CN115037251B - 一种两路输出太赫兹的二倍频器、通信发射端及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹期间技术领域，具体涉及一种两路输出太赫兹的二倍频器、通信发射端及系统。其中，一种两路输出太赫兹的二倍频器，包括两个电路板，两个电路板设置在同一平面上；两个电路板上均设置有倍频电路，两个倍频电路的输入均为二极管对；输入波导，两个电路板均与输入波导连接，且输入波导与两个电路板所在平面垂直；输入波导的中心面到两个二极管对的距离相等，且两个二极管对均位于输入波导内；两个输出波导，两个输出波导分别连接在两个电路板上，且电路板上的倍频电路的输出位于输出波导内。本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器克服了两路二次谐波功率不等、相位有误差的缺点。

Description

一种两路输出太赫兹的二倍频器、通信发射端及系统

技术领域

本发明属于太赫兹期间技术领域，具体涉及一种两路输出太赫兹的二倍频器、通信发射端及系统。

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的问题的有效方法。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。

基于此，太赫兹倍频器应运而生，

如：中国专利：CN201610347864.X公开了一种太赫兹二倍频平衡式倍频电路。

中国专利： CN201610608507.4公开了一种耐功率太赫兹二倍频非平衡式电路。

上述专利中的倍频器，虽然实现了高次谐波的输出，但是输出的高次谐波只有一路。在现有技术中为了得到两路输出的二次谐波，通常是增加功分器配合倍频器使用，虽然使用了功分器实现了两路二次次谐波的输出，但是存在通信效果差的缺点。

发明内容

基于现有技术中通信效率低的缺点，发现了由于功分器存在加工误差所以两路二次谐波存在功率不等、相位误差大的缺点，导致了通信效果差。

为了克服现有技术中使用功分器存在的缺陷，本发明提出了一种两路输出太赫兹的二倍频器、通信发射端及系统。本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器克服了两路二次谐波功率不等、限位误差大的缺点。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明第一方面提供了一种两路输出太赫兹的二倍频器，包括：

两个电路板，两个电路板设置在同一平面上；两个电路板上均设置有倍频电路，两个倍频电路的输入均为二极管对；

输入波导，两个电路板均与输入波导连接，且输入波导与两个电路板所在平面垂直；输入波导的中心面到两个二极管对的距离相等，且两个二极管对均位于输入波导内；

两个输出波导，两个输出波导分别连接在两个电路板上，且电路板上的倍频电路的输出位于输出波导内。

进一步地，所述两个输出波导设置在XY平面，所述输入波导设置在Z方向上。

进一步地，两个电路板呈中心对称设置。

进一步地，所述电路板包括：基板和倍频电路；

基板，用于设置倍频电路；

倍频电路包括：

二极管对，用于接收输入波导输入的倍频源，使倍频源倍频生成高次谐波，将高次谐波送给输出悬置微带电路；

输出悬置微带电路，用于使高次谐波中的二次谐波通过；

输出探针，用于转换二次谐波的传输模式并输出；

接地结构，接地结构设置在二级管对的端部。

进一步地，所述电路板还包括滤波器和馈电结构，

所述滤波器分别与输出探针和馈电结构连接。

进一步地，所述基板的材料包括石英、砷化镓、氮化镓、氮化铝或氮化硅。

进一步地，所述输入波导是的通道设置为矩形；和/或所述输出波导的通道设置为矩形。

进一步地，所述输入波导由金属制成；和/或所述输出波导由金属制成。

本发明第二发明提供了一种太赫兹通信发射端，包括：

取样锁相介质震荡器，用于产生、输出频率源；

六倍频器，用于接收频率源并输出倍频源；

上述二倍频器，所述二倍频器的输入波导接收倍频源，并通过输出波导输出二次谐波，所述输出波导的传输方向相同；

多端口调制器，用于接收二次谐波并加载调制信号在二次谐波上，并将携带调制信号的二次谐波发送给发射天线；

发射天线，用于接收携带调制信号的二次谐波并发射。

本发明第三方面提供了一种太赫兹通信系统，包括：上述太赫兹通信发射端，

接收天线，用于接收太赫兹通信发射端发送的携带调制信号的二次谐波并发射给检波器；

检波器，用于检测携带调制信号的二次谐波，并将携带调制信号的二次谐波下变频得到低频段的调制信号。

采用上述技术方案，本发明包括如下优点：

1、本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器在不使用功分器的基础上实现两路二次谐波输出，克服了使用功分器导致的两路二次谐波功率不等、相位误差大的缺点。

2、本发明通过将两个输出波导设置在XY平面，输入波导设置在Z方向上，增加了器件的空间利用率，减小了二倍频器的体积。

3、本发明的一种太赫兹通信不仅能够生成太赫兹波，同时还能生成、发射两路功率相等、相位误差小的太赫兹波，使接收端具有更好的通信效率。

4、本发明的一种太赫兹通信系统是两路功率、相位相等的太赫兹波的传输、接收，所以具有更好的通信效率。

5、本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器能够输出两路功率相等、相位误差小的二次谐波，具有提高使用了本二倍频器的通信系统的通信速率和通信效果的优点；

一路二次谐波只能在通信系统的一个通道中传输，一个通道的流量有限，所以存在通信速率低的缺点；而本发明的两路功率相等、相位误差大的二次谐波在通信系统中可以在两个通道中传输，提高了通信速率；

使用分工器实现两路输出时，由于分工器的加工误差导致两路二次谐波的功率不同，所以两路二次谐波的传输距离不同，会缩短接收端的接收距离，如果要增加接收距离接收端就仅能就收到一路二次谐波，具有通信效果差的缺点，而本发明的两路功率相等、相位误差小的二次谐波在通信系统中可以在两个通道中传输，在保证了通信效果好的基础上还提高了通信速率。

6、本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器还具有结构简单，制造、装配方便，具有降低成本的优点。

7、本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器通过二极管对直接接收输入波导馈入的倍频源，简化了倍频电路，使用于设置倍频电路的电路板的尺寸可以做小，不仅降低了成本还能减小本发明的二倍频器的尺寸，具有更高的集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种两路输出太赫兹的二倍频器的结构示意图；

图2为图1的局部示意图；

图3为本发明实施例中一种两路输出太赫兹的二倍频器的俯视图；

图4为图3的局部示意图；

图5为本发明实施例中电路板的结构示意图；

图6为图5的局部示意图；

图7为本发明实施例中一种太赫兹通信系统的结构示意图一；

附图中：100-电路板，110-倍频电路，111-二极管对，112-输出悬置微带电路，113-输出探针，114-滤波器，115-馈电结构，116-接地结构,117-传输微带，120-基板，200-输入波导，210-中心面，300-输出波导，400-取样锁相介质震荡器，500-六倍频器，600-二倍频器，700-多端口调制器，800-发射天线，900-接收天线，1000-检波器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定；其次“功分”的含义是功率分配的意思。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

现有的倍频器采用功分器实现两路输出具体包括两种方式：

（1）倍频源通过功分器功分后进入两个倍频电路，两个倍频电路再倍频产生两路二次谐波；

（2）倍频器的输出波导连接功分器，通过功分器将倍频器输出的二次谐波功分成两路二次谐波；

由于功分器一方面制造存在加工误差（如功分器的倒角、平坦度、深度等的加工误差），导致经过功分器功分成的两路倍频源的功率不等、相位误差大等，则最后经过倍频电路倍频产生的两路二次谐波的功率不等、相位误差大等；另一方面功分器还会导致倍频源插损（能量或增益的损耗），造成倍频效率低。

基于此本发明的实施提出了一种两路输出太赫兹的二倍频器，一方面本实施例未使用功分器，通过限定输入波导200和两个二极管对111的位置，使输入波导200将倍频源分别馈入两个二极管对111中，两个二极管对111吸收的倍频源功率相等、相位误差小等，克服了现有技术中使用功分器的缺陷；同时还能输出两路功率、相位对等的二次谐波。另一方面，还克服了功分器导致倍频源插损的缺陷，具有倍频效率高的优点。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6说明本发明的一种两路输出太赫兹的二倍频器，包括：

两个电路板100，两个电路板100设置在同一平面上；两个电路板100上均设置有倍频电路110，两个倍频电路110的输入均为二极管对111；二级管对111应该理解为：如图3、图5所示，位于位置A的二极管与位于位置B的二级管组成了二极管对111，位置A的二级管与位置B的二级管的数量是相同的。

输入波导200，两个电路板100均与输入波导200连接，且所述输入波导200与两个电路板100所在平面垂直；输入波导200的中心面210到两个二极管对111的距离相等（也可以理解为：两个二极管对111相对于中心面210对称），且两个二极管对111均位于输入波导200内。

其中，中心面210应该理解为如图1中所示，输入波导200也以中心面210形成对称。

两个输出波导300，两个输出波导300分别连接在两个电路板100上，且电路板100上的倍频电路110的输出位于所述输出波导300内；即两个输出波导300为第一输出波导和第二输出波导，两个电路板100为第一电路板和第二电路板；第一输出波导连接第一电路板，第一电路板上的倍频电路110的输出位于该第一输出波导内；第二输出波导连接第二电路板，第二电路板上的倍频电路110的输出位于该第二输出波导内。

本实施例通过对电路板100、两个二极管对111和输入波导200的位置关系等进行限定实现两路功率相等、相位误差小的二次谐波的输出。

以下是对电路板100、输入波导200、输出波导300的进一步改进，现依次举例说明电路板100、输入波导200、输出波导300等的具体改进。

现有的倍频器，输入波导200和输出波导300都是位于同一平面上；即使在使用了功分器的两路输出倍频器中，输入波导200和两个输出波导300也是位于同一平面上的，导致倍频器占用面积大。为了解决该问题，进一步地，在某些实施例中，所述两个输出波导300设置在XY平面，所述输入波导200设置在Z方向上。XY平面和Z方向应当理解为：在三维直角坐标系中，X轴和Y轴所在平面为XY平面，Z方向为Z轴的方向。基于此，本实施例的二倍频器600利用了垂直空间，增加了空间利用率，具有减小二倍频器600占用面积和体积优点，使二倍频器600更加小型化、集成化。

两个输出波导300设置在XY平面上，存在（1）两个输出波导300的输出方向不同，（2）两个输出波导300的输出方向相同的情况；当两个输出波导300的输出方向相同时，还能使二倍频器600更加小型化，且还能实现两路二次谐波的同向传输，具有两条传输通道，提高与接收端的通信效率。

其中的 （1）两个输出波导300的输出方向不同的情况下，本实施例中的二倍频器600能够实现和多个接收端通信，此时就只有一路二次谐波进行通信。在此情况下，虽然仅一路通信，但是本二倍频器600输出两路功率相等、相位误差小的二次谐波，在通过多个接收端通信的时候，多个接收端可以互换使用，提高了装置使用的灵活性。

进一步地，在某些实施例中，两个电路板100呈中心对称设置。对称设置的两个电路板100可以理解为两个电路板100是完全一样的电路板100；所以使用同一型号的电路板100进行装配获得本申请的二倍频器600，电路板100可进行规模化批量生产，具有生产效率高、成本低的优点。

电路板100上的倍频电路110是得到二次谐波的重要部件，对于使用二极管对111作为倍频源的输入部件的倍频电路110现有技术中也是存在的，所以可以直接使用现有技术中的倍频电路110。

进一步地，在某些实施例中，所述电路板100包括：基板120和倍频电路110；

基板120，用于设置倍频电路110；

倍频电路110包括：

二极管对111，用于接收输入波导200输入的倍频源，使倍频源倍频生成高次谐波，将高次谐波输出至输出悬置微带电路112；高次谐波包括二次谐波、三次谐波等；

二极管对111通过传输微带（即金属条）并联在一起，再通过传输微带117（即金属条）与输出悬置微带电路112连接；

输出悬置微带电路112，用于使高次谐波中的二次谐波通过，阻止其他高次谐波通过；所述输出悬置微带电路112为二次谐波匹配电路，能够反射不需要的高次谐波（如三次谐波）通过二次谐波，使得其输出的二次谐波能量最大。

输出探针113，输出探针113为倍频电路110的输出，输出探针113设置在输出波导300内，用于转换二次谐波的传输模式并输出；具体的，将准TEM模式的二次谐波转换成输出波导300传输的TE10模式的二次谐波。TEM模式和TE10模式是本领域的公知常识，所以就不再详细赘述。

接地结构116，接地结构116设置在二级管对111的端部；应该理解为：如图3、图5所示，位置A的二级管上端连接有接地结构116，位置B的下端连接有接地结构。接地结构116对于本领域技术人员来说是已知的，所以就不再详细赘述。

在倍频电路110里面的传输模式是准TEM模式，而输入波导200和输出波导300的传输模式是TE10模式，所以需要将传输模式转换。

本实施例中使用的输入波导200为两段式结构，一段为标准WR-10波导输入，另一段为输入减高波导，输入减高波导末级为第一短路面，标准WR-10波导与输入减高波导。输入波导200输入的倍频源模式为TE10模式，通过改变输入减高波导的长度及第一段短路面至二极管对111的距离，进行输入匹配，使得能量能够更好的汇入二极管对111内。

本实施例中使用的输出波导300为两段式结构，包括一段标准WR-5波导，另一段为输出减高波导,输出减高波导的末级为第二短路面。输出波导300将TE10模二次谐波输出。

进一步地，在某些实施例中，所述电路板100还包括滤波器114和馈电结构115，所述滤波器114分别与输出探针113和馈电结构115连接，所述滤波器114为高低阻抗滤波器、CMRC滤波器、具有抑制二次谐波传播的结构中的一种。馈电结构115用于向倍频电路110供电，滤波器114抑制二次谐波向馈电结构115端传播，避免损失二次谐波。而电路板100未设置馈电结构115时，可以通过直接连接电源，使电路板100上的倍频电路110通电。使用馈电结构115供电更加方便，也利于二倍频器600移动使用。

进一步地，在某些实施例中，所述基板120的材料包括石英、砷化镓、氮化镓、氮化铝或氮化硅。

进一步地，在某些实施例中，所述输入波导200是的通道设置为矩形；和/或所述输出波导300的通道设置为矩形。矩形的波导更利用波的传输。

进一步地，在某些实施例中，所述输入波导200由金属制成；和/或所述输出波导300由金属制成。金属更利于波的传输。

实施例2

本实施例提供了一种太赫兹通信发射端，包括取样锁相介质震荡器400，用于产生稳定的18.3333GHz的频率源、并输出该频率源。

六倍频器500，用于接收该18.3333GHz的频率源，将该频率源倍频为0.11THz的倍频源，并将该倍频源输出。

实施例1所述的二倍频器600，两个输出波导300的传输方向相同，所述二倍频器600的输入波导200接收0.11THz的倍频源，输入波导200将该倍频源均匀的馈入到两个二极管对111上，二极管对111吸收该倍频源并将该倍频源倍频成220GHz的二次谐波；通过所述输出波导300输出二次谐波（即太赫兹波）。

多端口调制器700，用于接收二次谐波并加载调制信号在二次谐波上，并将携带调制信号的二次谐波发送给发射天线800。图7中700处从上到下指向700的箭头表示加载调制信号。

多端口调制器700为多通道直接调制器件，其每个通道都是相同的，为一种结合人工微结构加载肖特基二极管的调制器，其调制器通道的数量为两路，该调制通道与两路输出的二倍频器600的输出波导300对应。调制器对于本领域技术人员来说是公知常识，所以就不再详细赘述调制器的更加详细的具体结构，本实施例中将调制通道设置为两个，两个调制通道可以通过设置两个型号一样的调制器实现。

当然也可以使用两个同型号的调制器组合成多端口调制器700。

发射天线800，发射天线800由两个单独的天线集成在一起，单独的天线可以是卡式天线、透镜天线中的一种；发射天线800可以将携带调制信号的二次谐波发射到空间中,空间可以是封闭空间如房间等，也可以是区域如学校范围内等。

当然对于二次谐波的具体波段本实施例所述的220GHz只是举例，对于要获得其他波段的二次谐波，可以通过改变频率源的波段实现。

现有技术中通过分功器得到两路二次谐波的方式，由于两路二次谐波的功率不等、相位误差大等，会存在两路二次谐波传输距离不同和增加接收端的解调难度的问题，就会缩短接收端的接收距离和导致接收端无法解调难度高；而本实施例中输出的两路二次谐波功率相等、相位误差小，能够增加接收端的接收距离和降低接收端的解调难度。

同时因为是两路携带调制信号的二次谐波进行传输，所以多端口调制器700具有两个通道，两路携带调制信号的二次谐波分别通过一个通道进行传输，具有更好的通信效率。

实施例3

如图7所示，本实施例提供了一种太赫兹通信系统，包括：上述太赫兹通信发射端和接收端，所述接收端包括接收天线900和检波器1000，

接收天线900，接收天线900由两个单独的天线集成在一起，单独的天线可以是卡式天线、透镜天线中的一种；接收天线900用于接收太赫兹通信发射端发送的携带调制信号的二次谐波并发射给检波器1000；

检波器1000，用于检测携带调制信号的二次谐波，并将携带调制信号的二次谐波下变频得到低频段的调制信号。

本实施例的一种太赫兹通信系统是两路功率相等、相位误差小的太赫兹波的传输、接收，所以具有更好的通信效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于，包括：

两个电路板（100），两个电路板（100）设置在同一平面上；两个电路板（100）上均设置有倍频电路（110），两个倍频电路（110）的输入均为二极管对（111）；

输入波导（200），两个电路板（100）均与输入波导（200）连接，且输入波导（200）与两个电路板（100）所在平面垂直；输入波导（200）的中心面（210）到两个二极管对（111）的距离相等，且两个二极管对（111）均位于输入波导（200）内；

两个输出波导（300），两个输出波导（300）分别连接在两个电路板（100）上，且电路板（100）上的倍频电路（110）的输出位于输出波导（300）内；

所述两个输出波导（300）设置在XY平面，所述输入波导（200）设置在Z方向上。

2.如权利要求1所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于：两个电路板（100）呈中心对称设置。

3.如权利要求1所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于，所述电路板（100）包括：基板（120）和倍频电路（110）；

基板（120），用于设置倍频电路（110）；

倍频电路（110）包括：

二极管对（111），用于接收输入波导（200）输入的倍频源，使倍频源倍频生成高次谐波，将高次谐波送给输出悬置微带电路（112）；

输出悬置微带电路（112），用于使高次谐波中的二次谐波通过；

输出探针（113），用于转换二次谐波的传输模式并输出；

接地结构（116），接地结构（116）设置在二级管对（111）的端部。

4.如权利要求3所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于：所述电路板（100）还包括滤波器（114）和馈电结构（115），

所述滤波器（114）分别与输出探针（113）和馈电结构（115）连接。

5.如权利要求3所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于：所述基板（120）的材料包括石英、砷化镓、氮化镓、氮化铝或氮化硅。

6.如权利要求1所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于：所述输入波导（200）是的通道设置为矩形；和/或所述输出波导（300）的通道设置为矩形。

7.如权利要求1所述的一种两路输出太赫兹的二倍频器，其特征在于：所述输入波导（200）由金属制成；和/或所述输出波导（300）由金属制成。

8.一种太赫兹通信发射端，其特征在于，包括：

取样锁相介质震荡器（400），用于产生、输出频率源；

六倍频器（500），用于接收频率源并输出倍频源；

如权利要求1-7任意一项所述的二倍频器，所述二倍频器（600）的输入波导（200）接收倍频源，并通过输出波导（300）输出二次谐波，所述输出波导（300）的传输方向相同；

多端口调制器（700），用于接收二次谐波并加载调制信号在二次谐波上，并将携带调制信号的二次谐波发送给发射天线（800）；

发射天线（800），用于接收携带调制信号的二次谐波并发射。

9.一种太赫兹通信系统，其特征在于，包括：如权利要求8所述的太赫兹通信发射端和接收端，所述接收端包括接收天线（900）和检波器（1000），

接收天线（900），用于接收太赫兹通信发射端发送的携带调制信号的二次谐波并发射给检波器（1000）；

检波器（1000），用于检测携带调制信号的二次谐波，并将携带调制信号的二次谐波下变频得到低频段的调制信号。

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