CN114844468A - 一种新型的平衡式肖特基四倍频结构及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的平衡式肖特基四倍频结构及其使用方法，该结构包括：能够为电路提供两路幅度相等、相位差为90°的输入波导定向耦合器、一对对称布置的肖特基二极管对、抑制谐波的平面T型结和带直流端口的输出悬置微带‑波导转换结构；该结构通过巧妙的通道相位设计，结合谐波次数造成的相位差倍增效果，能够为电路提供完美的寄生谐波空闲回路和输出本征抑制，并能够通过输入波导和微带线的模式隔离规避现有技术中电路中所需的冗余滤波网络，降低电路额外损耗，提高倍频效率，相比传统非平衡倍频结构功率容量提升了两倍，具备更好的功率潜力和性能。
Description
技术领域
本发明属于倍频器技术领域，尤其涉及一种新型的平衡式肖特基四倍频结构及其使用方法。
背景技术
近年来，成像技术对分辨率和成像速度的高要求推动了太赫兹应用系统向阵列化和高频化发展，也对大功率肖特基倍频源提出了越来越高的需求。目前太赫兹肖特基倍频源通常由一系列二倍频和三倍频电路级联而成。单级的二倍频或者三倍频电路能够实现超过40％的倍频效率，多级倍频的模块级联过后的总体效率通常为几个百分点，且不同倍频模块之间的驻波效应也会进一步对倍频链路的整体效率和带内工作性能造成影响，因此，太赫兹应用中对单级平衡式高次倍频电路的需求也极为迫切。
目前可见报道的非平衡式太赫兹二极管四倍频电路的示意图如图1所示，由于该四倍频电路不具备任何谐波的本征抑制，该电路中需要额外加载高要求的滤波网络进行选频，因此，该四倍频电路中的关键核心单元是平面结构的滤波器，然而太赫兹频段的平面滤波网络通常Q值低、插入损耗大，因此图1中的这种四倍频电路存在倍频效率低、工作带宽窄的缺点。
目前可见报道的平衡式太赫兹二极管四倍频电路的示意图如图2所示，该结构本质上为两级倍频的级联，级间需要添加额外的冗余匹配滤波网络进行选频，因此，该选频滤波网络仍然会引入巨大的插入损耗，且设计时两级电路间的阻抗将存在强耦合。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种新型的平衡式肖特基四倍频结构及其使用方法，该结构通过巧妙的通道相位设计，结合谐波次数造成的相位差倍增效果，能够为电路提供完美的寄生谐波空闲回路和输出本征抑制，并能够通过输入波导和微带线的模式隔离规避现有技术中电路中所需的冗余滤波网络。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种新型的平衡式肖特基四倍频结构，所述结构包括：输入波导定向耦合器、肖特基二极管对、平面T型结和输出悬置微带-波导转换结构；
所述输入波导定向耦合器具有一个输入端、一个隔离端口和两个输出端，所述输入波导定向耦合器提供两路幅度相等、相位差90°的输入信号；
所述肖特基二极管对有两对，两对肖特基二极管对分别连接在输入波导定向耦合器的两个输出端，且两对肖特基二极管对反向并联；
所述平面T型结有三个连接端，其中两个连接端分别与两对肖特基二极管对连接；
所述输出悬置微带-波导转换结构由悬置微带和输出波导组成，其通过悬置微带连接在平面T型结的第三个连接端，且输出悬置微带-波导转换结构上带有直流馈电端口。
优选的，所述输入波导定向耦合器由铝或铜加工而成。
优选的，所述输入波导定向耦合器为TE模式。
优选的，所述输出悬置微带-波导转换结构中的悬置微带采用石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷薄膜基板加工而成。
优选的，所述输出悬置微带-波导转换结构中的悬置微带工作在TEM模式。
优选的，每对肖特基二极管对中的两个肖特基二极管反向串联。
优选的，所述肖特基二极管通过传统导电胶粘接工艺或者焊接工艺固定在四倍频结构的薄膜电路上。
一种新型的平衡式肖特基四倍频结构的使用方法，所述方法包括：
S1：在输入波导定向耦合器中输入信号S，输入波导定向耦合器将信号S划分为幅度相同、相位差为90°的两路输入信号S1和S2；
S2：输入信号S1和S2分别驱动两对肖特基二极管对，并激励出不同的谐波电流，其中相对相位为0°的信号激励其中的一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(0°)和I2(0°)，其表达式如下：
I1(0°)＝b1 cos(kω0t)+b2 sin(2kω0t)+b3 cos(3kω0t)+...
I2(0°)＝b1 cos(kω0t)-b2 sin(2kω0t)+b3 cos(3kω0t)+...
则该肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(0°)＝I1(0°)-I2(0°)＝2b2 sin(2kω0t)+2b4 sin(4kω0t)+...
相对相位为90°的信号激励另一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对中的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(90°)和I2(90°)，其表达式如下：
则该对肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(90°)＝I1(90°)-I2(90°)＝-2b2 sin(2kω0t)+2b4 sin(4kω0t+2π)+...
S3：两路电流经过平面T型结的同相合成后，最终体现在负载上的总电流I为：
I＝I(0°)+I(90°)＝4b4 sin(4kω0t)+4b8 sin(8kω0t)+...
上述，b1，b2，b3，......为常数，ω0为电流基波频率，k为常数，t为时间。
本发明的有益效果是：1)本发明公开的四倍频结构能够实现奇次谐波和二次谐波的本征抑制，并且在输入端波导TE模式和输出端悬置微带TEM模式实现本征隔离，无需考虑二次、四次谐波反向泄露至输入波导，因此本发明的四倍频结构整个电路本身就已经构建了二次、三次、五次、六次等谐波的空闲回路，具备高效率的能力；
2)本发明能够通过单级的倍频结构直接实现四次倍频，无需通过多级倍频单元级联实现，降低了电路设计的牵引度和敏感度，并且能够省略多级倍频单元隔离和匹配所需的滤波匹配网络，降低电路额外损耗，提高倍频效率；
3)本发明由于采用了两对二极管构建相应的平衡网络，能够在保证高效率的条件下将功率容量提升为现有技术中传统非平衡倍频结构的两倍，具备更好的功率潜力和性能。
附图说明
图1为现有技术中非平衡式太赫兹二极管四倍频电路结构示意图；
图2为现有技术中平衡式太赫兹二极管四倍频电路的结构示意图；
图3为本发明实施例中新型的平衡式肖特基四倍频结构的电路结构原理图；
图4为本发明实施例中新型的平衡式肖特基四倍频结构的结构示意图；
图5为本发明实施例中新型的平衡式肖特基四倍频结构的的局部A的结构放大图；
图6为本发明实施例中平面T型结的结构示意图；
图中：1.输入波导定向耦合器 2.肖特基二极管对 3.平面T型结 4.输出悬置微带-波导转换结构 101.输入端 102.第一输出端 103.第二输出端 104.隔离端口 401.直流馈电端口。
具体实施方式
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。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图4所示的新型的平衡式肖特基四倍频结构，该结构包括：输入波导定向耦合器1、肖特基二极管对2、平面T型结3和输出悬置微带-波导转换结构4；
其中，输入波导定向耦合器1具有一个输入端101、第一输出端102和第二输出端103以及隔离端口104，输入波导定向耦合器1将输入信号转化为两路幅度相等、相位差90°的输入信号，输入波导定向耦合器1可采用铝或铜等金属加工而成且输入波导定向耦合器1为TE模式。
如局部放大图图5所示，肖特基二极管对2有两对，分别连接在输入波导定向耦合器的第一输出端102和第二输出端103上，且两对肖特基二极管对2反向并联；每组肖特基二极管对2中的两个肖特基二极管反向串联，肖特基二极管的安装可以采用传统导电胶粘接工艺或者焊接工艺实现；
平面T型结3有三个连接端，其中两个连接端分别与两对肖特基二极管对2，平面T型结3实现左右两个肖特基二极管对2的各自谐波电流的同相合成，实现相应谐波抑制，其结构如图6所示。
输出悬置微带-波导转换结构4由悬置微带和输出波导组成，其连接在平面T型结3的第三个连接端，且输出悬置微带-波导转换结构4上带有直流馈电端口401。输出悬置微带-波导转换结构4能够为肖特基二极管提供直流馈电通道，并实现总合成电流从悬置微带到输出波导的耦合输出。
输出悬置微带-波导转换结构4中的悬置微带采用石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷薄膜基板加工而成，且工作在TEM模式。
一种新型的平衡式肖特基二倍频结构的使用方法，该新型的平衡式肖特基二倍频结构的电路原理图如图3所示，图3中VS表示输入信号电压，ZS表示输入阻抗，该方法包括：
首先，如图3所示，在输入波导定向耦合器中输入信号S，输入波导定向耦合器将信号S划分为幅度相同、相位差为90°的两路输入信号S1和S2；
接着，输入信号S1和S2分别驱动两对肖特基二极管对，并激励出不同的谐波电流，其中相对相位为0°的信号激励其中的一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(0°)和I2(0°)，其表达式如下：
I1(0°)＝b1 cos(kω0t)+b2 sin(2kω0t)+b3 cos(3kω0t)+...
I2(0°)＝b1 cos(kω0t)-b2 sin(2kω0t)+b3 cos(3kω0t)+...
则该肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(0°)＝I1(0°)-I2(0°)＝2b2 sin(2kω0t)+2b4 sin(4kω0t)+...
相对相位为90°的信号激励另一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对中的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(90°)和I2(90°)，其表达式如下：
则该对肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(90°)＝I1(90°)-I2(90°)＝-2b2 sin(2kω0t)+2b4 sin(4kω0t+2π)+...
S3：两路电流经过平面T型结的同相合成后，最终体现在负载上的总电流I为：
I＝I(0°)+I(90°)＝4b4 sin(4kω0t)+4b8 sin(8kω0t)+...
上述，b1，b2，b3，......为常数，ω0为电流基波频率，k为常数，t为时间。
Claims (8)
1.一种新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述结构包括：输入波导定向耦合器、肖特基二极管对、平面T型结和输出悬置微带-波导转换结构；
所述输入波导定向耦合器具有一个输入端、一个隔离端口和两个输出端，所述输入波导定向耦合器提供两路幅度相等、相位差90°的输入信号；
所述肖特基二极管对有两对，两对肖特基二极管对分别连接在输入波导定向耦合器的两个输出端，且两对肖特基二极管对反向并联；
所述平面T型结有三个连接端，其中两个连接端分别与两对肖特基二极管对连接；
所述输出悬置微带-波导转换结构由悬置微带和输出波导组成，其通过悬置微带连接在平面T型结的第三个连接端，且输出悬置微带-波导转换结构上带有直流馈电端口。
2.根据权利要求1所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述输入波导定向耦合器由铝或铜加工而成。
3.根据权利要求1所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述输入波导定向耦合器为TE模式。
4.根据权利要求1所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述输出悬置微带-波导转换结构中的悬置微带采用石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷薄膜基板加工而成。
5.根据权利要求1所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述输出悬置微带-波导转换结构中的悬置微带工作在TEM模式。
6.根据权利要求1所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，每对肖特基二极管对中的两个肖特基二极管反向串联。
7.根据权利要求5所述的新型的平衡式肖特基四倍频结构，其特征在于，所述肖特基二极管通过传统导电胶粘接工艺或者焊接工艺固定在四倍频结构的薄膜电路上。
8.一种新型的平衡式肖特基四倍频结构的使用方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：在输入波导定向耦合器中输入信号S，输入波导定向耦合器将信号S划分为幅度相同、相位差为90°的两路输入信号S1和S2；
S2：输入信号S1和S2分别驱动两对肖特基二极管对，并激励出不同的谐波电流，其中相对相位为0°的信号激励其中的一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(0°)和I2(0°)，其表达式如下：
I1(0°)＝b1cos(kω0t)+b2sin(2kω0t)+b3cos(3kω0t)+...
I2(0°)＝b1cos(kω0t)-b2sin(2kω0t)+b3cos(3kω0t)+...
则该肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(0°)＝I1(0°)-I2(0°)＝2b2sin(2kω0t)+2b4sin(4kω0t)+...
相对相位为90°的信号激励另一对肖特基二极管对，该肖特基二极管对中的两只管结分别被正向激励和反向激励，产生相应的激励电流分别为I1(90°)和I2(90°)，其表达式如下：
则该对肖特基二极管对产生的差分电流为：
I(90°)＝I1(90°)-I2(90°)＝-2b2sin(2kω0t)+2b4sin(4kω0t+2π)+...
S3：两路电流经过平面T型结的同相合成后，最终体现在负载上的总电流I为：
I＝I(0°)+I(90°)＝4b4sin(4kω0t)+4b8sin(8kω0t)+...
上述，b1，b2，b3，......为常数，ω0为电流基波频率，k为常数，t为时间。
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