CN202918244U

CN202918244U - 基于y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路

Info

Publication number: CN202918244U
Application number: CN 201220612463
Authority: CN
Inventors: 杨非; 王宗新; 孟洪福; 崔铁军; 孙忠良
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2022-11-19

Abstract

本实用新型公开了一种基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内设置输入波导结构、两组合成通道、输出波导结构和两组直流偏置电路；所述输入波导结构和输出波导结构为Y形，两组合成通道和直流偏置电路分别沿输入波导结构和输出波导结构Y形的中心线镜像设置，输入波导结构Y形的两端分别连接对应合成通道的输入端，输出波导结构Y形的两端分别连接对应合成通道的输出端，两组合成通道内分别悬置薄膜芯片，直流偏置电路上设置芯片电容，芯片电容和薄膜芯片相连。本实用新型具有结构紧凑、集成度高的特点：基于微纳技术，便于集成，结构紧凑。

Description

基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路

技术领域

本实用新型涉及的是一种太赫兹倍频电路，尤其涉及的是一种基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路。

背景技术

太赫兹波（即Terahertz，简写THz）通常是指频率在0.1 THz～10 THz（波长为30μm～3mm）范围内的电磁波。1THz（10¹²Hz）对应波数为33.3cm^-1，能量为4.1meV，波长为300μm。从频谱上看，太赫兹波在电磁波谱中介于微波与红外之间，处于电子学向光子学过渡的区域，处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。在电子学领域，太赫兹波被称为亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。

传统的电子学方法和光学方法都难以产生高质量的太赫兹波，随着光电子技术和半导体技术的发展，使用超快激光轰击非线性晶体或光电导偶极可以实现毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波，这就为研究提供了一个稳定和有效的手段；利用电真空返波管（BWO）通过锁相，也可以实现1.2THz频率以下毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波；量子级联（QCL）外加锁相机制，可实现2THz频率以上毫瓦级功率输出和频率可调的太赫兹波。但这些技术都存在系统复杂、集成度差以及造价昂贵等问题。因此具有紧凑及较高功率输出优点的太赫兹波功率倍频合成成为太赫兹波技术研究的重要技术。太赫兹倍频理论中，要获得更大的输出功率，一般需要增大输入功率，但倍频效率与输入功率有关，过高的输入功率易导致器件饱和，导致倍频效率大大降低，甚至引起势垒反向击穿，器件受到损害。对于这些问题，只有提高器件对大输入功率的承载能力，同时不降低倍频效率η，才可实现较大功率输出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，提高器件承载能力的同时不会降低倍频效率η。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括金属上基座和金属下基座，金属上基座和金属下基座形成的腔体内设置输入波导结构、两组合成通道、输出波导结构和两组直流偏置电路；所述输入波导结构和输出波导结构为Y形，两组合成通道和直流偏置电路分别沿输入波导结构和输出波导结构Y形的中心线镜像设置，输入波导结构Y形的两端分别连接对应合成通道的输入端，输出波导结构Y形的两端分别连接对应合成通道的输出端，两组合成通道内分别悬置薄膜芯片，直流偏置电路上设置芯片电容，芯片电容和薄膜芯片相连。

所述薄膜芯片包括芯片本体和分别设置于芯片本体上的第一梁式引线、第二梁式引线、第三梁式引线、太赫兹肖特基管对、输入耦合单元、输出耦合单元和低通滤波器；所述芯片本体的首端和末端分别通过第一梁式引线和第二梁式引线定位在对应的合成通道内，太赫兹肖特基管对的两端通过第一梁式引线连接到金属下基座上以形成直流和射频回路，输入耦合单元设置于太赫兹肖特基管对的中间，输出耦合单元和输入耦合单元相连，低通滤波器和输出耦合单元相连，低通滤波器通过第三梁式引线和芯片电容相连以进行直流馈电，输入耦合单元和输入波导结构相连，输出耦合单元和输出波导结构相连。

作为本实用新型的优选方式之一，所述薄膜芯片为砷化镓薄膜，薄膜芯片的厚度为10～15μm。

所述太赫兹肖特基管对的拓扑结构为反串联结构，利于实现杂波抑制。

为实现与外部其他部件的连接，所述金属上基座和金属下基座的两侧分别设置连接法兰盘。

所述金属上基座和金属下基座通过定位销连接，通过定位销实现固定定位。

所述金属上基座和金属下基座上分别设有直流馈电SMA（Small A Type）连接器，所述直流馈电SMA连接器和直流偏置电路相连。

薄膜芯片及其部件的制作工艺选用电子束光刻（EBL，electronic beam lithography）、电感耦合反应离子刻蚀（ICP Etching，inductively coupled plasma reactive ion etching）、分子束外延（MBE，Molecular beam epitaxy）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）中的任一种。

本实用新型的两个合成通道内的薄膜芯片电路完全一致，各自完成来自输入端功分信号的激励，并在输出端一侧Y形结构完成两路信号合成。薄膜芯片经由梁式引线固定在合成通道内，并由其提供直流回路和射频回路，直流偏置电路一侧由梁式引线提供直流通路，经芯片电容直流供电。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型具有结构紧凑、集成度高的特点：基于微纳技术，便于集成，结构紧凑；

本实用新型具有端口性能好的特点：在进行薄膜倍频电路设计时，完成Y形结构宽带匹配，综合考虑协同设计，明显减弱了端口驻波，提高了端口性能，输入输出部分的Y形结构分别起到输入同相功分和输出同相合成的作用，辅以匹配设计，易实现宽带匹配；端口反射较小，驻波性能良好，在不损失倍频效率的同时获得良好的合成性能；该电路结构简单，易于机械加工和组装测试，成品率高；易于扩展，可实现今后二进制多路合成（2ⁿ路，n≥1）以及线性阵列电路结构；

本实用新型基本倍频单元，两组倍频基本单元的薄膜芯片，完全一致，其采用的工艺为微纳集成制造技术，具有成本低，一致性好，便于规模制造的特点。

附图说明

图1是本实用新型的立体示意图；

图2是金属下基座的俯视图；

图3是合成通道的局部示意图；

图4是薄膜芯片的结构示意图；

图5是输入功率为120mW条件下输出功率结果；

图6输入功率为120mW条件下倍频效率结果。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2和图3所示，本实施例包括金属上基座1和金属下基座2，金属上基座1和金属下基座2形成的腔体内设置输入波导结构3、两组合成通道4、输出波导结构5和两组直流偏置电路6；所述输入波导结构3和输出波导结构5为Y形，两组合成通道4和直流偏置电路6分别沿输入波导结构3和输出波导结构5Y形的中心线镜像设置，输入波导结构3Y形的两端分别连接对应合成通道4的输入端，输出波导结构5Y形的两端分别连接对应合成通道4的输出端，两组合成通道4内分别悬置薄膜芯片7，直流偏置电路6上设置芯片电容61，芯片电容61和薄膜芯片7相连。为实现与外部其他部件的连接，所述金属上基座1和金属下基座2的两侧分别设置连接法兰盘8；所述金属上基座1和金属下基座2通过定位销9连接，通过定位销9实现固定定位；所述金属上基座1和金属下基座2上分别设有直流馈电SMA连接器10，所述直流馈电SMA连接器10和直流偏置电路6相连。

本实施例中合成通道4、输入波导结构3、输出波导结构5、直流偏置电路6是在金属上下基座上通过精密数控铣(CNC Milling，Computerized Numerical Control Milling)的方式得到。金属上基座1和金属下基座2为铜制成，其他实施例中可以选择铝，先由精密机床做精密数控铣，然后表面镀金得到。

如图4所示，所述薄膜芯片7包括芯片本体71和分别设置于芯片本体71上的第一梁式引线72、第二梁式引线73、第三梁式引线74、太赫兹肖特基管对75、输入耦合单元76、输出耦合单元77和低通滤波器78；所述芯片本体71的首端和末端分别通过第一梁式引线72和第二梁式引线73定位在对应的合成通道4内，太赫兹肖特基管对75的两端通过第一梁式引线72连接到金属下基座2上以形成直流和射频回路，输入耦合单元76设置于太赫兹肖特基管对75的中间，输出耦合单元77和输入耦合单元76相连，低通滤波器78和输出耦合单元77相连，低通滤波器78通过第三梁式引线74和芯片电容61相连以进行直流馈电，输入耦合单元76和输入波导结构3相连，输出耦合单元77和输出波导结构5相连。太赫兹肖特基管对75的拓扑结构为反串联结构，利于实现杂波抑制，有效抑制高次模式激发与传输。

本实施例中，薄膜芯片7及其部件的制作工艺选用电子束光刻制成。本实施例的薄膜芯片7为砷化镓薄膜，薄膜芯片7的面积为240um*1350μm，厚度为12μm。金属上基座1和金属下基座2的总外形尺寸为28mm*40mm*25mm。

图5为输入功率为120mW条件下输出功率结果，从曲线可见20GHz带宽范围内输出功率高于24mW。图6为输入功率为120mW条件下倍频效率结果，从曲线可见20GHz带宽范围内，倍频效率为18%，结果表明，在360GHz到380GHz频段上保持相当高的倍频效率与非常优越的端口特性，倍频性能优良。

Claims

1.一种基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于，包括金属上基座（1）和金属下基座（2），金属上基座（1）和金属下基座（2）形成的腔体内设置输入波导结构（3）、两组合成通道（4）、输出波导结构（5）和两组直流偏置电路（6）；所述输入波导结构（3）和输出波导结构（5）为Y形，两组合成通道（4）和直流偏置电路（6）分别沿输入波导结构（3）和输出波导结构（5）Y形的中心线镜像设置，输入波导结构（3）Y形的两端分别连接对应合成通道（4）的输入端，输出波导结构（5）Y形的两端分别连接对应合成通道（4）的输出端，两组合成通道（4）内分别悬置薄膜芯片（7），直流偏置电路（6）上设置芯片电容（61），芯片电容（61）和薄膜芯片（7）相连。

2.根据权利要求1所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述薄膜芯片（7）包括芯片本体（71）和分别设置于芯片本体（71）上的第一梁式引线（72）、第二梁式引线（73）、第三梁式引线（74）、太赫兹肖特基管对（75）、输入耦合单元（76）、输出耦合单元（77）和低通滤波器（78）；所述芯片本体（71）的首端和末端分别通过第一梁式引线（72）和第二梁式引线（73）定位在对应的合成通道（4）内，太赫兹肖特基管对（75）的两端通过第一梁式引线（72）连接到金属下基座（2）上以形成直流和射频回路，输入耦合单元（76）设置于太赫兹肖特基管对（75）的中间，输出耦合单元（77）和输入耦合单元（76）相连，低通滤波器（78）和输出耦合单元（77）相连，低通滤波器（78）通过第三梁式引线（74）和芯片电容（61）相连以进行直流馈电，输入耦合单元（76）和输入波导结构（3）相连，输出耦合单元（77）和输出波导结构（5）相连。

3.根据权利要求2所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述薄膜芯片（7）为砷化镓薄膜，薄膜芯片（7）的厚度为10～15μm。

4.根据权利要求2所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述太赫兹肖特基管对（75）的拓扑结构为反串联结构。

5.根据权利要求1所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）的两侧分别设置连接法兰盘（8）。

6.根据权利要求1所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）通过定位销（9）连接。

7.根据权利要求1所述的基于Y形结构的太赫兹功率合成二倍频电路，其特征在于：所述金属上基座（1）和金属下基座（2）上分别设有直流馈电SMA连接器（10），所述直流馈电SMA连接器（10）和直流偏置电路（6）相连。