一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路
阅读说明：本技术 一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路 (Solid terahertz monolithic second harmonic mixer circuit ) 是由 刘锶钰 张德海 孟进 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路,所述混频器电路包括射频输入波导、本振输入波导和单片电路基板；单片电路基板上集成射频输入波导耦合探针、肖特基势垒二极管、本振低通滤波器、本振耦合探针和中频低通滤波器；所述射频耦合探针、肖特基势垒二极管、本振低通滤波器、本振耦合探针和中频低通滤波器依次通过金属带状线连接；所述单片电路基板通过梁氏引线方式与射频输入波导和本振输入波导的腔体固定；所述单片电路基板的射频输入端设置射频接地,射频接地通过射频接地探针与射频端腔体连接；所述单片电路基板的中频信号输出端设置中频连接SMA探针,中频连接SMA探针与SMA连接。本发明适合于极小沟道尺寸的太赫兹器件设计。(The invention provides a solid terahertz monolithic second harmonic mixer circuit, which comprises a radio frequency input waveguide, a local oscillator input waveguide and a monolithic substrate; a radio frequency input waveguide coupling probe, a Schottky barrier diode, a local oscillator low-pass filter, a local oscillator coupling probe and an intermediate frequency low-pass filter are integrated on the single chip circuit substrate; the radio frequency coupling probe, the Schottky barrier diode, the local oscillator low-pass filter, the local oscillator coupling probe and the intermediate frequency low-pass filter are connected in sequence through a metal strip line; the monolithic circuit substrate is fixed with cavities of the radio frequency input waveguide and the local oscillator input waveguide in a beam lead mode; the radio frequency input end of the monolithic substrate is provided with a radio frequency ground, and the radio frequency ground is connected with the radio frequency end cavity through a radio frequency ground probe; the intermediate frequency signal output end of the single chip circuit substrate is provided with an intermediate frequency connection SMA probe, and the intermediate frequency connection SMA probe is connected with the SMA. The terahertz device is suitable for designing terahertz devices with extremely small channel sizes.)
技术领域
本发明属于太赫兹固态单片电路器件领域，具体为一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路。
背景技术
太赫兹波作为电磁波频谱的一部分，波长范围从3mm到30μm，对应的频率范围从100GHz到10THz，包括毫米波(30～300GHz)一部分，整个亚毫米波段以及红外波(从3THz到可见光)的低端。它介于这两个研究发展已经相对成熟的频谱(微波与光波)之间，无论在研究方面还是在应用方面，太赫兹科学技术仍处于一个相对不成熟的领域，这方面的研究较少，所以这一波段亦被称为“THz空隙”。
由于工艺的限制及太赫兹源的缺乏，对太赫兹较高频段的器件及系统研究较少，有待进一步的开发和研究。太赫兹较高频段具有频带宽的特性，适用于通信中，其中1.03THz的频段是相对宽阔的一个大气窗口，可适用于短距离高速通信及未来星际探测中星间保密通信。对太赫兹相关领域越来越深入的探索，太赫兹器件的研究也不断向更高频率和更优性能发展。目前，太赫兹较高频段器件设计过程中制约因素很多，研究相对较少。
随着工作频率逐渐提高，工作波长越来越短，加工误差和安装偏差对器件性能影响较大。分立器件的设计逐渐被各部分引入的误差所制约，单片电路的性能相比于分立器件会更好很多。单片电路可以提高设计集成度并且尽可能减小安装过程中引入的误差，使得太赫兹频段器件性能的实现更加稳定。因此，单片电路在太赫兹较高频段的设计与加工环境都很重要。单片电路的发展促进了太赫兹频段器件的设计和系统的搭建，太赫兹器件的实现与性能提高对太赫兹科学的探索起到了重要的作用。
国内半导体集成电路产线的发展可以满足加工太赫兹频段单片电路的要求，基于GaAs基底的单片工艺可实现10μm左右的基板厚度，很大程度上减小介质基板带来的损耗。同时，肖特基势垒二极管阳极结直径也实现了小于1μm的工艺条件，可以实现太赫兹较高频段器件的设计。随着单片工艺快速的发展，国内产线条件已可以满足太赫兹电路的尺寸要求。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种应用于太赫兹频段的单片二次谐波混频器电路，该单片二次谐波混频器的电路能够有效改善由于分立肖特基势垒二极管安装带来的位置误差和成品率低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路，所述混频器电路包括射频输入波导、本振输入波导和单片电路基板；单片电路基板上集成射频输入波导耦合探针、肖特基势垒二极管、本振低通滤波器、本振耦合探针和中频低通滤波器；
所述射频耦合探针、肖特基势垒二极管、本振低通滤波器、本振耦合探针和中频低通滤波器依次通过金属带状线连接；
所述单片电路基板通过梁氏引线方式与射频输入波导和本振输入波导的腔体固定；所述单片电路基板的射频输入端设置射频接地，射频接地通过射频接地探针与射频端腔体连接；所述单片电路基板的中频信号输出端设置中频连接SMA探针，中频连接SMA探针与SMA连接。
所述射频输入波导的信号和本振输入波导的信号通过本振低通滤波器形成射频端到本振端的信号隔离，波导腔体形成本振端到射频端的信号隔离。
所述肖特基势垒二极管采用GaAs基底的反向并联肖特基势垒二极管，直接生长在单片电路基板上，两个手指桥呈反向并联的关系。
梁氏引线方式的引线电路涂抹导电胶与混频器的腔体连接。
一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路，所述太赫兹单片二次谐波混频器电路包括射频输入波导、本振输入波导和单片电路基板。其中，单片电路基板集成射频耦合探针、本振耦合探针、本振低通滤波器、中频低通滤波器、反向并联肖特基势垒二极管以及匹配电路结构。
本发明的太赫兹单片二次谐波混频器电路射频输入端与混频器金属腔体粘合，中频信号输出端通过涂胶的方式与SMA输出连接。
本发明的单片二次谐波混频器电路射频接地探针与混频器金属腔体的任意位置粘合即可。
本发明提出一种基于梁氏引线形式的太赫兹固态单片二次谐波混频器，采用Ⅲ-Ⅴ族元素GaAs作为介质基底。
本发明采用反向并联肖特基势垒二极管直接生长在GaAs材质的介质基板上，无需通过导电胶连接在整体电路中。直接将二极管结构生长在介质基板上，可以使得二极管相对于电路的位置确定、二极管尺寸更小以及成品率更高。同时，通过梁氏引线方式将电路固定在腔体中，相较于传统的悬置微带线方式，导电胶对电路的影响更小，更适合于极小沟道尺寸的太赫兹器件设计。太赫兹单片形式电路结构极大程度上解决了太赫兹器件太小导致的装配误差，使得太赫兹电路可以实现。随着太赫兹频段探索越来越深入，太赫兹单片电路成为实现太赫兹器件和系统搭建的重要方式。
附图说明
图1为本发明固态太赫兹单片二次谐波混频器电路的电路结构图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明电路中反向并联肖特基势垒二极管的设置图；
图4为本发明电路中射频输入端的连接图；
图5为本发明电路中中频信号输出端的连接图；
图6为本发明单片电路基板的结构图；
图7为单片二次谐波混频器的仿真结果图；
附图标记：
1、射频输入波导；2、本振输入波导；3、射频耦合探针；4、本振耦合探针；5、肖特基势垒二极管；6、本振低通滤波器；7、中频低通滤波器；8、GaAs介质基板；9、射频接地；10、平面电路腔体；11、梁氏引线；12、肖特基势垒二极管pad1；13、肖特基势垒二极管pad2；14、肖特基势垒二极管手指；15、射频接地探针；16、中频连接SMA探针。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1-6所示，一种固态太赫兹单片二次谐波混频器电路，所述混频器电路包括射频输入波导1、本振输入波导2和单片电路基板；单片电路基板上集成射频输入波导耦合探针3、肖特基势垒二极管5、本振低通滤波器6、本振耦合探针4和中频低通滤波器7；
所述射频耦合探针3、肖特基势垒二极管5、本振低通滤波器6、本振耦合探针4和中频低通滤波器7依次通过金属带状线连接；
所述单片电路基板通过梁氏引线方式与射频输入波导1和本振输入波导2的腔体固定；所述单片电路基板的射频输入端设置射频接地9，射频接地9通过射频接地探针15与射频端腔体连接；所述单片电路基板的中频信号输出端设置中频连接SMA探针16，中频连接SMA探针16与SMA连接。
所述射频输入波导的信号和本振输入波导的信号通过本振低通滤波器形成射频端到本振端的信号隔离，射频波导腔体形成本振端到射频端的信号隔离。
所述肖特基势垒二极管采用GaAs基底的反向并联肖特基势垒二极管，直接生长在单片电路基板上，两个手指桥呈反向并联的关系。
梁氏引线方式的引线电路涂抹导电胶与混频器的腔体连接。
本实施例为1THz单片二次谐波混频器，其电路结构如图1所示，主要包括本振输入波导2、射频输入波导1、GaAs介质基板8、平面电路腔体10、射频接地9、本振低通滤波器6、中频低通滤波电路7、肖特基势垒二极管5、梁氏引线11。
本实施例中，平面电路腔体10是图1中等高的矩形腔体，构成电路结构的一部分。
混频器金属腔体包括波导的腔体以及电路的腔体等。
如图1所示，射频输入波导采用WR0.8标准矩形波导，截面尺寸为0.203mm*0.102mm，射频耦合探针结构采用E面探针形式。本振输入波导采用WR1.9标准矩形波导，截面尺寸为0.483mm*0.241mm，本振输入波导经过减高后的截面尺寸为0.483mm*0.15mm。
其中，反向并联肖特基势垒二极管直接生长在介质基板上，无需再次人工安装，可以有效避免安装过程中引入的误差。二极管尺寸、介质基板厚度等因素都可以得到有效的减小，不会受到操作空间的限制。梁氏引线结构通过导电胶与腔体的连接取代带状线结构的安装，可以有效的提高了电路结构可设计空间。
本实施例1THz单片二次谐波混频器电路的俯视图如图2所示。使得图1中的信息更加完善和清晰。
如图3所示，单片二次谐波混频电路中的反向并联式肖特基势垒二极管5采用在GaAs介质基板8上生长的方式实现。GaAs介质基板8厚度在15μm左右，作为反向并联肖特基势垒二极管的介质衬底。
如图4所示，单片二次谐波混频电路中的射频接地9由射频接地探针15与腔体通过导电胶相连的方式。
如图5所示，单片二次谐波混频电路中的输出端中频低通滤波器7由导电胶连接中频连接SMA探针16与SMA。
如图6所示，单片二次谐波混频电路介质基板为GaAs，包括反向并联的肖特基势垒二极管5、本振耦合探针4、射频耦合探针3、和中频低通滤波电路7。所述GaAs介质基板厚度为15μm，正面采用生长金材料的带状线作为电路结构，金的厚度为2μm。
本发明通过在GaAs介质基板上生长反向并联肖特基势垒二极管，可以有效提高了二极管相对于电路中位置的准确性。本实施例，基于GaAs单片工艺线完成1THz单片二次谐波混频器的设计。其中反向并联肖特基势垒二极管作为核心设计，结构如图3所示，肖特基势垒二极管pad1 12和肖特基势垒二极管pad2 13之间的肖特基势垒二极管手指14采用反向并联设置。
本实施例的1THz单片二次谐波混频器的仿真结果如图7所示，图7所示横坐标为射频信号频率(单位：THz)，纵坐标为单边带变频损耗(单位：dB)，仿真设计采用谐波平衡方法，射频信号频率f1＝0.98-1.04THz、本振信号频率f2＝1.02THz、射频信号功率-20dBm、本振信号功率6mW。在0.985-1.035THz范围内，该混频器的单边带变频损耗优于为-10dB，最佳单边带转换损耗为-7.5dB。单边带变频损耗定义为中频信号输出功率与射频输入信号功率的比值。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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