CN204859113U - 用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，涉及太赫兹器件技术领域。所述电路包括射频输入波导、第一石英基板、射频输入过度微带线、第一传输微带线、第一低通滤波器、输入匹配微带线、第一GaAs太赫兹倍频二极管、第二传输微带线、第二GaAs太赫兹倍频二极管、输出匹配微带线、第四传输微带线、射频输出过渡微带线、射频输出波导、第三传输微带线、第二低频滤波器、第三低频滤波器、第一金丝跳线、第二金丝跳线、第二石英基板以及第三石英基板。所述混合集成电路可以获得4次倍频、6次倍频和9次倍频输出，且集成度高，小型化程度高，可以获得最大的功率输出，工艺简单。

Description

用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路

技术领域

本实用新型涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路。

背景技术

太赫兹（THz）波从广义上来讲，是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波，其中1THz=1000GHz，也有人认为太赫兹频率是指0.3THz-3THz范围内的电磁波。THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，THz技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。

基于固态电子技术对太赫兹频率源进行拓展是一种有效的方式。国外基于GaAs肖特基二极管的倍频链路已经达到3.1THz，倍频链路主要是基于2次倍频和3次倍频。无论是2次倍频还是3次倍频，都是做成一个模块，然后通过标准法兰进行连接。例如要实现从100GHz到400GHz的频率拓展，需要先制作一个100GHz到200GHz的二倍频模块，然后制作一个200GHz到400GHz的二倍频模块，两个模块通过标准法兰进行连接。

由于太赫兹频段频率高，对腔体的机加工精度要求极高，腔体的加工费用较为昂贵，加大了科研成本的支出，如能将两个倍频链路集中在一个电路上，则可以只加工一个腔体，提高了电路的集成度。这就需要采用新颖的电路设计方式来满足低成本的频率拓展需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，所述混合集成电路可以获得4次倍频、6次倍频和9次倍频输出，且集成度高，小型化程度高，可以获得最大的功率输出，工艺简单。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：包括第一石英基板，所述第一石英基板上的射频输入过度微带线横跨在射频输入波导上，射频输入过度微带线的一端依次经第一传输微带线、第一低通滤波器、输入匹配微带线以及第一GaAs太赫兹倍频二极管后与第二传输微带线的一端连接，第二传输微带线的另一端与第三传输微带线的一端相对且保持间隙设置，第三传输微带线的另一端依次经第二GaAs太赫兹倍频二极管、输出匹配微带线以及第四传输微带线与射频输出过渡微带线的一端连接，所述射频输出过渡微带线横跨在射频输出波导上，所述第一传输微带线、第一低通滤波器、输入匹配微带线、第一GaAs太赫兹倍频二极管、第二传输微带线、第三传输微带线、第二GaAs太赫兹倍频二极管、输出匹配微带线、第四传输微带线以及射频输出过渡微带线位于所述第一石英基板上；

第二低频滤波器位于第二石英基板上，第二低频滤波器的一端通过第一金丝跳线与第三传输微带线连接，第三低频滤波器位于第三石英基板上，第三低频滤波器的一端通过第二金丝跳线与第二传输微带线连接。

进一步的技术方案在于：所述射频输入波导为矩阵波导。

进一步的技术方案在于：所述第一低通滤波器为5阶或7阶高低阻抗微带线，用于将输入的射频信号最大的传输至二极管处，同时阻止射频信号的2次谐波和4次谐波信号向输入端反馈。

进一步的技术方案在于：所述第一GaAs太赫兹倍频二极管包括四个肖特基二极管，分为两组，每组包含两个肖特基二极管，每组中的两个肖特基二极管串联连接，一组中的二极管的阳极与另一组中的二极管的阳极连接，一组中的二极管的阴极以及另一组中的二极管的阴极与接地端连接，所述两组二极管的阳极分别与输入射频匹配微带线的一端以及第二传输微带线的一端连接。

进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管的外延层掺杂浓度为2e17cm^-3，阳极圆形直径为6微米，结电容为30fF到40fF，电阻为2欧姆到3欧姆。

进一步的技术方案在于：第二传输微带线与第三传输微带线之间的间隙的距离为1微米-3微米。

进一步的技术方案在于：所述第二GaAs太赫兹倍频二极管包括两个并联连接的肖特基二极管，所述肖特基二极管的阴极接地，阳极分别与第三传输微带线的一端以及输出匹配微带线的一端连接。

进一步的技术方案在于：所述肖特基二极管的外延层掺杂浓度为2e17cm^-3，阳极圆形直径为2微米，结电容为10fF，电阻为5欧姆到8欧姆。

进一步的技术方案在于：所述第二低通滤波器和第三低通滤波器为5阶或7阶高低阻抗微带线或工字型滤波器。

进一步的技术方案在于：所述第二低通滤波器和第三低通滤波器的另一端分别通过特征阻抗为50欧姆的微带传输线与SMA接头连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：在一个石英基板上集成2个GaAs太赫兹倍频二极管，相当于将两个倍频模块集成为一个模块，集成度高，模块小型化；石英基板上倒装焊接的两个GaAs太赫兹倍频二极管，可以分别加偏置电压，调节二极管的工作点，从而获得最大的功率输出；GaAs太赫兹倍频二极管采用倒装焊接工艺，工艺较为简单。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构示意图；

其中：101、射频输入波导102、第一石英基板103、射频输入过度微带线104、第一传输微带线105、第一低通滤波器106、输入匹配微带线107、第一GaAs太赫兹倍频二极管108、第二传输微带线109、第二GaAs太赫兹倍频二极管110、输出匹配微带线111、第四传输微带线112、射频输出过渡微带线113、射频输出波导114、第三传输微带线115、第二低频滤波器116、第三低频滤波器117、第一金丝跳线118、第二金丝跳线119、第二石英基板120、第三石英基板。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实用新型公开了一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，包括第一石英基板102，所述第一石英基板102上的射频输入过度微带线103横跨在射频输入波导101上，射频输入过度微带线103的一端依次经第一传输微带线104、第一低通滤波器105、输入匹配微带线106以及第一GaAs太赫兹倍频二极管107后与第二传输微带线108的一端连接，第二传输微带线108的另一端与第三传输微带线114的一端相对且保持间隙设置；第三传输微带线114的另一端依次经第二GaAs太赫兹倍频二极管109、输出匹配微带线110以及第四传输微带线111与射频输出过渡微带线112的一端连接，所述射频输出过渡微带线112横跨在射频输出波导113上。

所述第一传输微带线104、第一低通滤波器105、输入匹配微带线106、第一GaAs太赫兹倍频二极管107、第二传输微带线108、第三传输微带线114、第二GaAs太赫兹倍频二极管109、输出匹配微带线110、第四传输微带线111以及射频输出过渡微带线112位于所述第一石英基板102上；第二低频滤波器115位于第二石英基板119上，第二低频滤波器115的一端通过第一金丝跳线117与第三传输微带线114连接，第三低频滤波器116位于第三石英基板120上，第三低频滤波器116的一端通过第二金丝跳线118与第二传输微带线108连接。

为了更好的说明本实用新型，以100GHz输入，400GHz作为输出频率为例对本实用新型的具体实施方式加以说明。

射频输入波导101（此处为WM-2032矩形波导，a和b分别为2032微米和1016微米）引入100GHz射频信号，射频输入过度微带线103把射频信号从输入波导中引入到石英电路进行传输，第一传输微带线104为石英电路微带线，第一低通滤波器105可以为5阶或7阶高低阻抗微带线，第一低通滤波器105的作用是将输入的射频信号最大的传输至二极管处，同时阻止射频信号的2次谐波(200GHz)和4次谐波信号(400GHz)向输入端反馈。

输入匹配微带线106的作用是将输入射频信号阻抗跟二极管的阻抗进行阻抗匹配，以使得射频信号最大程度的馈入第一GaAs太赫兹倍频二极管107中。考虑输出400GHz，第一步是实现100GHz到200GHz的二次倍频，100GHz输入100mW，第一GaAs太赫兹倍频二极管107采用4阳极结的肖特基二极管，每个二极管承受25mW的输入功率，可以满足要求，第一GaAs太赫兹倍频二极管等效电路如附图1所示，为同向并联肖特基二极管。肖特基二极管两端通过导电胶与腔体实现良好接地，肖特基二极管中间焊盘与石英电路微带线通过导电胶实现良好焊接，肖特基二极管采用倒装焊接的工艺。为了实现高效的二次倍频技术，肖特基二极管采用外延层浓度为2e17cm^-3浓度掺杂的肖特基二极管，阳极采用圆形直径6微米的肖特基二极管，结电容为30fF到40fF，电阻为2欧姆到3欧姆，采用该类型二极管，通过外加偏置电压，肖特基二极管的效率可以达到20%，经过该倍频肖特基二极管，二次谐波200GHz的输出功率为20mW。

第二传输微带线108和第三传输微带线114为第二GaAs太赫兹倍频二极管109的输入匹配电路。其中第二传输微带线108和第三传输微带线114微带线中间留有小缝隙，具体请参看附图1，第二传输微带线108和第三传输微带线114之间缝隙宽度可以为1微米-3微米，这样可以保证200GHz信号从第二传输微带线108耦合到第三传输微带线114，同时两段微带线在直流看来是断路，可以保证第一GaAs太赫兹倍频二极管107和第二GaAs太赫兹倍频二极管109分别加偏置电压。由于200GHz信号输出功率不大，因此第二GaAs太赫兹倍频二极管109采用2个肖特基二极管即可承受此功率，采用双阳极结，同向并联肖特基二极管，二极管采用外延层掺杂浓度为2e17cm^-3，阳极采用圆形直径2微米的肖特基二极管，结电容为10fF，电阻为5欧姆到8欧姆，采用该类型肖特基二极管，通过外加偏置电压，肖特基二极管在400GHz的二次倍频效率可以达到20%，经过109倍频二极管，400GHz的输出功率为4mW。

可以把第三传输微带线114设计成3阶或5阶低通滤波器，通过200GHz射频信号，同时阻止400GHz射频信号向输入端的反馈。输出匹配微带线110为400Ghz的输出匹配电路，400GHz信号从射频输出波导113输出。第二低频滤波器115和第三低频滤波器116均为中频低通滤波器，可以为5阶或7阶高低阻抗微带线，也可以为工字型滤波器，阻止输入射频100GHz和其各次谐波（200GHz、400GHz）泄露，第二低频滤波器115和第三低频滤波器116一端分别与第三传输微带线114和第二传输微带线108通过第一金丝跳线117和第二金丝跳线118金丝跳线实现连接，可以保证直流偏置电压加载到肖特基二极管上；第二低频滤波器115和第三低频滤波器116的另一端接特征阻抗50欧姆的微带传输线，方便该端口与SMA接头相连，将外部电压源的电压加载至二极管处。

第一石英基板102放置在射频输入波导101和射频输出波导113之间的波导槽中，第二石英基板119和第三石英基板120也放置在相应的波导槽中。石英电路的制作工艺已经十分成熟，石英电路基板的厚度一般为30到75微米。本实用新型不是提供具体的倍频电路，而是提供一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路形式，采用该电路形式，可以实现双二极管的独立偏置，调整二极管最佳的工作状态，得到最大的输出功率；在同一石英基板上集成双肖特基二极管，可以实现频率的4倍频、6倍频和9倍频，可以将原来需要2个模块实现的功能集成在一个模块内完成，减少科研成本的支出，提高了模块的集成度和模块的小型化。

Claims (10)

1.一种用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：包括第一石英基板（102），所述第一石英基板（102）上的射频输入过度微带线（103）横跨在射频输入波导（101）上，射频输入过度微带线（103）的一端依次经第一传输微带线（104）、第一低通滤波器（105）、输入匹配微带线（106）以及第一GaAs太赫兹倍频二极管（107）后与第二传输微带线（108）的一端连接，第二传输微带线（108）的另一端与第三传输微带线（114）的一端相对且保持间隙设置，第三传输微带线（114）的另一端依次经第二GaAs太赫兹倍频二极管（109）、输出匹配微带线（110）以及第四传输微带线（111）与射频输出过渡微带线（112）的一端连接，所述射频输出过渡微带线（112）横跨在射频输出波导（113）上，所述第一传输微带线（104）、第一低通滤波器（105）、输入匹配微带线（106）、第一GaAs太赫兹倍频二极管（107）、第二传输微带线（108）、第三传输微带线（114）、第二GaAs太赫兹倍频二极管（109）、输出匹配微带线（110）、第四传输微带线（111）以及射频输出过渡微带线（112）位于所述第一石英基板（102）上；

第二低频滤波器（115）位于第二石英基板（119）上，第二低频滤波器（115）的一端通过第一金丝跳线（117）与第三传输微带线（114）连接，第三低频滤波器（116）位于第三石英基板（120）上，第三低频滤波器（116）的一端通过第二金丝跳线（118）与第二传输微带线（108）连接。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述射频输入波导（101）为矩阵波导。

3.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述第一低通滤波器（105）为5阶或7阶高低阻抗微带线，用于将输入的射频信号最大的传输至二极管处，同时阻止射频信号的2次谐波和4次谐波信号向输入端反馈。

4.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述第一GaAs太赫兹倍频二极管（107）包括四个肖特基二极管，分为两组，每组包含两个肖特基二极管，每组中的两个肖特基二极管串联连接，一组中的二极管的阳极与另一组中的二极管的阳极连接，一组中的二极管的阴极以及另一组中的二极管的阴极与接地端连接，所述两组二极管的阳极分别与输入射频匹配微带线的一端以及第二传输微带线的一端连接。

5.根据权利要求4所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述肖特基二极管的外延层掺杂浓度为2e17cm^-3，阳极圆形直径为6微米，结电容为30fF到40fF，电阻为2欧姆到3欧姆。

6.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：第二传输微带线（108）与第三传输微带线（114）之间的间隙的距离为1微米-3微米。

7.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述第二GaAs太赫兹倍频二极管（109）包括两个并联连接的肖特基二极管，所述肖特基二极管的阴极接地，阳极分别与第三传输微带线的一端以及输出匹配微带线的一端连接。

8.根据权利要求7所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述肖特基二极管的外延层掺杂浓度为2e17cm^-3，阳极圆形直径为2微米，结电容为10fF，电阻为5欧姆到8欧姆。

9.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述第二低通滤波器（115）和第三低通滤波器（116）为5阶或7阶高低阻抗微带线或工字型滤波器。

10.根据权利要求1所述的用于太赫兹倍频链的新型混合集成电路，其特征在于：所述第二低通滤波器（115）和第三低通滤波器（116）的另一端分别通过特征阻抗为50欧姆的微带传输线与SMA接头连接。