CN115498385B - 一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构 - Google Patents

一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，属于太赫兹器件技术领域，包括依次设置的跳金丝中频微带线、中频匹配滤波一体化微带线、本振波导‑微带探针过渡结构、本振匹配滤波一体化微带线、二极管、射频匹配电路、射频波导‑微带探针过渡结构和射频接地电路。中频匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的中频匹配微带线和至少一对对称连接于中频匹配微带线两侧的中频滤波枝节；本振匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的本振匹配微带线和至少一对对称连接于本振匹配微带线两侧的本振滤波枝节。本发明极大简化混频器的电路结构，提升电路集成度，可降低由微带渐变结导致的传输损耗，减少电路长度，增加物理结构稳定性。

Description

一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构。
背景技术
太赫兹波是频率范围在0.1～10THz频段的电磁波，在电磁波谱上处于微波与远红外波之间，因此兼具微波与红外波的特性，同时还有着自身独特的性质，在雷达对抗、电子信息、通信系统、安全监测以及医学成像等领域有着广泛的应用前景。随着低频电磁波频谱资源占用率的不断提高，开发太赫兹频谱是解决频谱资源日益紧张的有效方法。在太赫兹通信系统与太赫兹成像技术中，收发模块是其关键所在。太赫兹混频器能实现频率转换并产生新的频率信号，是收发前端系统中的核心器件，其性能对整个收发系统有很大影响。
传统的混频器结构如图3所示，主要包括跳金丝中频微带线、中频低通滤波器、中频匹配电路、本振波导-微带探针过渡结构、本振低通滤波器、本振匹配电路、二极管、射频匹配电路、射频波导-微带探针过渡结构和射频接地电路。其中，中频匹配电路与中频低通滤波器分开设计，本振匹配电路与本振低通滤波器分开设计，这种实施方案不利于电路的集成度。中频匹配电路与本振匹配电路往往采用多段微带线实现，会引入更多的微带渐变结损耗。同时分开设计匹配微带线与滤波器结构会大大增加电路尺寸与介质基片的复杂度，从而带来更多的传输损耗，增加介质基片的物理结构不稳定性。介质基片的电路越复杂越会增加仿真设计的难度，导致基于物理模型的仿真与实测的误差越大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，提升混频电路的集成度，降低介质基片因电路过长和多段微带线间不连续性而引入的电路损耗。
本发明所采用的技术方案如下：
一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，包括依次设置的跳金丝中频微带线、本振波导-微带探针过渡结构、二极管、射频匹配电路、射频波导-微带探针过渡结构和射频接地电路；其特征在于，
所述跳金丝中频微带线与本振波导-微带探针过渡结构之间还设置中频匹配滤波一体化微带线，所述中频匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的中频匹配微带线，以及至少一对对称连接于中频匹配微带线两侧的中频滤波枝节；
所述本振波导-微带探针过渡结构与二极管之间还设置本振匹配滤波一体化微带线，所述本振匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的本振匹配微带线，以及至少一对对称连接于本振匹配微带线两侧的本振滤波枝节。
进一步地，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的形状为L型。
进一步地，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的形状为带缺口的半包围型，相比于L型，可以以更短的枝节长度实现同等的滤波性能。
进一步地，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的开口方向不限；优选为，均朝向本振波导-微带探针过渡结构。
进一步地，所述本振波导-微带探针过渡结构包括本振标准波导，多级本振减高波导，以及位于多级本振减高波导中末级本振减高波导内部的本振探针；本振探针的两端分别与中频匹配微带线和本振匹配微带线相连。
进一步地，所述射频波导-微带探针过渡结构包括射频标准波导，多级射频减高波导，以及位于多级射频减高波导中末级射频减高波导内部的射频探针。
进一步地，通过调节中频匹配微带线的长度，以及中频滤波枝节在中频匹配微带线两侧的连接位置，调控中频滤波枝节两端的部分中频匹配微带线的匹配性能，使得电路结构更加灵活可控，并滤除本振信号和射频信号，防止其进入中频端口。
进一步地，通过调节本振匹配微带线的长度，以及本振滤波枝节在本振匹配微带线两侧的连接位置，调控本振滤波枝节两端的部分本振匹配微带线的匹配性能，使得电路结构更加灵活可控，并滤除射频信号，防止其进入本振端口。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，通过设计中频匹配滤波一体化微带线和本振匹配滤波一体化微带线，简化介质基片的电路结构，极大提升电路集成度；仅通过调整等宽的中频(本振)匹配微带线的长度以及中频(本振)滤波枝节的位置，即可实现传统混频器结构中中频(本振)匹配电路与中频(本振)低通滤波器的功能，大大减少匹配微带线的数量，降低微带渐变结损耗，进而减少微带线之间的不连续性所带来的传输损耗，减少介质基片长度以及增加物理结构稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构的俯视图；
图2为本发明实施例1提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构的立体透视图；
图3为传统混频器结构的示意图；
图4为本发明实施例1提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构的单边带变频损耗仿真结果图；
图5为本发明实施例1提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构的射频回波损耗仿真结果图；
附图中各标记的说明如下：
1、本振标准波导；2、第一级本振减高波导；3、第二级本振减高波导；4、本振波导短路面；5、射频标准波导；6、第一级射频减高波导；7、第二级射频减高波导；8、射频波导短路面；9、介质基片；10、跳金丝中频微带线；11、中频滤波枝节；12、中频匹配微带线；13、本振探针；14、本振匹配微带线；15、本振滤波枝节；16、二极管；17、射频匹配电路；18、射频探针；19、射频接地电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，适用于太赫兹混频器电路。结构如图1和图2所示，包括依次设置的跳金丝中频微带线10、中频匹配滤波一体化微带线、本振波导-微带探针过渡结构、本振匹配滤波一体化微带线、二极管16、射频匹配电路17、射频波导-微带探针过渡结构、射频接地电路19。
其中，所述中频匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的中频匹配微带线12，以及一对对称连接于中频匹配微带线12两侧的带缺口的半包围型中频滤波枝节11。
所述本振匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的本振匹配微带线14，以及一对对称连接于本振匹配微带线14两侧的L型本振滤波枝节15。
所述本振波导-微带探针过渡结构包括依次设置的本振标准波导1、第一级本振减高波导2、第二级本振减高波导3和本振波导短路面4，还包括位于第二级本振减高波导3内部的本振探针13；本振探针13的两端分别与中频匹配微带线12和本振匹配微带线14相连。
所述射频波导-微带探针过渡结构包括依次设置的射频标准波导5、第一级射频减高波导6、第二级射频减高波导7和射频波导短路面8，还包括位于第二级射频减高波导7内部的射频探针18；射频探针18的两端分别与射频匹配电路17和射频接地电路19相连。
所述跳金丝中频微带线10、中频匹配微带线12、本振探针13、本振匹配微带线14、二极管16、射频匹配电路17、射频探针18和射频接地电路19依次相连的设置在介质基片9上，中频滤波枝节11和本振滤波枝节15也设置在介质基片9上；介质基片9穿过第二级本振减高波导3和第二级射频减高波导7的内部。
本实施例中，介质基片9的材料选用石英，厚度为30μm，宽度为170μm；中频匹配滤波一体化微带线的长度为32μm，宽度为20μm，中频滤波枝节的宽度为65μm，长度为130μm；本振匹配滤波一体化微带线长度为365μm，宽度为20μm，本振滤波枝节的宽度为60μm，长度为60μm；介质基片9整体长度为1.46mm，介质基片9的整体长宽比约为8.6：1，满足长宽比小于10：1，因此本实施例中介质基片9的物理结构更稳定。
相比于图3所示的传统混频器结构，本实施例提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构大大简化电路结构，提升电路集成度。以中频匹配滤波一体化微带线为例说明，本振匹配滤波一体化微带线的原理类似。本实施例将中频匹配电路与中频低通滤波器一体化设计，仅通过设计一段等宽的中频匹配微带线12，以及一对对称连接于中频匹配微带线12两侧的中频滤波枝节11，即可实现中频滤波和匹配的功能。相比于传统由多段(过渡)微带线组成的中频匹配电路，一段等宽的中频匹配微带线12能降低由微带渐变结导致的传输损耗，同时缩短占据介质基片9的尺寸，提升电路物理结构稳定性。中频滤波枝节11的结构简单，可通过调节其在中频匹配微带线12两侧的连接位置，调整其两端部分中频匹配微带线12的匹配性能，使得电路结构更加灵活可控。
在本振功率固定为4mW，射频功率为100μW，中频频率固定为2GHz的条件下，对本实施例提出的太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构进行单边带变频损耗仿真和射频回波损耗仿真。单边带变频损耗仿真结果如图4所示，在520～602GHz射频频段范围内，转换损耗优于10dB。射频回波损耗仿真结果如图5所示，在522～600GHz射频频段范围内，射频端回波损耗优于10dB。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，包括依次设置的跳金丝中频微带线、本振波导-微带探针过渡结构、二极管、射频匹配电路、射频波导-微带探针过渡结构和射频接地电路；其特征在于，
所述跳金丝中频微带线与本振波导-微带探针过渡结构之间还设置中频匹配滤波一体化微带线，中频匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的中频匹配微带线，以及至少一对对称连接于中频匹配微带线两侧的中频滤波枝节；
所述本振波导-微带探针过渡结构与二极管之间还设置本振匹配滤波一体化微带线，本振匹配滤波一体化微带线包括一段等宽的本振匹配微带线，以及至少一对对称连接于本振匹配微带线两侧的本振滤波枝节；
通过调节中频匹配微带线的长度，以及中频滤波枝节在中频匹配微带线两侧的连接位置，调控中频滤波枝节两端的部分中频匹配微带线的匹配性能，并滤除本振信号和射频信号；
通过调节本振匹配微带线的长度，以及本振滤波枝节在本振匹配微带线两侧的连接位置，调控本振滤波枝节两端的部分本振匹配微带线的匹配性能，并滤除射频信号。
2.根据权利要求1所述太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，其特征在于，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的形状为L型。
3.根据权利要求1所述太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，其特征在于，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的形状为带缺口的半包围型。
4.根据权利要求1所述太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，其特征在于，所述中频滤波枝节和本振滤波枝节的开口方向均朝向本振波导-微带探针过渡结构。
5.根据权利要求1所述太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，其特征在于，所述本振波导-微带探针过渡结构包括本振标准波导，多级本振减高波导，以及位于多级本振减高波导中末级本振减高波导内部的本振探针；本振探针的两端分别与中频匹配微带线和本振匹配微带线相连。
6.根据权利要求1所述太赫兹匹配滤波一体化的混频器结构，其特征在于，所述射频波导-微带探针过渡结构包括射频标准波导，多级射频减高波导，以及位于多级射频减高波导中末级射频减高波导内部的射频探针。
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