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CN113098401B - 一种太赫兹d波段四次谐波混频器 - Google Patents

一种太赫兹d波段四次谐波混频器 Download PDF

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Abstract

一种太赫兹D波段四次谐波混频器，属于太赫兹变频器件技术领域，解决如何设计一种低损耗、平面结构的太赫兹D波段四次谐波混频器的问题，射频四分之一波长耦合线位于射频输入端，其后依次连接射频输入匹配电路、反向并联肖特基二极管对、本振中频输出匹配电路、低通滤波器和输出双工器；射频输入匹配电路以及本振中频输出匹配电路分别由两段或者多段微带传输线串联构成；本发明提供的太赫兹D波段四次谐波混频器，具有插入损耗低、能显著降低本振频率的优点，由于该混频器是平面结构，便于直接与其他射频电路直接平面集成，降低了系统复杂度及成本。

Description

一种太赫兹D波段四次谐波混频器
技术领域
本发明属于太赫兹变频器件技术领域，涉及一种太赫兹D波段四次谐波混频器。
背景技术
随着现代通信/雷达技术的发展，微波频段的频谱资源越来越难以满足人们日益增长的带宽需求，因此越来越多的应用寻求向毫米波高端及太赫兹频段发展。太赫兹波段(频率＞0.1THz)由于频率高，频谱资源极其丰富，例如D波段(110-170GHz)的频谱覆盖带宽达60GHz，仅仅一个波段的频谱资源就超过了整个微波频段。
太赫兹波段的器件对材料工艺、设计方法以及测试平台等都有较高的要求，此外也由于目前太赫兹频段明确的商业应用较少或规模有限，太赫兹波段商用器件的种类及厂家相对都较少，器件的系列也不全，这给太赫兹波段系统应用研究带来了一定的困难。
混频器是太赫兹收发系统的核心器件之一，通过混频器可以将低频段的信号上变频到太赫兹波段并发射出去，也可以将太赫兹信号下变频到中频频段进行信息的分析处理。谐波混频器是混频器的一种，采用本振信号的谐波进行混频，可以有效的降低对本振频率的要求，显著降低系统复杂程度及成本。
对于太赫兹波段谐波混频技术，国内外公开报道的一般都采用基于波导或腔体的立体三维结构电路。
公开日期为2012年的文献《110-170GHz Sub-Harmonic Mixer Based onSchottky Barrier Diodes》(Wang Cheng,Deng Xianjin,Miao Li,Yan jun.ICMMT)报道了一种基于波导及悬置微带线的二次谐波混频器，射频频率覆盖110-170GHz。公开日期为2014年的文献《A 340GHz Sub-Harmonic Mixer Based on Planar Schottky Diodes》(LiMiao,Jun Jiang,Cheng Wang等.IRMMW-THz)报道了一种340GHz基于波导及悬置微带线的二次谐波混频器，典型单边带损耗为11dB。公开日期为2013年的文献《Design of 220GHzand 425GHz TMIC Membrane Sub-Harmonic Mixers》(Bo Zhang,Yong Fan,Zhe Chen等.UCMMT)报道了一种基于波导及悬置微带线，TMIC工艺的二次谐波混频器，分别设计了200GHz以及425GHz两款倍频器。公开日期为2015年的文献《A 340GHz MMIC 4×Sub-harmonic Mixer Using Silicon-based Schottky Barrier Diodes》(Chao Liu,Qiang Liand Yong-Zhong Xiong.Micromachines)报道了一种Si基四次谐波混频器芯片，变频损耗40-44dB。
由此可知，采用Si基工艺设计的谐波混频器，但变频损耗较高；已报道的谐波混频器大多采用波导及腔体结构，传输线采用悬置微带线来提高电路Q值和降低寄生参数影响，但是这种结构无法实现平面集成，增加了系统的复杂程度。
发明内容
本发明的目的在于如何设计一种低损耗、平面结构的太赫兹D波段四次谐波混频器。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种太赫兹D波段四次谐波混频器，包括：射频四分之一波长耦合线(1)、射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)；所述射频四分之一波长耦合线(1)位于射频输入端，其后依次连接射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)；所述射频输入匹配电路(2)以及本振中频输出匹配电路(4)分别由两段或者多段微带传输线串联构成；所述输出双工器(6)包括本振四分之一波长耦合线(61)、紧凑微带谐振单元(62)以及高阻线(63)；所述的本振四分之一波长耦合线(61)的一端与低通滤波器(5)的输出端连接、本振四分之一波长耦合线(61)的另一端作为本振信号端口；所述的紧凑微带谐振单元(62)的一端通过高阻线(63)与本振四分之一波长耦合线(61)的一端连接、紧凑微带谐振单元(62)的另一端作为中频端口。
作为本发明技术方案的进一步改进，作为下变频使用时，接收到的射频信号由射频信号端口经过射频四分之一波长耦合线(1)以及射频输入匹配电路(2)后到达反向并联肖特基二极管对(3)；本振信号由本振信号端口输入，经过输出双工器(6)中的本振四分之一波长耦合线，低通滤波器(5)以及本振中频输出匹配电路(4)后到达二极管对(3)；射频信号与本振信号在二极管对(3)中完成混频，所产生的中频信号经过输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)及输出双工器(6)后在中频端口输出。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的射频四分之一波长耦合线(1)的耦合线长度为中心频率处的微带线的四分之一波长，耦合线宽及间距均为20um。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述反向并联肖特基二极管对(3)将本振奇次谐波限制在二极管对以内。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述低通滤波器(5)采用CMRC结构。
本发明的优点在于：
(1)与现有技术相比，本发明提供的太赫兹D波段四次谐波混频器，具有插入损耗低、能显著降低本振频率的优点。
(2)由于该混频器是平面结构，便于直接与其他射频电路直接平面集成，降低了系统复杂度及成本。
附图说明
图1为本发明实施例的太赫兹D波段四次谐波混频器的结构示意图；
图2为本发明实施例的太赫兹D波段四次谐波混频器的射频四分之一波长耦合线模型及仿真结果图；
图3为本发明实施例的太赫兹D波段四次谐波混频器的输出双工器的模型及仿真结果图；
图4为本发明实施例的太赫兹D波段四次谐波混频器的变频损耗的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种太赫兹D波段四次谐波混频器，包括：射频四分之一波长耦合线(1)、射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)；所述射频四分之一波长耦合线(1)位于射频输入端，其后依次连接射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)。
工作原理：太赫兹D波段四次谐波混频器在作为下变频使用时，接收到的射频信号由射频信号端口经过射频四分之一波长耦合线(1)以及射频输入匹配电路(2)后到达反向并联肖特基二极管对(3)；本振信号由本振信号端口输入，经过输出双工器(6)中的本振四分之一波长耦合线，低通滤波器(5)以及本振中频输出匹配电路(4)后到达二极管对(3)；射频信号与本振信号在二极管对(3)中完成混频，所产生的中频信号经过输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)及输出双工器(6)后在中频端口输出。
本实施例以D波段(110～170GHz)四次谐波混频器为例具体介绍其中各个单元电路的设计，对于其他频段的设计同样有效。
混频器设计指标包括，射频频率：110～170GHz，中频频率：DC～12GHz，四次谐波混频本振频率：27.5～45.5GHz。
射频四分之一波长耦合线(1)的耦合线长度为中心频率(140GHz)处的微带线的四分之一波长。耦合线的宽度越细，耦合线之前的间距越小，耦合度越高，带宽也越宽。本设计取耦合线宽及间距都为20um，图2给出了相应的仿真结果。由结果可以看出，耦合线能够工作在110～170GHz全频段，S11小于-15dB。且在频率45.5GHz处(本振最高频点)抑制大于11dB，频率越低抑制越好。由此可以看出，射频四分之一波长耦合线(1)能够满足设计要求，即通过射频信号，而抑制本振及中频信号。
所述射频输入匹配电路(2)和本振中频输出匹配电路(4)分别由两段(也可多段)微带传输线串联构成，通过调整微带线的线宽和长度来优化混频器的变频损耗，从而得到最终的所有的电路参数。所述射频输入匹配电路(2)和本振中频输出匹配电路(4)分别位于反向并联肖特基二极管对(3)两侧，用于反向并联肖特基二极管对(3)输入及输出的匹配。以最低变频损耗为目标，调整所述射频输入匹配电路(2)和本振中频输出匹配电路(4)的匹配传输线的长度和宽度，直到达到要求的变频损耗值为止，实现匹配电路的尺寸优化，使得电路在本振四次谐波上实现最佳匹配，从而实现低损耗变频。
所述反向并联肖特基二极管对(3)将本振奇次谐波限制在二极管对以内，有效地抑制本振奇次谐波，将有限的功率用于偶次谐波，从而降低谐波混频器的变频损耗。
所述低通滤波器(5)同样采用CMRC结构，用于抑制射频泄露信号，低通滤波器(5)可以通过本振及中频信号，而对射频信号具有抑制作用，低通滤波器(5)还具有提供射频信号回路(等效地)的作用。
所述输出双工器(6)包括本振四分之一波长耦合线(61)、紧凑微带谐振单元(62)(Compact Microstrip Resonant Cell，CMRC)以及高阻线(63)；所述的本振四分之一波长耦合线(61)的一端与低通滤波器(5)的输出端连接、本振四分之一波长耦合线(61)的另一端作为本振信号端口；所述的紧凑微带谐振单元(62)的一端通过高阻线(63)与本振四分之一波长耦合线(61)的一端连接、紧凑微带谐振单元(62)的另一端作为中频端口。
CMRC结构具有结构紧凑，阻带宽、带外抑制好的优点。CMRC结构通过高阻线(63)与本振四分之一波长耦合线(61)相连，从而降低CMRC结构对本振四分之一波长耦合线(61)通带内阻抗的影响。
图3给出了输出双工器(6)的仿真结果，由结果可以看出，所述输出双工器(6)能够很好的实现本振及中频信号的分离。
把射频四分之一波长耦合线(1)、反向并联肖特基二极管对(3)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)的三维电磁场仿真得到的S参数导入到电路仿真软件。
图4给出了D波段四次谐波混频器的最终变频损耗仿真结果，由图可以看出，在D波段全频段范围内，变频损耗在-21～-17dB之间，能够满足该频段上下变频的应用需求。
采用四次谐波混频器进行上下变频的目的是有效降低对本振频率的需求，与基波混频器相比，本振频率可以降低为四分之一，大大降低了变频本振的设计难度及成本。
在变频变频损耗方面，四次谐波混频器大于基波混频器，但是现在D波段已经有商用低噪声放大器器件，变频系统的灵敏度可以由低噪放来保证，所以从系统的灵敏度性能角度来说，对混频器本身的损耗不敏感，这就使得我们可以在变频损耗和本振频率两者之间进行权衡。在D波段全频段范围内，四次谐波混频器的变频损耗在13～15dB之间，由于D波段已经有商用低噪声放大器，可以用来有效保证接收变频系统的灵敏度性能，虽然四次谐波混频器的损耗高于基波混频器(一般10dB左右)，但是可以有效降低对本振频率源的需求，是目前D波段接收系统的有效解决方案。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种太赫兹D波段四次谐波混频器，其特征在于，包括：射频四分之一波长耦合线(1)、射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)；所述射频四分之一波长耦合线(1)位于射频输入端，其后依次连接射频输入匹配电路(2)、反向并联肖特基二极管对(3)、本振中频输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)和输出双工器(6)；所述射频输入匹配电路(2)以及本振中频输出匹配电路(4)分别由两段或者多段微带传输线串联构成；所述输出双工器(6)包括本振四分之一波长耦合线(61)、紧凑微带谐振单元(62)以及高阻线(63)；所述的本振四分之一波长耦合线(61)的一端与低通滤波器(5)的输出端连接、本振四分之一波长耦合线(61)的另一端作为本振信号端口；所述的紧凑微带谐振单元(62)的一端通过高阻线(63)与本振四分之一波长耦合线(61)的一端连接、紧凑微带谐振单元(62)的另一端作为中频端口。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹D波段四次谐波混频器，其特征在于，作为下变频使用时，接收到的射频信号由射频信号端口经过射频四分之一波长耦合线(1)以及射频输入匹配电路(2)后到达反向并联肖特基二极管对(3)；本振信号由本振信号端口输入，经过输出双工器(6)中的本振四分之一波长耦合线，低通滤波器(5)以及本振中频输出匹配电路(4)后到达二极管对(3)；射频信号与本振信号在二极管对(3)中完成混频，所产生的中频信号经过输出匹配电路(4)、低通滤波器(5)及输出双工器(6)后在中频端口输出。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹D波段四次谐波混频器，其特征在于，所述的射频四分之一波长耦合线(1)的耦合线长度为中心频率处的微带线的四分之一波长，耦合线宽及间距均为20um。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹D波段四次谐波混频器，其特征在于，所述反向并联肖特基二极管对(3)将本振奇次谐波限制在二极管对以内。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹D波段四次谐波混频器，其特征在于，所述低通滤波器(5)采用CMRC结构。
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