CN114665823A - 一种返波式的太赫兹三倍频电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种返波式的太赫兹三倍频电路结构。该返波式的太赫兹三倍频电路结构是在传统三倍频器结构的基础上，通过改变太赫兹三倍频器模块电路的连接顺序，将二极管放置于输出端波导组件的末级波导与屏蔽接地腔体之间的介质基板上，增加了输入端口与输出端口之间的隔离度；同时由二极管产生的三次谐波经接地回路反射回输出探针后由输出标准波导输出，实现了输入与输出之前匹配电路的复用。解决传统倍频器存在的因传输匹配线的数量多致使倍频器的基片较长，传输线损耗大的问题，具有结构简单，加工方便的特点。

Description

一种返波式的太赫兹三倍频电路结构
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种返波式的太赫兹三倍频电路结构。
背景技术
太赫兹波是频率范围在0.1～10THz的电磁波，波长范围为30um～3mm。太赫兹波有着频率高、安全性好、穿透性强等特点，在电子、生命、安检、国防通信、雷达、电子对抗和天文观测等领域有着巨大应用前景。随着科技不断发展，各项系统对于频谱资源的占用率不断提高，导致频谱资源变得越来越紧张，开发太赫兹频谱是解决频谱资源不足问题的有效方法。同时，更高的频率能够提升通信系统的探测速率与精度，对于探测仪器有着高穿透性、高分辨率的优势，对于生物活体检测有着低光子能量、低损害性的优势。高功率与高效率特点的太赫兹倍频源对于太赫兹技术的发展至关重要，但是目前对于太赫兹源的获取均采用间接方式，即通过太赫兹倍频技术将基波信号转化为其高次谐波信号输出。
传统的倍频器结构主要包括输入波导-微带探针过渡、输入滤波、输入匹配线、二极管、输出匹配线与输出波导-微带探针过渡，这种配置将输入匹配线与输出匹配线独立分开，导致传输匹配线的数量与长度成倍增加，使得倍频器的基片较长，传输线损耗大，同时在匹配设计时由多段不连续微带线引起的渐变结也增加了倍频器的复原设计的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，以解决传统倍频器存在的因传输匹配线的数量多、长度长致使倍频器的基片较长，传输线损耗大等问题。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，包括输入端波导组件、输出端波导组件、介质基板和屏蔽接地腔；
输入端波导组件包括第一标准波导；第一标准波导为输入端波导组件的末级波导，输入端波导组件的末级波导的末端为第一短路面；
输出端波导组件包括依次连接的第二标准波导和第一减高波导；第一减高波导为输出端波导组件的末级波导，输出端波导组件的末级波导的末端为第二短路面；
介质基板的一端内嵌在输入端波导组件的末级波导上，另一端穿过输出端末级波导后内嵌在屏蔽接地腔上；介质基板上设有倍频电路，倍频电路包括输入探针、输出探针、二极管和接地回路；输入探针位于输入端末级波导腔内的介质基板上，输出探针位于输出端末级波导腔内的介质基板上，二极管位于输出端末级波导腔与屏蔽接地腔之间的介质基板上，接地回路位于屏蔽接地腔内；输入探针通过传输线与输出探针连接，输出探针通过匹配电路与二极管的一端连接，二极管的另一端连接接地回路；
外部输入的基波信号被输入探针耦合至倍频电路中后，经输出探针后沿着匹配电路传输至二极管；二极管根据自身的非线性特性产生三次谐波信号，并将其传输至接地回路，三次谐波信号在接地回路发生全反射后，再经过匹配电路传输至输出探针后再由输出波导实现信号输出。
进一步的，所述倍频电路还包括设置在输入探针与输出探针之间的低通滤波器和微带传输线；低通滤波器的输入端连接输入探针，输出端连接输出探针。
进一步的，所述匹配电路为高低阻抗匹配传输线，其宽度范围为20um与比介质基片宽度小20um之间。
进一步的，所述输入端波导组件还包括与第一标准波导连接的第二减高波导，第二减高波导为输入端波导组件的末级波导。
进一步的，所述接地回路为金丝线，金丝线的一端连接微带线，经微带线与二极管连接，另一端连接屏蔽腔下腔壁。
进一步的，所述介质基板为石英基板。
本发明提供的一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，是在传统三倍频器结构的基础上，通过改变太赫兹三倍频器模块电路的连接顺序，将二极管放置于输出端波导组件的末级波导与屏蔽接地腔体之间的介质基板上，增加了输入端口与输出端口之间的隔离度；同时由二极管产生的三次谐波经接地回路反射回输出探针后由输出标准波导输出，实现了输入与输出之前匹配电路的复用。
与传统倍频电路结构相比，本发明的太赫兹三倍频电路结构输入与输出共用同一匹配电路，减少了传输匹配线的数量，缩短基片长度并减小电路损耗。采用同一匹配电路作为连接二极管的输入匹配电路和输出匹配电路后，减少了由不同宽度微带线之间不连续引起的渐变结的数量和倍频器设计时传输匹配线的复原数量，具有结构简单，加工方便的特点。
附图说明
图1为实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构俯视示意图；
图2为实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构仰视示意图；
图3为实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构侧视示意图；
图4为实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构与传统三倍频结构基片示意图；
图5为实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构与传统三倍频结构输出功率仿真示意图；
附图标记：
1、第一标准波导；2、第二减高波导；3、第一短路面；4、第二标准波导；5、第一减高波导；6、第二短路面；7、二极管；8、屏蔽接地腔；9、介质基板；10、输入探针；11、低通滤波器；12、输出探针；13、匹配电路。
具体实施方式
下面结合附图与具体实例对本发明的目的、技术方案及优点进行更深入的详细说明。
本具体实施方式提供一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，适用于太赫兹三倍频电路。如图1、如图2、图3所示，该返波式的太赫兹三倍频电路结构包括：包括输入端波导组件、输出端波导组件、介质基板9和屏蔽接地腔8。
输入端波导组件包括依次连接的第一标准波导1和第二减高波导2，第二减高波导2为输入端波导组件的末级波导，该减高波导的末端为第一短路面3。输出端波导组件包括依次连接的第二标准波导4和第一减高波导5，第一减高波导5为输出端波导组件的末级波导，该减高波导的末端为第二短路面6。
介质基板9材料选用石英，厚度为30um。介质基板9的一端内嵌在第二减高波导上，另一端穿过输出端第一减高波导5后内嵌在屏蔽接地腔8上。介质基板9上设有倍频电路，包括输入探针10、输出探针12、二极管7和接地回路；输入探针10位于第二减高波导2腔体内的介质基板上，输出探针12位于输出端第一减高波导5腔体内的介质基板上，二极管7选用国产同向串联四管芯二极管，可形成平衡式三倍频电路，二极管7位于输出端末级波导腔与屏蔽接地腔之间的介质基板上，接地回路位于屏蔽接地腔8内。输入探针10与输出探针12之间设有低通滤波器11和微带传输线，低通滤波器11的输入端通过微带传输线连接输入探针10，低通滤波器11的输出端通过微带传输线与输出探针12连接。输出探针12经匹配电路13与二极管的一端连接，二极管7的另一端连接接地回路。接地回路采用了金丝线，金丝线的一端连接微带线，经微带线与二极管连接，另一端连接屏蔽接地腔8的下腔壁，实现接地。
外部输入的基波信号被输入探针10耦合至倍频电路中后，经输出探针12后沿着匹配电路传输至二极管7；二极管7根据自身的非线性特性产生三次谐波信号，并将该三次谐波信号传输至接地回路；三次谐波信号在接地回路发生全反射后，再经过匹配电路传输至输出探针12后，最后由输出波导组件实现信号输出。
在本实施例中，由于本实施例结构中二极管产生的三次谐波在接地回路中会发生全反射，为保证反射效果，采用了两根平行且不接触的金丝线。两根金丝线分别为第一金丝线和第二金丝线。第一金丝线的一端连接微带线，经微带线连接二级管7，另一端连接屏蔽接地腔8下腔壁；第二金丝线连接方式与第一金丝线相同，第一金丝线的一端连接微带线，经微带线连接二极管7，另一端连接屏蔽接地腔8下腔壁。在第二减高波导2与第一减高波导5之间，第一减高波导5与屏蔽接地腔体8之间的介质基板9底部设有用于支撑介质基板的承载结构，该承载结构的顶面面积大于介质基板底面面积。屏蔽接地腔8应具有足够的空间，以为金丝接地提供充裕的空间。
为验证本实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构的效果，将本实施例返波式的太赫兹三倍频电路结构与传统返波式三倍频器结构进行了对比：
如图4所示，在两者宽度基片均为0.36mm的情况下，返波式三倍频结构的基片长度远小于传统三倍频器结构。如图5所示为在80mW输入功率下，传统三倍频结构与返波式三倍频结构倍频效率与输出功率，从图中可知，在200-250GHz频段里，传统三倍频结构与返波式三倍频结构输出功率相差不大，输出功率都高于4mW。由此可见，将二极管8放置在输出探针12与接地回路之间，可以有效提高输入端口与输出端口的隔离度，同时还能控制二极管7和第一减高波导5与屏蔽接地腔体8之间的传输匹配微带线长度，且可以使二极管7产生的三次谐波信号被反射回输出端波导组件输出，实现了输入组件与输出组件之间复用匹配电路，减少匹配传输线数量，可以有效缩短基片尺寸并减小电路损耗，减少由微带线不同宽度间产生的渐变结数量，降低倍频器设计复原匹配传输线时的复原数量。
此处描述的本发明案例，并不意味着该案例概括了本发明的所有形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，包括输入端波导组件、输出端波导组件、介质基板和屏蔽接地腔，其特征在于：
输入端波导组件包括第一标准波导；第一标准波导为输入端波导组件的末级波导，输入端波导组件的末级波导的末端为第一短路面；
输出端波导组件包括依次连接的第二标准波导和第一减高波导；第一减高波导为输出端波导组件的末级波导，输出端波导组件的末级波导的末端为第二短路面；
介质基板的一端内嵌在输入端波导组件的末级波导上，另一端穿过输出端末级波导后内嵌在屏蔽接地腔上；介质基板上设有倍频电路，倍频电路包括输入探针、输出探针、二极管和接地回路；输入探针位于输入端末级波导腔内的介质基板上，输出探针位于输出端末级波导腔内的介质基板上，二极管位于输出端末级波导腔与屏蔽接地腔之间的介质基板上，接地回路位于屏蔽接地腔内；输入探针通过传输线与输出探针连接，输出探针通过匹配电路与二极管的一端连接，二极管的另一端连接接地回路；
外部输入的基波信号被输入探针耦合至倍频电路中后，经输出探针后沿着匹配电路传输至二极管；二极管根据自身的非线性特性产生三次谐波信号，并将其传输至接地回路，三次谐波信号在接地回路发生全反射后，再经过匹配电路传输至输出探针后再由输出波导实现信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，其特征在于：所述倍频电路还包括设置在输入探针与输出探针之间的低通滤波器和微带传输线；低通滤波器的输入端连接输入探针，输出端连接输出探针。
3.根据权利要求1所述的一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，其特征在于：所述第一匹配电路为高低阻抗匹配传输线，其宽度范围为20um与比介质基片宽度小20um之间。
4.根据权利要求1所述的一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，其特征在于：所述输入端波导组件还包括与第一标准波导连接的第二减高波导，第二减高波导为输入端波导组件的末级波导。
5.根据权利要求1所述的一种返波式的太赫兹三倍频电路结构，其特征在于：所述接地回路为金丝线，金丝线的一端连接微带线，经微带线与二极管连接，另一端连接屏蔽腔下腔壁。
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