WO2022036872A1 - 一种宽带太赫兹四次谐波混频电路、混频器及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频电路、混频器及方法，包括依次连接的射频信号耦合传输单元、非线性器件、本振滤波器、本振信号耦合传输单元和中频滤波单元；还包括射频输入端口、本振输入端口和中频输出端口，所述射频输入端口与射频信号耦合传输单元连接，本振输入端口与本振信号耦合传输单元连接，中频输出端口与中频滤波单元的输出端连接，所述本振滤波器为两级级联的滤波器结构；本公开有效解决了325GHz～500GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了325GHz～500GHz高性能、低成本接收机的实现，满足了325GHz～500GHz频段高性能测试仪器的要求。

Description

一种宽带太赫兹四次谐波混频电路、混频器及方法 技术领域

本公开涉及混频器技术领域，特别涉及一种宽带太赫兹四次谐波混频电路、混频器及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

基于肖特基二极管的太赫兹谐波混频器在太赫兹测试仪器、通讯、气象遥感等诸多领域获得了广泛的应用，而太赫兹平衡式偶次谐波混频器不仅具有良好的变频特性，同时不需要巴伦结构，因此电路结构简单易集成，成为了太赫兹接收机的首选方案之一。如何提高太赫兹偶次谐波混频器的带宽和降低变频损耗及噪声系数，也成为了太赫兹偶次谐波混频器重点解决的技术难题。

谐波混频技术可以有效的降低所需的本振驱动频率，采用n次谐波混频时，所需要本振的驱动频率为基波混频本振频率的1/n，这样可以大大的降低本振链路的设计和实现难度，同时带来了整体接收机成本的大幅度下降。理论上谐波次数n越小，变频损耗及噪声系数越小，但本振频率较高，实现就越困难，因此n的选择需要综合考虑混频器的性能与实现。325GHz～500GHz频段混频器覆盖了WR2.2标准波导频段，广泛应用于325GHz～500GHz频段的测试仪器中，通常为接收机的第一级，如何实现其在宽带下的低变频损耗、噪声温度等性能指标，成为了提高太赫兹测试仪器性能的关键。在325GHz～500GHz频段4次谐波混频需要的本振频率仅为81.25GHz～125GHz，同时4次谐波，较二次谐波 在宽频带条件下，并未产生质的变化，成为了该频带宽带接收机的首选方案之一，特别是在太赫兹测试仪器接收机的应用方面。本公开发明人发现，有研究人员采用如图1所示的电路拓扑设计了430GHz～480GHz频段四次谐波混频器，拓扑电路主要包括5个部分，104射频信号耦合传输单元、非线性器件(反向并联二极管)105、射频低通滤波器106、本振信号耦合传输单元107、中频滤波单元108等。图1所示的电路拓扑，在整个电路中采用了单射频回路，且回路中的地相对于非线性器件距离较远，难以对本振的谐杂波信号进行匹配，同时本振信号滤波单元采用高低阻抗线的谐振单元，带宽和抑止特性相对较差，难以消除本振信号的影响，无法满足宽频带混频器的设计要求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频电路、混频器及方法，有效解决了325GHz～500GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了325GHz～500GHz高性能、低成本接收机的实现，满足了325GHz～500GHz频段高性能测试仪器的要求。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频电路。

一种宽带太赫兹四次谐波混频电路，包括依次连接的射频信号耦合传输单元、非线性器件、本振滤波器、本振信号耦合传输单元和中频滤波单元；

还包括射频输入端口、本振输入端口和中频输出端口，所述射频输入端口与射频信号耦合传输单元连接，本振输入端口与本振信号耦合传输单元连接，中频输出端口与中频滤波单元的输出端连接，所述本振滤波器为两级级联的滤波器结构。

作为可能的一些实现方式，两级级联的滤波器的截止频率分别是125GHz和250GHz。

作为可能的一些实现方式，所述射频信号耦合传输单元连接有用于接地的射频探针，非线性反向并联二极管的近端接地。

作为可能的一些实现方式，本振滤波器和中频滤波器采用的是Harmmer head滤波器。

作为可能的一些实现方式，射频输入端口和本振输入端口均采用波导传输线结构。

本公开第二方面提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频器。

一种宽带太赫兹四次谐波混频器，包括本公开第一方面所述的混频电路，所述混频电路设置在基片上。

作为可能的一些实现方式，电路导带的最小线宽为10微米。

作为可能的一些实现方式，所述基片包括但不限于石英基片和砷化镓基片中的一种。

本公开第三方面提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频器的工作方法。

一种宽带太赫兹四次谐波混频器的工作方法，利用本公开第二方面所述的太赫兹四次谐波混频器，包括以下步骤：

接收325GHz～500GHz频段的射频信号和81.25GHz～125GHz频段的本振信号；

通过用于混频的反向并联二级管处的近端接地，降低地回路的影响，提高宽带匹配特性；

通过两级级联的本振滤波器，抑制本振频率中的二次谐波、三次谐波和四 次谐波；

通过中频输出端口输出中频信号。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的电路、混频器及方法，通过两级级联的本振滤波器，抑制了本振频率的二次、三次和四次谐波，一方面提高了混频器本振和射频的隔离度，另一方面降低了本振谐波信号的对混频器宽频带和低变频损耗性能实现的影响。

2、本公开所述的电路、混频器及方法，解决了宽频带和低变频损耗相互制约的矛盾问题，有效解决了325GHz～500GHz宽频段内低变频损耗实现的问题，保障了325GHz～500GHz高性能、低成本接收机的实现，满足了325GHz～500GHz频段高性能测试仪器的要求。

3、本公开所述的电路、混频器及方法，采用了双接地结构，一是保留了图1所示的射频探针接地，二是增加了用于混频的反向并联二级管处的近端接地，降低了地回路的影响，提高了宽带匹配特性。

4、本公开所述的电路、混频器及方法，本振和中频滤波器采用的是Harmmer head结构，该结构具有更小的尺寸，减小了信号传输过程中的损耗。

5、本公开所述的电路、混频器及方法，能在太赫兹宽频带内实现较低的变频损耗，为太赫兹宽频带、高性价比的太赫兹宽带接收机提供了解决方案，为高性能的太赫兹测试仪器、探测设备奠定了坚实的基础。

6、本公开所述的电路、混频器及方法，实现的四次谐波混频器在325GHz～500GHz全频段内变频损耗为15dB～22dB，损耗较小。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开背景技术中提供的现有的混频电路结构示意图。

图2(a)为本公开实施例1提供的太赫兹四次谐波混频电路的结构示意图。

图2(b)为本公开实施例1提供的混频器电路拓扑双地结构的局部放大电路。

图2(c)为本公开实施例1提供的混频器电路拓扑中二级滤波的局部放大电路。

图2(d)为本公开实施例1提供的325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的整体实现电路效果图。

图3为本公开实施例1提供的325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的测试图。

图4为本公开实施例1提供的两级滤波对宽频带带外杂散抑止情况的对比示意图。

图5(a)为本公开实施例1提供的双接地结构射频传输的影响示意图。

图5(b)为本公开实施例1提供的双地结构对混频器变频损耗性能的影响示意图。

图6为本公开实施例1提供的325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的变频损耗设计和实现情况的对比示意图。

101、射频输入端口；102、本振输入端口；103、中频输出端口；104、射频信号耦合传输单元；105、非线性器件；106、射频低通滤波器；107、本振信号耦合传输单元；108、中频滤波单元；109、接地探针；

201、射频输入端口；202、本振输入端口；203、中频输出端口；204、射频信号耦合传输单元；205、非线性反向并联二极管和匹配单元；206、本振滤波器；207、本振信号耦合传输单元；208、中频滤波单元；209、接地探针；210、第二接地；211、第一滤波器；212、第二滤波器；213、二极管；214、中频滤波元件。

301、二倍频器；302、三倍频器；303、325GHz～500GHz四次谐波混频器；304、中频信号输出端；306、325GHz～500GHz源模块；307、频谱分析仪；308、第一微波信号发生器；309、第二微波信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频器，图2(a)给出了本实施例提出的宽带太赫兹四次谐波混频器的电路拓扑，并在325GHz～500GHz 频段进行了设计验证，实现了在325GHz～500GHz全频段内变频损耗小22dB的技术指标。

与基于图1的结果相对比，在宽频带内实现了低变频损耗的目标，有效的解决了325GHz～500GHz测试仪器中对宽频带、高性能接收机的实现问题。

具体的，图2(a)为四次谐波混频器的整体实现拓扑，图2(b)为混频器电路拓扑双地结构的局部放大电路，图2(c)为混频器电路拓扑中二级滤波的局部放大电路，图2(d)为325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的整体实现电路。

图3是325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的测试图，其中的81.25GHz～125GHz频段的本振信号，采用6次倍频产生。

图4是两级滤波对宽频带带外杂散抑止情况的对比，图5(a)是双接地结构射频传输的影响，图5(b)是双地结构对混频器变频损耗性能的影响。图6是基于本实施例所述方式设计的325GHz～500GHz频段四次谐波混频器的变频损耗设计和实现情况的对比，由数据可以看出，在325GHz～500GHz全频段内变频损耗小于22dB，同时设计值与实现值具有较高的一致性。本实施例提供的混频器可有效解决太赫兹四次谐波混频器宽频带和高效率相互制约的技术问题，为高性价比的太赫测试仪器、太赫兹探测设备等奠定了坚实的基础。

本实施例提出太赫兹四次谐波混频电路如图2(a)所示，包含201射频输入端口、202本振输入端口和203中频输出端口，射频输入端口201和本振输入端口202均采用的是波导传输线结构；包含有204射频信号耦合传输单元、205非线性反向并联二极管和匹配单元、206本振滤波器、207本振信号耦合传输单元和208中频滤波单元。

如图2(c)所示，本振和中频滤波器采用的是Harmmer head结构，该结构具有更小的尺寸，减小信号传输过程中的损耗。同时为了抑止本振信号的杂散信号，采用了图2(c)所示的两级滤波器结构，分别为第一滤波器211和第二滤波器212，两级滤波器的截止频率分别是125GHz和250GHz，图4给出了设计结果，可以看出两级滤波级联结构可以实现200GHz～500GHz宽频带内高谐波抑止，不仅提高了325GHz～500GHz四次谐波混频器的隔离度，同时降低了杂波信号对混频器的影响，保障了325GHz～500GHz四次谐波混频器宽频带和低变频损耗性能的实现。

另外需要特别指出的是，本实施例提出了双接地结构设计，一个接地是靠近二极管，为第二接地210，另一个接地在射频传输单元如图2(b)所示，为探针接地209，采用分布式多回路电路拓扑形式，降低了地回路的影响，提高了宽带匹配特性。

图5(a)和图5(b)给出了理论设计结果的对比，混频器性能具有明显的提升，特别是在375GHz～500GHz这一频段，有效的保障了325GHz～500GHz宽频带和高性能的实现。

图2(d)是基于该本实施所述方式制造的325GHz～500GHz频段四次谐波混频器，电路采用的是50μm的石英基片，电路导带的最小线宽只有10μm，其中二极管为213，中频滤波元件为214。

可以理解的，在其他一些实施方式中，所述基片也可以是砷化镓基片，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。

基于本实施例所述方式设计的325GHz～500GHz四次谐波混频器测试如图3所示，301二倍频器和302三倍频器构成了325GHz～500GHz四次谐波混频器303 的本振链路，配合第一微波信号发生器309产生81.25GHz～125GHz频段的本振信号，325GHz～500GHz频段的射频信号由第二微波信号发生器308和325GHz～500GHz源模块306产生，中频信号由中频信号输出端304输出，中频信号由频谱分析仪307分析测试。

实施例2：

本公开实施例1提供了一种宽带太赫兹四次谐波混频器的工作方法，利用本公开实施例1所述的太赫兹四次谐波混频器，包括以下步骤：

接收325GHz～500GHz频段的射频信号和81.25GHz～125GHz频段的本振信号；

通过用于混频的反向并联二级管处的近端接地，降低地回路的影响，提高宽带匹配特性；

通过两级级联的本振滤波器，抑制本振频率中的二次谐波、三次谐波和四次谐波；

通过中频输出端口输出中频信号。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结 合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种宽带太赫兹四次谐波混频电路，其特征在于，包括依次连接的射频信号耦合传输单元、非线性器件、本振滤波器、本振信号耦合传输单元和中频滤波单元；

   还包括射频输入端口、本振输入端口和中频输出端口，所述射频输入端口与射频信号耦合传输单元连接，本振输入端口与本振信号耦合传输单元连接，中频输出端口与中频滤波单元的输出端连接，所述本振滤波器为两级级联的滤波器结构。
2. 如权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频电路，其特征在于，两级级联的滤波器的截止频率分别是125GHz和250GHz。
3. 如权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频电路，其特征在于，所述射频信号耦合传输单元连接有用于接地的射频探针，非线性反向并联二极管的近端接地。
4. 如权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频电路，其特征在于，本振滤波器和中频滤波器采用的是Harmmer head滤波器。
5. 如权利要求1所述的太赫兹四次谐波混频电路，其特征在于，射频输入端口和本振输入端口均采用波导传输线结构。
6. 一种宽带太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的混频电路，所述混频电路设置在基片上。
7. 如权利要求6所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，电路导带的最小线宽为10微米；

   或者，所述基片包括但不限于石英基片和砷化镓基片中的一种。
8. 如权利要求6所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，由二倍频器 和三倍频器构成本振链路，配合第一信号发生器产生81.25GHz～125GHz频段的本振信号。
9. 如权利要求6所述的太赫兹四次谐波混频器，其特征在于，325GHz～500GHz频段的射频信号由第二信号发生器和325GHz～500GHz源模块产生。
10. 一种宽带太赫兹四次谐波混频器的工作方法，其特征在于，利用权利要求6-9所述的太赫兹四次谐波混频器，包括以下步骤：

    接收325GHz～500GHz频段的射频信号和81.25GHz～125GHz频段的本振信号；

    通过用于混频的反向并联二级管处的近端接地，降低地回路的影响，提高宽带匹配特性；

    通过两级级联的本振滤波器，抑制本振频率中的二次谐波、三次谐波和四次谐波；

    通过中频输出端口输出中频信号。

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