CN117749101A - 一种太赫兹平衡式四倍频结构及四倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电气元件技术领域，尤其是涉及一种太赫兹倍频肖特基二极管四倍频结构、四倍频器，四倍频结构，包括匹配微带、片上电容、两个对称设置在匹配微带两侧的串联二极管单元、以及一个串联设置在衬底上的串联二极管单元，串联二极管单元具有多个依次串联的管芯，对称串联单元包括一侧与匹配微带连接另一测与接地端连接的第一、第二串联队列、以及连接在片上电容和接地端中间的第三串联队列。本发明通过级联两段二极管在同一衬底上，有效提升了倍频器的集成度，达到在同一个腔体下，实现了平衡式四倍频的功能。
Description
技术领域
本发明涉及电气元件技术领域，尤其是涉及一种太赫兹平衡式肖特基二极管结构及倍频器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz Wave,THz)亦被称为太赫兹射线，该频带包含了频率从0.1THz到10THz的电磁波，其对应的波长范围为0.03mm到3mm，太赫兹波在频率上高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间。太赫兹波拥有带宽高、携带信息丰富，高时空相干性、定向性好等特性，在国家防御、国土安全、生物医疗、无线通信等各个科学领域有着非常广泛的应用和研究价值。而太赫兹频率源是太赫兹技术发展的关键因素，其性能指标影响着整个太赫兹系统的性能。由于倍频的方式获得的太赫兹信号具有高频稳定性好、工作频段宽等优点，所以倍频器成为了获取太赫兹源的常用方案。
肖特基平面二极管常用于太赫兹倍频器的设计中，现在的肖特基平面二极管主流设计均面向于二、三次谐波倍频，原因是平衡式倍频的设计只能得到奇次或者偶次谐波倍频，在想要得到更高频率的倍频而又不让倍频效率收到很大的情况下，只能使用多个倍频器级联的方式，这就导致想要得到更高功率的倍频源，需要多级腔体的不断级联，导致高频段器件过大，系统集成度难以提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹平衡式四倍频结构及太赫兹平衡式四倍频器，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下方案：
本发明提供了一种太赫兹平衡式四倍频结构及四倍频器，该四倍频结构具体包括：对称串联单元、单串联单元以及悬置微带线、屏蔽腔；其中，悬置微带线包括衬底、匹配微带100；对称串联单元包括第一串联队列200、第二串联队列210、匹配微带直流馈电端110；单串联单元包括第三串联队列220、片上电容、片上电容直流馈电端口410；第一串联队列200、第二串联队列210、第三串联队列220分别由多个二极管串联组成；
屏蔽腔为矩形中空结构，衬底放置于屏蔽腔内，匹配微带为长条状，位于衬底上表面；
沿匹配微带的长条轴线方向，对称串联单元中第一串联队列200、第二串联队列210位于匹配微带下端；二极管串联方向与匹配微带垂直；第一串联队列200一侧连接第一接地端300，另一侧连接匹配微带100；第二串联队列210一侧连接第二接地端310，另一侧连接匹配微带100；第一串联队列200与第二串联队列210中二极管位于一条直线上，沿匹配微带100呈对称直线排布；匹配微带直流馈电端110为匹配微带100的垂直延长微带，匹配微带直流馈电端端口伸出屏蔽腔腔体壁；
沿匹配微带的长条轴线方向，单串联单元中第三串联队列220位于匹配微带上端，一侧与第三接地端320连接，另一侧与片上电容400连接，二极管串联方向与匹配微带垂直；片上电容直流馈电端410与片上电容400呈直角状连接，端口伸出屏蔽腔腔体壁，作为第三串联队列220的直流馈电端口；
单串联单元与对称串联单元之间的匹配微带100设置匹配微带不连续端120，用作隔离单串联单元与对称串联单元之间的直流馈电端，隔离单串联单元与对称串联单元的直流偏置电压。
具体的，衬底材料为石英、砷化镓、氮化镓、氮化铝或者碳化硅材料，匹配微带材料为金带。
具体的，在匹配微带中间具有矩形结构，矩形的垂直中线与衬底的垂直中线重合。
具体的，匹配微带与串联队列的连接部分的宽度略宽于微带宽度。
具体的，屏蔽腔的腔体壁为金属材料，优选地，所述金属材料为无氧铜、黄铜或铝。
具体的，第一串联队列200、第二串联队列210、第三串联队列220中二极管直线等间距排布。
具体地，二极管为平面型肖特基变容二极管、异质结势垒变容管或平面型变阻二极管，二极管掺杂材料为GaN、GaAs、AlGaN、InGaN、AlGaAs、GaAs、InGaAs或InP。
具体的，片上电容从下至上为金属、二氧化硅、金属的三层形式。
本发明还提供了一种倍频器，包括输入波导600、输入减高波导610、输出波导700、输出减高波导710以及上述太赫兹倍频肖特基二极管四倍频结构；波导均为矩形中空结构；其中输入波导600、输入减高波导610、四倍频结构、输出减高波导710、输出波导700沿电磁波传播方向依次连接，输入减高波导610与四倍频结构的耦合位置为输入波导短路面500，覆盖第一串联队列和第二串联队列；输出减高波导710与四倍频结构的耦合位置为输出波导短路面510，覆盖第三串联队列。
具体地，所述输入端波导600、输出端波导700、输入减高波导610、输出减高波导710腔体壁为金属材料。优选地，所述金属材料为无氧铜、黄铜或铝。
本发明的有益效果如下：
本发明将现有利用平衡式偶次谐波倍频原理，利用微带和波导的模式转化，利用两种不同的平衡式二倍频原理，设计级联两种不同的平衡式二倍频结构，成功实现了单片的平衡式四倍频，在保持与原来的多腔体级联的四倍频接近的倍频效率的情况下，有效提升了器件的集成度。
附图说明
图1是本发明太赫兹平衡式四倍频结构的结构示意图；
图2是本发明图1中第一、二级串联二极管单元的结构示意图；
图3是本发明图1中第三级串联二极管单元的结构示意图；
图4是本发明图1中匹配微带结构示意图；
图5是本发明图1中片上电容的结构示意图；
图6是实施例2中四倍频器的结构示意图；
图7是实施例2中四倍频器的仿真效果展示图；
图中：100、匹配微带；110、匹配微带直流馈电端；120、匹配微带不连续端；200、第一串联队列；210、第二串联队列；230、第三串联队列；300、第一接地端；310、第二接地端；320、第三接地端；400、片上电容；410、片上电容直流馈电端；500、输入波导短路面；510、输出波导短路面；600、输入波导；610、输入减高波导；700、输出波导；710、输出减高波导；800、悬置微带线。
具体实施方式
以下的说明提供了一些不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
实施例1：
本实施例提供了一种太赫兹平衡式四倍频结构如图1所示，包括对称串联单元、单串联单元以及悬置微带线、屏蔽腔；其中，悬置微带线800包括砷化镓衬底、匹配微带100；对称串联单元包括第一串联队列200、第二串联队列210、匹配微带直流馈电端110；单串联单元包括第三串联队列220、片上电容、片上电容直流馈电端口410；
屏蔽腔为矩形中空结构，衬底放置于屏蔽腔内；匹配微带为长条金带，位于衬底上表面。具体的，在匹配微带中间具有矩形结构，矩形的垂直中线与衬底的垂直中线重合；匹配微带与串联队列的连接部分的宽度略宽于微带宽度。
如图2所示，对称串联单元沿匹配微带的长条轴线方向，第一串联队列200、第二串联队列210位于匹配微带下端，均由5个肖特基二极管管芯串联而成；管芯串联呈直线等间距排列，管芯串联方向与匹配微带长条轴线方向垂直；第一串联队列200一侧连接第一接地端300，另一侧连接匹配微带100，第二串联队列210一侧连接第二接地端310，另一侧连接匹配微带100；第一串联队列200与第二串联队列210中管芯沿匹配微带100呈对称直线排布。匹配微带直流馈电端110与匹配微带100垂直连接，端口伸出屏蔽腔腔体壁，作为第一串联队列200、第二串联队列210的直流馈电端口。
如图3所示，单串联单元沿匹配微带的长条轴线方向，第三串联队列220位于匹配微带上端，由6个肖特基二极管管芯串联而成，一侧与第三接地端320连接，另一侧与片上电容400连接；第三串联队列220呈直线等间距排列，管芯串联方向与匹配微带长条轴线方向垂直；如图5所示，片上电容直流馈电端410与片上电容400呈直角状连接，端口伸出屏蔽腔腔体壁，作为第三串联队列220的直流馈电端口。
单串联单元与对称串联单元之间的匹配微带100设置匹配微带不连续端120，用作隔离单串联单元与对称串联单元之间的直流馈电端，隔离单串联单元与对称串联单元的直流偏置电压。
具体地，平衡式四倍频结构中二极管掺杂材料为GaAs。
具体地，平衡式四倍频结构中二极管为平面型肖特基变容二极管。
本发明通过级联对称串联单元和单串联单元这两段二极管在同一衬底上，有效提升了倍频器的集成度，达到在同一个腔体下，实现了平衡式四倍频的功能。
输入波导短路面500为输入波导与悬置微带线800的耦合位置，覆盖了对称串联单元，通过在该耦合位置处实现通过TE10模式到准TEM的模式转换实现第一级平衡式二倍频的效果；
输出波导短路面510为输出波导与悬置微带线800的耦合位置，覆盖了第三串联队列220，通过准TEM到TE10模式转换实现第二级平衡式二倍频的功能；
在对称排布的第一串联队列200与第二串联队列210中间为匹配微带，目的是匹配第三串联队列220，第一级与第二级平衡式二倍频的组合方式能够实现一个TE10转换为准TEM再转换为TE10的形式，实现了基波转换到二次谐波再到四次谐波的转换，首先平衡式偶次谐波的倍频方式有效抑制了奇次谐波的出现，而各个谐波彼此之间的模式隔离有效防止了各个谐波之间的谐波串扰。这样通过在一个第一串联队列200、第二串联队列210与第三串联队列220在同一悬置微带线上的匹配，实现了在不需要两个衬底或者两个腔体级联的情况下，产生四次谐波的效果。
实施例2：
本实施例提供了一种平衡式四倍频器，如图6所示，包括输入波导600、输入减高波导610、输出波导700、输出减高波导710以及上述太赫兹倍频肖特基二极管四倍频结构；波导均为矩形中空结构；其中输入波导600、输入减高波导610、四倍频结构、输出波导700、输出减高波导710沿电磁波传播方向依次连接，输入减高波导610与四倍频结构的耦合位置为输入波导短路面500，覆盖了第一串联队列和第二串联队列；输出减高波导710与四倍频结构的耦合位置为输出波导短路面510，覆盖了第三串联队列。
其中输入减高波导610平行于电磁波输入面的宽度相对于输入波导600的宽度有一定的缩减，各自的宽边中点均定位在同一垂直轴上(目的是为了使电磁波更好地传输进入到器件内部)；同理，输出减高波导的宽度相对于输出波导的宽度有一定的缩减，各自的宽边中点均定位在同一垂直轴上。
具体地，所述输入端波导600、输出端波导700、输入减高波导610、输出减高波导710腔体壁为金属材料。优选地，所述金属材料为无氧铜。
由于该四倍频器属于平衡式结构，该结构不会产生奇次谐波，从而不必设计三次谐波的滤波电路，有利于降低倍频器内部的传输损耗；在该四倍频器工作过程中，基波从输入端波导600馈入，经过利于电磁波被肖特基二极管吸收的输入减高波导610后到达第一串联队列200与第二串联队列210，此时基波由传播主模TE10模式被二极管吸收后，产生了适合于第一输出悬置微带电路800传输的准TEM模式的二次谐波，二次谐波由对称的匹配微带100传输到第三串联队列220，此时二次谐波由准TEM模式被二极管吸收之后，生成适合于波导传输的主模为TE10模式的信号，经输出减高波导710，由输出端波导700输出。
基于HFSS软件，对本实施例平衡式四倍频器进行太赫兹倍频模拟测试，本实施例的四倍频器中，模拟测试结构如图7所示，本实施例实现了高达5.8％及以上的倍频效率。
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 (11)
1.一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，所述四倍频结构具体包括：对称串联单元、单串联单元、悬置微带线、屏蔽腔；其中，悬置微带线包括衬底、匹配微带(100)；对称串联单元包括第一串联队列(200)、第二串联队列(210)、匹配微带直流馈电端(110)；单串联单元包括第三串联队列(220)、片上电容、片上电容直流馈电端口(410)；第一串联队列(200)、第二串联队列(210)、第三串联队列(220)分别由多个二极管串联组成；
屏蔽腔为矩形中空结构，衬底放置于屏蔽腔内，匹配微带为长条状，位于衬底上表面；
沿匹配微带的长条轴线方向，对称串联单元中第一串联队列(200)、第二串联队列(210)位于匹配微带下端；二极管串联方向与匹配微带的长条轴线方向垂直；第一串联队列(200)一侧连接第一接地端(300)，另一侧连接匹配微带(100)；第二串联队列(210)一侧连接第二接地端(310)，另一侧连接匹配微带(100)；第一串联队列(200)与第二串联队列(210)中二极管位于一条直线上，沿匹配微带(100)呈对称直线排布；匹配微带直流馈电端(110)为匹配微带(100)的垂直延长微带，匹配微带直流馈电端端口伸出屏蔽腔腔体壁；
沿匹配微带的长条轴线方向，单串联单元中第三串联队列(220)位于匹配微带上端，一侧与第三接地端(320)连接，另一侧与片上电容(400)连接，二极管串联方向与匹配微带的长条轴线方向垂直；片上电容直流馈电端(410)与片上电容(400)呈直角状连接，端口伸出屏蔽腔腔体壁，作为第三串联队列(220)的直流馈电端口；
单串联单元与对称串联单元之间的匹配微带(100)设置匹配微带不连续端(120)，用作隔离单串联单元与对称串联单元之间的直流馈电端，隔离单串联单元与对称串联单元的直流偏置电压。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，所述衬底材料为石英、砷化镓、氮化镓、氮化铝或者碳化硅材料，匹配微带材料为金带。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，在匹配微带中间具有矩形结构；匹配微带与第一串联队列、第二串联队列、第三串联队列的连接部分的宽度大于匹配微带宽度。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，屏蔽腔的腔体壁的材料为无氧铜、黄铜或铝。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，第一串联队列(200)、第二串联队列(210)、第三串联队列(220)中二极管直线等间距排布。
6.根据权利要求4所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，所述二极管为平面型肖特基变容二极管、异质结势垒变容管或平面型变阻二极管，二极管掺杂材料为GaN、GaAs、AlGaN、InGaN、AlGaAs、GaAs、InGaAs或InP，二极管的安装方式为倒扣型二极管、分立型二极管以及单片二极管中的任意一种。
7.根据权利要求5所述的一种太赫兹平衡式四倍频结构，其特征在于，所述片上电容从下至上为金属、二氧化硅、金属的三层形式。
8.一种太赫兹平衡式二极管四倍频器，其特征在于，所述四倍频器包括输入波导(600)、输入减高波导(610)、输出波导(700)、输出减高波导(710)以及权利要求1-6任一所述的四倍频结构；其中输入波导(600)、输入减高波导(610)、四倍频结构、输出减高波导(710)、输出波导(700)沿电磁波传播方向依次连接，输入减高波导(610)与四倍频结构的耦合位置为输入波导短路面(500)，覆盖第一串联队列和第二串联队列；输出减高波导(710)与四倍频结构的耦合位置为输出波导短路面(510)，覆盖第三串联队列。
9.根据权利要求7所述的一种太赫兹平衡式四倍频器，其特征在于，所述输入端波导(600)、输出端波导(700)、输入减高波导(610)、输出减高波导(710)均为矩形波导，其中输入减高波导平行于电磁波输入面的宽度小于输入波导的宽度，各自的宽边中点均定位在同一垂直轴上；输出减高波导的宽度小于输出波导的宽度，各自的宽边中点均定位在同一垂直轴上。
10.根据权利要求8所述的一种太赫兹平衡式四倍频器，其特征在于，所述输入端波导(600)、输出端波导(700)、输入减高波导(610)、输出减高波导(710)腔体壁为金属材料。
11.根据权利要求9所述的一种太赫兹平衡式四倍频器，其特征在于，所述金属材料为无氧铜、黄铜或铝。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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