一種新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器的製作方法

2023-05-13 05:17:26

本發明屬於單片集成次諧波混頻器技術領域，尤其涉及的是一種新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器。

背景技術：

混頻器作為太赫茲雷達、通信、探測及測試儀器等系統的重要組成部分，一直是太赫茲領域研究的重要課題。隨著各接收系統對工作帶寬、測試靈敏度以及探測距離等指標的要求不斷提高，對混頻器的帶寬、變頻損耗和噪聲係數也提出了更高的要求。

目前，太赫茲頻段單片集成次諧波混頻器主要有兩種實現形式：一種是基於反並二極體對(anti-paralleldiodepair，apdp)結構的次諧波混頻器，另一種是基於fet/hemt的平衡式次諧波混頻器。基於apdp結構的太赫茲單片集成次諧波混頻器多採用傳統的本振信號四分之一波長開路枝節和射頻信號二分之一波長短路枝節實現埠的阻抗匹配，存在帶寬小、晶片面積比較大，製造成本高等問題。基於fet/hemt的平衡式次諧波混頻器則是採用四分之一或二分之一波長枝節實現本振信號的90°或180°的移相，帶寬特性同樣不好，晶片面積比較大。如美國universityofsiegen的ullrichr.pfeiffer等採用0.13μmsigebicmos工藝設計了基於反並二極體對結構d波段tmic次諧波混頻器，該電路3db帶寬僅有10ghz，面積為0.43×0.78mm2。瑞典chalmersuniversityoftechnology的yuyan等採用0.1μmgaasmhemt工藝設計了一款g波段tmic次諧波混頻器，fet柵極注入的本振信號由一個二分之一本振波長的傳輸線實現差分，射頻信號是通過一個耦合線形式的功分器饋入，混頻器所產生的差分的中頻採用片外巴倫合成。該混頻器的轉換損耗最小值為12db，3db帶寬為20ghz，面積比較大為1.1×0.7mm2。

對於頻率比較低的微波頻段，已有幾種方式用於提高混頻器的帶寬、減小晶片面積。臺灣國立大學linch等採用定向耦合器加載射頻和本振信號，中頻信號通過一低通濾波器引出。該電路還需要額外的射頻信號四分之一波長短路枝節為管對提供直流接地迴路，同時本振到射頻的埠隔離度只有17db，3db帶寬只有13ghz。如圖2所示，東南大學的嚴蘋蘋等採用三耦合線設計了一款ka的單片集成次諧波混頻器，該混頻器的耦合線長度為本振信號八分之一波長，需要串聯電阻實現本振信號的泵注，使得本振信號功率消耗比較大為15dbm。上述的兩種拓撲結構均為二次諧波混頻器，本振信號頻率為射頻信號頻率的一半，為了保證射頻信號低損耗傳輸所採用的耦合器長度均為射頻信號四分之一波長，該長度為本振信號的八分之一波長，因此需要額外的電阻，實現本振信號的饋入，這種方式本振信號的插損比較大。

因此，現有技術存在缺陷，需要改進。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器。

本發明的技術方案如下：新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器，包括射頻和本振信號加載耦合器，並聯接地的兩隻反向並聯二極體構成的二極體對、中頻輸出放大器電路以及低通濾波器；射頻信號由第一共面波導經二分之一射頻信號波長的射頻帶阻濾波器濾波後，再由第二共面波導注入到二極體對的中間引腳上；本振信號是由第三共面波導經四分之一本振信號波長的本振帶通濾波器濾波後，再由第二共面波導注入到由二極體對的中間引腳上，與射頻信號進行混頻；混頻所產生的中頻信號由第四共面波導和隔直電容引出到中頻輸出放大器電路，經緩衝放大後，經低通濾波器濾波後由第五共面波導輸出。

上述混頻器，其中，二分之一射頻信號波長λrf/2與四分之一λlo/4本振信號波長長度相等。

上述混頻器，其中，將二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器和四分之一本振信號波長的帶通濾波器的兩條金屬導體共用，構成射頻和本振信號加載耦合器。

上述混頻器，其中，射頻帶阻濾波器在接地導體的外側添加一條金屬導線，與射頻信號輸入導體之間通過under-pass連接。

上述混頻器，其中，本振帶通濾波器，在本振信號的輸入導體外側再添加一條金屬導體，通過underpass與內側導體相連。

採用上述方案，使用並聯接地的肖特基二極體對作為混頻元件，射頻和本振信號經多導體耦合器泵注到管對實現混頻；混頻產生的中頻信號通過一個共源放大器和低通濾波器引出。多導體耦合器可以在超寬的頻帶內實現射頻和本振信號的低損耗傳輸，共面波導易於實現耦合線的接地；中頻放大器不僅可以提高混頻器的轉換增益，還可以提高本振和射頻到中頻埠的隔離度。因此，該電路結構不但有效解決了太赫茲單片集成次諧波混頻器的寬帶頻率覆蓋問題，還大大降低了混頻器的轉換損耗、改善埠隔離度、減小了晶片面積。根據該技術所研製的超寬帶混頻器工作頻率實現太赫茲波d波段或g波段的全頻段覆蓋，並且可在超寬頻率範圍內獲得較低的變頻損耗與隔離度等性能指標。本發明實現了太赫茲單片集成次諧波混頻器在超寬工作頻率範圍，具有低變頻損耗、低製造成本、高埠隔離度等性能指標。

附圖說明

圖1為現有技術中ka波段次諧波混頻器原理圖之一。

圖2為現有技術中ka波段次諧波混頻器原理圖之二。

圖3為本發明新型太赫茲寬帶次諧波混頻器的原理圖之一。

圖4為本發明新型太赫茲寬帶次諧波混頻器的原理圖之二。

圖5為本發明基於共面波導的多導體耦合器結構示意圖。

圖6為本發明基於共面波導的中頻輸出放大器結構示意圖。

圖7為本發明基於共面波導的改進型多導體耦合器結構示意圖。

圖中：1為多導體耦合器，2為並聯接地的反並二極體對，3為中頻輸出放大器電路，4低通濾波器，5、6、9、10、14為共面波導，7為射頻帶阻濾波器，8為本振帶通濾波器，11為隔直電容，12為柵極偏置網絡，13為漏極偏置網絡，15改進型多導體耦合器。

具體實施方式

本發明通過對國內外毫米波/太赫茲混頻技術的深入分析和研究，提出了兩種新型的基於共面波導(coplanarwaveguide，cpw)多導體耦合器(multi-conductorscoupler)的次諧波混頻器。以下結合附圖和具體實施例，對本發明進行詳細說明。

首先，對本發明應用的頻率範圍進行說明。本發明最適宜的應用頻段為太赫茲波的低頻段——d波段和g波段，從110ghz延伸到220ghz。在d波段以下，高性能的本振源易於實現，對次諧波混頻器的需求不像太赫茲頻段那麼迫切。本發明設計的次諧波混頻器採用二次諧波混頻的形式，正好解決了目前d波段和g波段缺少高性能本振源給基波混頻器設計所帶來的困難。

實施例1

如圖3所示，本發明所提出的新型的基於共面波導多導體耦合器的次諧波混頻器結構分成四個部分，分別是射頻和本振信號加載耦合器1，並聯接地的兩隻反向並聯二極體構成的二極體對2、中頻輸出放大器電路3以及低通濾波器4。

基於共面波導多導體耦合器的次諧波混頻器的電路實現如圖5所示。在混頻器的電路結構中，射頻信號由第一共面波導5經二分之一射頻信號波長的射頻帶阻濾波器7濾波後，再由第二共面波導9注入到兩隻反向並聯二極體構成的二極體對2的中間引腳上；本振信號是由第三共面波導6經四分之一本振信號波長的本振帶通濾波器8濾波後，再由第二共面波導9注入到由兩隻反向並聯二極體構成的二極體對2的中間引腳上，與射頻信號進行混頻。由於該混頻器為二次諧波混頻，射頻信號頻率是本振信號頻率的兩倍，因此，二分之一射頻信號波長(λrf/2)與四分之一本振信號波長(λlo/4)長度相等。為節省面積，本發明中將二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器7和四分之一本振信號波長的帶通濾波器8的兩條金屬導體共用，構成射頻和本振信號加載耦合器1。混頻所產生的中頻信號由第四共面波導10和隔直電容11引出到中頻輸出放大器電路3處，經緩衝放大後，經低通濾波器4濾波後由第五共面波導14輸出。受自身寄生參數的影響，隔直電容11可以防止頻率比較高的射頻和本振信號向中頻埠洩漏。由於hemt器件的輸出阻抗與埠50歐姆標準輸出阻抗相距甚遠，在不加入中頻輸出放大器電路的情況下實現中頻信號的無損匹配比較困難，因此，在混頻器的輸出級加入中頻輸出放大器電路3。中頻輸出放大器電路3的直流工作電壓分別通過柵極偏置網絡12和漏極偏置網絡13加載，中頻輸出放大器電路3一方面降低了中頻信號阻抗匹配的難度，另一方面還可以降低混頻器的轉換損耗、提高埠隔離度。由於耦合器的耦合係數與金屬導體間隙、寬度密切相關；間隙越小，耦合係數越大，但是實際加工中導體的寬度和間隙都是有一定限制的，例如對於襯底厚度為100μm的gaas工藝，一般間隙和導體寬度的最小值均為3μm。為了進一步增加耦合器的耦合係數，降低加工難度，可以通過增加導體數量的方法對如圖3所示的射頻和本振信號加載耦合器做一定的改進，原理結構圖詳見圖4。基於共面波導的混頻器電路實現如圖7所示，與圖5中射頻帶阻濾波器7相比，接地導體的外側添加了一條金屬導線，與射頻信號輸入導體之間通過under-pass連接；與圖5中本振帶通濾波器8相比，本振信號的輸入導體外側再添加了一條金屬導體，也是通過underpass與內側導體相連。這種改進型的多導體耦合器功能與圖5中射頻和本振信號加載耦合器功能相同；組成太赫茲單片集成次諧波混頻器時，二極體對2、中頻輸出放大器3以及低通濾波器4均保持不變。

上述方案與微帶線相比，共面波導在高頻工作時的傳輸損耗比較低。因此，本發明使用共面波導作為射頻和本振通道傳輸線，大大降低了信號傳輸至混頻二極體對功率損失，將因信號功率損耗導致的對混頻器變頻損耗以及本振信號功率消耗的影響降至最低。採用本發明所提出的基於共面波導多導體耦合器的次諧波混頻器結構可以實現超寬帶混頻器，工作頻率可以覆蓋太赫茲波低端的d波段或g波段的超寬頻率範圍。

本發明所提出的超寬帶混頻結構具有以下特點與創新：

(1)工作頻帶寬：可實現太赫茲波低端的d波段或g波段的全頻段覆蓋；

(2)轉換損耗小：基於共面波導的多導體耦合器實現射頻和本振信號的低損耗傳輸，同時還採用共源放大器實現中頻信號的輸出，降低混頻器的轉換損耗；

(3)面積小：射頻和本振信號由基於共面波導多導體耦合器加載，省去由傳統四分之一波長枝節和二分之一波長枝節構成的匹配網絡，減小了晶片面積；

(4)隔離度高：共源放大器實現中頻信號的輸出，對洩露到中頻埠的射頻和本振信號實現了很好的抑制；

(5)混頻產物少：採用反向並聯接地的二極體對作為混頻元件，混頻產物中只包含本振信號的偶次諧波混頻產物。

本發明的保護點有如下幾項：

(1)太赫茲單片集成、寬帶次諧波混頻器的結構形式和實現方式：即採用基於共面波導多導體耦合器構成的次諧波混頻器基本結構，該結構採用共面波導作為射頻和本振通道傳輸線以在比較寬頻率範圍內降低信號的損耗，同時採用中頻共源放大器以減小混頻器的轉換損耗、提高埠隔離度。該結構不僅可應用與太赫茲波低端的d波段或g波段，還可以向頻率比較低的毫米波頻段延伸。

(2)基於共面波導的多導體耦合器：由於混頻器的射頻信號頻率為本振信號頻率的兩倍，則加載射頻信號的二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器和加載本振信號的四分之一本振信號波長的帶通濾波器長度相同。為節省晶片面積，將兩個濾波器結構相同的部分共用。同時還採用共面波導結構，使得耦合器的接地更加容易。該結構具有結構簡單易於實現，損耗低及頻帶寬等優點。

(3)基於共面波導的改進型多導體耦合器：由於耦合器的耦合係數與導體間隙、寬度密切相關，間隙越小，耦合係數越大。但是實際加工中導體的寬度和間隙是有一定限制的。為了進一步增加耦合器的耦合係數，降低加工難度，通過在導體的外側增加導體數量可以增加耦合器的耦合係數，進而降低信號的傳輸損耗。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。