹混频器仍然存在以下的缺点。第一，这些低通滤波器的结构较为复杂，微带线枝节数量较多。这会增加仿真调谐和优化的难度和时间，不利于阻抗调节和整体电路性能优化。第二，这些低通滤波器尺寸大，长宽比大。这会造成太赫兹混频器的薄膜电路，特别是最常用的石英薄膜电路，更容易被折断，不利于加工和装配。第三，目前报道的太赫兹混频器各个端口的回波损耗较差，或者很少被关注。这可能会造成系统级联时端口阻抗失配对邻近子系统产生影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，解决了现有技术中存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，它包括由射频电路、本振中频双工电路、中频输出电路和二极管对组成的微带电路；所述射频电路和本振中频双工电路分别设置在二极管对的两端，所述射频电路用于将射频信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对上同时为中频信号提供参考地，为二极管对不对称性引起的非平衡直流电流提供回路；；所述本振中频双工电路内部设置有对称折叠开路枝节结构的带阻滤波器，用于将本振信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对上，并通过具有对称折叠开路枝节结构的滤波器对相应频率的信号进行阻断，同时允许另一频率的信号传输；所述中频输出电路设置在本振中频双工电路另一端，用于输出中频信号到外部器件。

所述本振中频双工电路包括射频带阻滤波器、本振波导微带过渡探针、本振输入波导和本振带阻滤波器；所述射频带阻滤波器的一端与所述二极管对的一端电性连接，另一端电性连接所述本振带阻滤波器的一端；所述本振波导微带过渡探针设置在所述射频带阻滤波器和本振带阻滤波器之间，并与本振输入波导电性连接，用于将本振信号耦合到微带电路上；通过调节射频电路和本振中频双工电路的端口阻抗，使其与二极管对嵌入阻抗共轭匹配。

所述射频带阻滤波器和本振带阻滤波器均为上下折叠的对称开路枝节结构；所述射频带阻滤波器用于阻断射频信号的传输，回收射频信号，并同时允许传输中频和本振信号；所述本振带阻滤波器用于阻断本振信号的传输，回收本振信号，并同时允许传输中频信号。

所述射频带阻滤波器包括第一折叠开路枝节、第二折叠开路枝节、第一微带线和第二微带线；所述第一折叠开路枝节设置在所述第一微带线和第二微带线的上方，第二折叠开路枝节分别设置在所述第一微带线和第二微带线的下方，且整体结构以第一微带线和第二微带线的对称线呈上下折叠对称。

所述本振带阻滤波器包括第三折叠开路枝节、第四折叠开路枝节、第三微带线和第四微带线；所述第三折叠开路枝节设置在所述第三微带线和第四微带线的上方，第四折叠开路枝节分别设置在所述第三微带线和第四微带线的下方，且整体结构以第三微带线和第四微带线的对称线呈上下折叠对称。

所述第一折叠开路枝节和第二微带线之间的间隔尺寸加上所述第二折叠开路枝节的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一；所述第三折叠开路枝节和第四微带线之间的间隔尺寸加上所述第四折叠开路枝节的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一。

所述射频电路包括射频输入波导、中频/直流接地和射频波导微带过渡探针；所述射频输入波导与所述射频波导微带过渡探针电性连接，所述射频波导微带过渡探针与所述二极管对的另一端电性连接，用于将射频信号耦合到二极管对上；所述中频/直流接地与射频输入波导和射频波导微带过渡探针电性连接。

所述中频输出电路包括中频输出电路过渡结构和输出电路；所述中频输出电路过渡结构与输出电路电性连接，所述中频/直流接地通过导电银胶与金属底座电性连接。

本发明具有以下优点：一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，采用对称折叠的开路枝节结构的带阻滤波器，其具有结构简单、尺寸小、易于调谐等优点。基于该带阻滤波器实现的太赫兹混频器具有宽带、低变频损耗、高回波损耗等优异性能。

附图说明

图1为本发明结构的俯视图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本振带阻滤波器和射频带阻滤波器的结构示意图；

图4为本振带阻滤波器仿真结果图；

图5为混频器单边带变频损耗示意图；

图6为混频器射频端口回波损耗示意图；

图7为混频器中频端口回波损耗示意图；

其中，1-射频输入波导，2-中频/直流接地，3-射频波导微带过渡探针，4-二极管对，5-射频带阻滤波器，6-本振波导微带过渡探针，7-本振输入波导，8-本振带阻滤波器，9-中频输出电路过渡结构，10-输出电路，11-第三折叠开路枝节，12-第四微带线，13-第四折叠开路枝节，14-第三微带线，15-第一折叠开路枝节，16-第二微带线，17-第二折叠开路枝节，18-第一微带线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明涉及一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器。不同于现有采用低通滤波器的太赫兹混频器电路结构，本发明采用带阻滤波器。带阻滤波器的具体实现方式为对称折叠的开路枝节，其具有结构简单、尺寸小、易于调谐等优点。基于该带阻滤波器实现的太赫兹混频器具有宽带、低变频损耗、高回波损耗等优异性能；具体包括以下内容：

它包括由射频电路、本振中频双工电路、中频输出电路和二极管对4组成的微带电路；所述射频电路和本振中频双工电路分别设置在二极管对4的两端，所述射频电路用于将射频信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对4上，同时为中频信号提供参考地，为二极管对4不对称性引起的非平衡直流电流提供回路；；所述本振中频双工电路内部设置有对称折叠开路枝节结构的带阻滤波器，用于将本振信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对4上，并通过具有对称折叠开路枝节结构的滤波器对相应频率的信号进行阻断，同时允许另一频率的信号传输；所述中频输出电路设置在本振中频双工电路另一端，用于输出中频信号到外部器件。

所述本振中频双工电路包括射频带阻滤波器5、本振波导微带过渡探针6、本振输入波导7和本振带阻滤波器8；所述射频带阻滤波器5的一端与所述二极管对4的一端电性连接，另一端电性连接所述本振带阻滤波器8的一端；所述本振波导微带过渡探针6设置在所述射频带阻滤波器5和本振带阻滤波器8之间，并与本振输入波导7电性连接，用于将本振信号耦合到微带电路上；通过调节射频电路和本振中频双工电路的端口阻抗，使其与二极管对4嵌入阻抗共轭匹配。

所述射频带阻滤波器5和本振带阻滤波器8均为上下折叠的对称开路枝节结构；所述射频带阻滤波器5用于阻断射频信号的传输，回收射频信号，并同时允许传输中频和本振信号；所述本振带阻滤波器用于阻断本振信号的传输，回收本振信号，并同时允许传输中频信号。

进一步地，所述射频电路包括射频输入波导1、中频/直流接地2和射频波导微带过渡探针3；所述射频输入波导1与所述射频波导微带过渡探针3电性连接，所述射频波导微带过渡探针3与所述二极管对4的另一端电性连接，用于将射频信号耦合到二极管对4上；所述中频/直流接地2与射频输入波导1和射频波导微带过渡探针3电性连接。

进一步地，所述中频输出电路包括中频输出电路过渡结构9和输出电路10；所述中频输出电路过渡结构9与输出电路10电性连接，所述中频/直流接地2通过导电银胶与金属底座电性连接。

本发明采用本振信号的2次谐波与射频信号的基波进行混频，这种混频器所需的本振频率只有射频频率的一半。在反向并联二极管中，电流只有偶次谐波分量，没有直流和奇次谐波分量。其中，射频带阻滤波器5和本振带阻滤波器8采用对称折叠开路枝节结构，其目的为：与单边开路枝节结构相比，对称结构可以拓宽滤波器阻带带宽，折叠结构可以缩短滤波器的长度，进而缩短石英基片的长度，使混频器电路小型化；工作原理相当于在传输线上并联四分之一开路枝节，对相应频率的信号呈现短路效果，将能量全反射。其中，射频带阻滤波器5阻断射频信号的传输，回收射频信号，同时允许中频和本振信号的传输；本振带阻滤波器8阻断本振信号的传输，回收本振信号，同时允许中频信号的传输。通过调节射频电路和本振中频双工电路的端口阻抗，使其与二极管嵌入阻抗共轭匹配，可以使混频器表现出低变频损耗、高回波损耗等性能。

所述射频带阻滤波器5包括第一折叠开路枝节15、第二折叠开路枝节17、第一微带线18和第二微带线16；所述第一折叠开路枝节15设置在所述第一微带线18和第二微带线16的上方，第二折叠开路枝节17分别设置在所述第一微带线18和第二微带线16的下方，且整体结构以第一微带线18和第二微带线16的对称线呈上下折叠对称。

所述本振带阻滤波器8包括第三折叠开路枝节11、第四折叠开路枝节13、第三微带线14和第四微带线12；所述第三折叠开路枝节11设置在所述第三微带线14和第四微带线12的上方，第四折叠开路枝节13分别设置在所述第三微带线14和第四微带线12的下方，且整体结构以第三微带线14和第四微带线12的对称线呈上下折叠对称。

所述第一折叠开路枝节15和第二微带线16之间的间隔尺寸加上所述第二折叠开路枝节17的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一；所述第三折叠开路枝节11和第四微带线12之间的间隔尺寸加上所述第四折叠开路枝节13的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一。

通过本振带阻滤波器8中第三折叠开路枝节11、第四折叠开路枝节13对本振频率呈现短路效果，从而阻断本振信号，防止本振信号泄漏到中频端口，而中频信号则通过第四微带线12以及第三微带线14进行传输，进而与外部器件相连；射频带阻滤波器5中第一折叠开路枝节15、第二折叠开路枝节17对射频频率呈现短路效果，从而阻断射频信号，防止射频信号泄漏到本振端口和中频端口，减少射频能量损耗，从而减小变频损耗，增加各个端口的隔离度，而中频信号和本振信号则通过第二微带线16以及第一微带线18进行传输。

如图3和图4所示，其中，W1＝80,W2＝50,W3＝20,W4＝30,W5＝30,W6＝50,L1＝60,L2＝285,L3＝55,L4＝135；其中，关键的尺寸可根据目标工作频率，结合实际加工工艺，进行适当合理的调节，基本遵循以下规律：L1、L2之和，L3、L4之和约等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一，以对中心频率处的信号起到短路的效果，因为开路通过四分之一波长后会变为短路。这样一来，不同的工作频率对应不同的波长，阻带滤波器的开路枝节的长度也就相应的不同。

其中，混频器的电路基片采用50微米厚石英电路，悬置在金属腔体中；射频输入波导1采用标准波导WR2.8；本振输入波导7采用标准波导WR5.1；平面肖特基二极管对4采用型号为STX002的二极管芯片，通过导电银胶倒贴安装在微带电路上；中频输出电路10采用Rogers 5880软基片电路；中频/直流接地2和中频输出电路过渡结构9通过导电银胶实现。

本发明的工作原理是：射频信号从射频输入波导1馈入，经过射频波导微带过渡探针3将能量耦合到微带电路上，进而加载到平面肖特基二极管对4上；其中，本振信号从本振输入波导7馈入，经过本振波导微带过渡探针6将能量耦合到微带电路上，进行加载到平面肖特基二极管对4上；其中，中频/直流接地2为中频信号提供参考地，同时为二极管对不对称性引起的非平衡直流电流提供回路；其中，射频带阻滤波器5阻断射频信号的传输，回收射频信号，同时允许中频和本振信号的传输；其中，本振带阻滤波器8阻断本振信号的传输，回收本振信号，同时允许中频信号的传输；其中，中频信号是射频基波与本振的二次谐波产生的差频信号，通过中频输出电路过渡结构9经输出电路10输出，最终与外部50欧姆连接器连接；其中，由于本振信号频率低于射频端口波导截止频率，所以本振信号不会从射频输入波导1处泄漏；其中，本振信号由于本振带阻滤波器8(阻本振频率)的存在而不会从中频输出电路10泄漏；其中，射频信号由于射频带阻滤波器5(阻射频频率)的存在而不会从本振输入波导7或者输出电路10泄漏，从而实现射频、本振、中频三个端口间的隔离；其中，射频输入波导1进行减高处理，通过减小波导阻抗，降低波导与悬置微带线之间的特性阻抗差异，达到更好的匹配效果，扩展带宽。

如图5-图7所示，固定本振信号为165GHz，功率为3mW时，在300～360GHz范围内，混频器的单边带变频损耗小于8dB，混频器射频端口回波损耗优于11dB,混频器中频端口回波损耗优于15dB；混频器的射频工作带宽大于60GHz。本发明在传统太赫兹混频器的基础上进行了改进，其电路具有结构简单、尺寸小、性能好、省时间等优点。本实施例中石英基片的长度仅为2.5mm，与相同工作频段的传统太赫兹分谐波混频器相比，石英基片的长度缩短近一半。因为不同太赫兹混频器电路根据指标要求不同，混频器电路的具体尺寸也不同，所以本发明没有规定具体的电路尺寸。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，其特征在于：它包括由射频电路、本振中频双工电路、中频输出电路和二极管对（4）组成的微带电路；所述射频电路和本振中频双工电路分别设置在二极管对（4）的两端，所述射频电路用于将射频信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对（4）上，同时为中频信号提供参考地，为二极管对（4）不对称性引起的非平衡直流电流提供回路；所述本振中频双工电路内部设置有对称折叠开路枝节结构的带阻滤波器，用于将本振信号耦合到微带电路上，加载到所述二极管对（4）上，并通过具有对称折叠开路枝节结构的滤波器对相应频率的信号进行阻断，同时允许另一频率的信号传输；所述中频输出电路设置在本振中频双工电路另一端，用于输出中频信号到外部器件；通过调节射频电路和本振中频双工电路的端口阻抗，使其与二极管对（4）嵌入阻抗共轭匹配；所述带阻滤波器包括射频带阻滤波器（5）和本振带阻滤波器（8）；

所述本振中频双工电路包括射频带阻滤波器（5）、本振波导微带过渡探针（6）、本振输入波导（7）和本振带阻滤波器（8）；所述射频带阻滤波器（5）的一端与所述二极管对（4）的一端电性连接，另一端电性连接所述本振带阻滤波器（8）的一端；所述本振波导微带过渡探针（6）设置在所述射频带阻滤波器（5）和本振带阻滤波器（8）之间，并与本振输入波导（7）电性连接，用于将本振信号耦合到微带电路上；

所述射频带阻滤波器（5）和本振带阻滤波器（8）均为上下折叠的对称开路枝节结构；所述射频带阻滤波器（5）用于阻断射频信号的传输，回收射频信号，并同时允许传输中频和本振信号；所述本振带阻滤波器用于阻断本振信号的传输，回收本振信号，并同时允许传输中频信号；

所述射频带阻滤波器（5）包括第一折叠开路枝节（15）、第二折叠开路枝节（17）、第一微带线（18）和第二微带线（16）；所述第一折叠开路枝节（15）设置在所述第一微带线（18）和第二微带线（16）的上方，第二折叠开路枝节（17）分别设置在所述第一微带线（18）和第二微带线（16）的下方，且整体结构以第一微带线（18）和第二微带线（16）的对称线呈上下折叠对称；

所述本振带阻滤波器（8）包括第三折叠开路枝节（11）、第四折叠开路枝节（13）、第三微带线（14）和第四微带线（12）；所述第三折叠开路枝节（11）设置在所述第三微带线（14）和第四微带线（12）的上方，第四折叠开路枝节（13）分别设置在所述第三微带线（14）和第四微带线（12）的下方，且整体结构以第三微带线（14）和第四微带线（12）的对称线呈上下折叠对称；

所述第一折叠开路枝节（15）和第二微带线（16）之间的间隔尺寸加上所述第二折叠开路枝节（17）的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一；所述第三折叠开路枝节（11）和第四微带线（12）之间的间隔尺寸加上所述第四折叠开路枝节（13）的长度尺寸等于阻带中心频率对应的等效波长的四分之一。

2.根据权利要求1所述的一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，其特征在于：所述射频电路包括射频输入波导（1）、中频/直流接地（2）和射频波导微带过渡探针（3）；所述射频输入波导（1）与所述射频波导微带过渡探针（3）电性连接，所述射频波导微带过渡探针（3）与所述二极管对（4）的另一端电性连接，用于将射频信号耦合到二极管对（4）上；所述中频/直流接地（2）与射频输入波导（1）和射频波导微带过渡探针（3）电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用对称折叠开路枝节的太赫兹小型化分谐波混频器，其特征在于：所述中频输出电路包括中频输出电路过渡结构（9）和输出电路（10）；所述中频输出电路过渡结构（9）与输出电路（10）电性连接，所述中频/直流接地（2）通过导电银胶与金属底座电性连接。

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