一種單基片集成的太赫茲前端的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單基片集成的太赫茲前端，包括介質基板、輸入波導微帶過渡、微帶空氣腔，微帶空氣腔就是指上述空氣腔。從左到右依次是輸入波導微帶過渡（標準波導口WR-15）、CMRC結構微帶低通濾波器、并聯雙倍頻二極管、倍頻匹配枝節(jié)、本振帶通濾波器、混頻匹配枝節(jié)、混頻二極管、射頻波導微帶過渡（標準波導WR-2.2）、中頻低通濾波器。減少了介質基片的個數使電路集成在一個基片上，這樣還減少了腔體的加工數目，使加工裝配簡單，另一方面該發(fā)明減少了波導過渡的設計與加工，減小了腔體尺寸。
【專利說明】一種單基片集成的太赫茲前端

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲【技術領域】，具體是指一種單基片集成的太赫茲前端。

【背景技術】
[0002]在太赫茲【技術領域】混頻器和倍頻器作為頻率變換器件具有非常重要的作用，目前固態(tài)太赫茲器件主要是采用混合集成電路和單片集成電路實現。輻射計前端或者雷達前端通常需要混頻器和倍頻器聯合工作，但目前混頻器和倍頻器都是作為一個單獨器件集成實現的，因此在實現太赫茲前端的時候會出現連接損耗?，F有技術中連接倍頻器和混頻器需要兩個波導到微帶線的過渡結構，且需要在兩個不同寬度的基片上來加工倍頻器和混頻器使得加工和裝配比較困難。
[0003]THz波是指頻率在0.Γ?ΟΤΗζ頻率范圍內的電磁波，該波段處于微波與紅外光波之間，是人類目前尚未完全開發(fā)的一個電磁波譜區(qū)，由于太赫茲波的研究理論處在經典理論與量子躍遷理論的過渡區(qū)，其性質呈現出一些有別于其他電磁輻射的特殊性，從而在許多領域具有獨特的應用。如遙感遙測、目標探測、無線高速通信、醫(yī)學成像、材料科學研究及射電天文等應用領域。
[0004]自20世紀90年代中期開始，世界上許多國家在軍事、航天技術、醫(yī)學、大氣探測等領域對太赫茲科學技術的研究提供了大量的研發(fā)資金，并在該領域取得了豐碩的研究成果。但是，目前太赫茲技術遠不及微波和光學技術的成熟應用，其發(fā)展在很大程度上受制于太赫茲波源和太赫茲探測設備的限制。當今主要有三條路徑開發(fā)太赫茲波源:(I)激光光學技術，如半導體激光器、氣體激光器等，這類技術主要基于激光技術向太赫茲高頻端發(fā)展；(2)以電真空器件、二極管、三極管技術等微波器件為代表的電子技術主導微波技術向太赫茲低頻端發(fā)展；(3)超快激光技術，該類技術是從I THz向低頻和高頻同時發(fā)展。目前，基于半導體技術由微波頻段向太赫茲頻段發(fā)展的固態(tài)倍頻源占據了太赫茲波源的主要地位，該類倍頻源所具有的結構緊湊、重量輕、可靠性高、低成本等優(yōu)勢是其他太赫茲輻射源所不具備的，所以基于半導體倍頻技術的固態(tài)太赫茲源在太赫茲波段低端及輻射功率要求不是特別高的應用領域備受關注。
[0005]目前基于半導體倍頻技術的固態(tài)太赫茲源主要是采用混合集成電路和單片集成電路實現。但是，應用于太赫茲頻段的半導體器件的封裝尺寸非常小，采用混合集成電路的方式將難以實現工作頻率高于400GHz以上的倍頻電路和混頻電路。所以，采用單片集成電路的固態(tài)太赫茲電路將會成為主流.實現固態(tài)太赫茲應用系統的前提，首先需要研究高性能太赫茲接收前端系統。在現有的技術中都單獨對混頻器和倍頻器使用混合集成或者單片集成的方式做出單獨的混頻器件和倍頻器件然后用波導把兩者連接起來。倍頻器作為單獨的器件將其各元件集成在一個介質基板上包括:輸入波導過渡、低通濾波器、倍頻二極管封裝模型、輸出波導過渡、匹配電路和二極管。這些元件依次相連組成倍頻器。混頻器在另外一個介質基板上設計包括:RF波導過渡，混頻二極管封裝模型、本振雙工器(本振低通濾波器、中頻低通濾波器、LO波導過渡)、中頻輸出。然后將倍頻器的輸出波導和混頻器的本振波導相連接，使倍頻器為混頻器提供能量組成一個前端。在這種設計中存在兩個介質基板分別承載混頻電路和倍頻電路。
[0006]現有的技術集成度不夠高，存在兩個介質基板且需要用波導經行連接過渡存在損耗。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種單基片集成的太赫茲前端，本發(fā)明將倍頻電路和混頻電路集成在一個介質基板上，減少了腔體和基板加工的復雜度(只加工一個腔體)，減少了電路元件的數目，可減少能量在內部傳播的損耗。
[0008]本發(fā)明的實現方案如下:一種單基片集成的太赫茲前端，包括設置在空氣腔內的介質基板，在從左到右方向上，介質基板上設置有依次通過微帶線連接的CMRC結構微帶低通濾波器、并聯雙倍頻二極管、倍頻匹配枝節(jié)、本振帶通濾波器、混頻匹配枝節(jié)、混頻二極管、中頻低通濾波器，還包括輸入波導微帶過渡，介質基板上還設置有過渡微帶線，過渡微帶線通過輸入微帶線A與CMRC結構微帶低通濾波器連接，過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔和介質基板都延伸到輸入波導微帶過渡內，還包括射頻波導微帶過渡，射頻波導微帶過渡為一個中空的波導結構，混頻二極管與中頻低通濾波器之間的微帶線P穿過射頻波導微帶過渡，空氣腔的右端具備一個輸出端口，射頻波導微帶過渡具備一個輸入端口，輸入波導微帶過渡也具備一個輸入端口。
[0009]在上述結構中，一種基于單基片集成的單基片太赫茲前端，包括介質基板、輸入波導微帶過渡、微帶空氣腔，微帶空氣腔就是指上述空氣腔。從左到右依次是輸入波導微帶過渡(標準波導口 WR-15)、CMRC結構微帶低通濾波器、并聯雙倍頻二極管、倍頻匹配枝節(jié)、本振帶通濾波器、混頻匹配枝節(jié)、混頻二極管、射頻波導微帶過渡(標準波導WR-2.2)、中頻低通濾波器。輸入波導微帶過渡的波導口為標準波導WR-15，輸入波導微帶過渡具備一個輸入端口，射頻波導微帶過渡的波導口為標準波導WR-2.2，射頻波導微帶過渡也具備一個輸入端口，其中標準波導口 WR-15作為輸入端口輸入基頻功率，標準波導口 WR-2.2作為射頻輸入端口輸入射頻信號，混頻產生的中頻信號通過中頻低通濾波器后輸出；輸入波導微帶過渡、CMRC低通濾波器、倍頻二極管構成三倍頻器，進入輸入波導微帶過渡內的基頻信號由輸入波導微帶過渡輸入后通過低通濾波器進入混頻二極管進行倍頻，產生的三次倍頻本振信號通過本振帶通濾波器輸出進入混頻器中參與混頻，其中CMRC結構微帶低通濾波器可以使基波通過進入倍頻二極管參與倍頻而使從倍頻二極管傳輸過來的二次諧波和三次諧波反射回去使其再次進入二極管，增大了倍頻器的輸出效率。微帶本振帶通濾波器作為連接倍頻器和混頻器的中間結構具有可以通本振信號(三次諧波)阻高頻和低頻的效果，從倍頻器傳輸過來的基波和二次諧波會被帶通濾波器反射回去繼續(xù)參與倍頻而本振信號可以以極小的損耗通過進入混頻器，且從混頻器傳過來的中頻信號和射頻信號也無法通過而被反射回去。本振帶通濾波器與倍頻二極管之間用微帶枝節(jié)匹配器進行匹配?；祛l二極管、射頻雙工、中頻低通濾波器構成太赫茲諧波混頻器:射頻信號由標準波導WR-2.2輸入通過射頻雙工進入混頻二極管與來自倍頻器的本振信號進行諧波混頻產生的中頻信號經由射頻雙工器和中頻低通濾波器輸出；其中射頻雙工器可使射頻信號由波導進入微帶線并和中頻低通濾波器聯合起來使射頻信號進入混頻二極管電路，中頻低通濾波器可以通過混頻產生的低頻信號通過，反射本振及射頻信號提高混頻器的混頻效率。
[0010]上述倍頻結構和混頻結構集成到一個介質基板上，減少了腔體和基板加工的復雜度(只加工一個腔體)，減少了電路元件的數目，可減少能量在內部傳播的損耗。單基片集成太赫茲前端具備減少能量在內部傳播損耗的特點，性能比傳統結構的多基片集成太赫茲結構優(yōu)越。
[0011]輸入波導微帶過渡部分的具體結構為:所述輸入波導微帶過渡包括大矩形空氣腔、縮徑空氣腔、小矩形空氣腔、短路面，縮徑空氣腔連接在大矩形空氣腔與小矩形空氣腔之間，縮徑空氣腔的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔的最大寬度與大矩形空氣腔的寬度一致，縮徑空氣腔的最小寬度與小矩形空氣腔的寬度一致，短路面連接在小矩形空氣腔遠離縮徑空氣腔的一端，且短路面為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，空氣腔的左端插入到小矩形空氣腔內部，過渡微帶線和過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔和過渡微帶線所在區(qū)域的介質基板都延伸到小矩形空氣腔內。
[0012]射頻信號由標準波導WR-15饋入，經由大矩形空氣腔、縮徑空氣腔、小矩形空氣腔傳輸到過渡微帶線上，從而通過CMRC結構微帶低通濾波器并進入倒貼結構的并聯雙倍頻二極管對進行倍頻。微帶線屏蔽腔尺寸經過優(yōu)化，避免了高次模和傳輸零點的出現。標準波導WR-15減高可以調節(jié)匹配、增加過渡帶寬和提高過渡性能。
[0013]射頻波導微帶過渡部分的具體結構為:射頻波導微帶過渡包括大矩形空氣腔、縮徑空氣腔、小矩形空氣腔、短路面，縮徑空氣腔連接在大矩形空氣腔與小矩形空氣腔之間，縮徑空氣腔的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔的最大寬度與大矩形空氣腔的寬度一致，縮徑空氣腔的最小寬度與小矩形空氣腔的寬度一致，短路面連接在小矩形空氣腔遠離縮徑空氣腔的一端，且短路面為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，混頻二極管與中頻低通濾波器之間的微帶線P穿過小矩形空氣腔。所述射頻波導微帶過渡的結構形狀與輸入波導微帶過渡的結構形狀一致。
[0014]CMRC結構微帶低通濾波器部分的具體結構為:CMRC結構微帶低通濾波器包括連接在輸入微帶線A和輸出微帶線A之間的高阻微帶線A，高阻微帶線A兩側共有4個“山”形微帶線A，有2個“山”形微帶線A以高阻微帶線A為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線A也以高阻微帶線A為對稱線成對稱排布，高阻微帶線A和4個“山”形微帶線A都裝配在介質基板上，“山”形微帶線A包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線A連接，輸出微帶線A與并聯雙倍頻二極管連接。
[0015]CMRC結構微帶低通濾波器的采用了一種緊湊微帶諧振單元結構，緊湊微帶諧振單元是一種通過微帶光刻腐蝕技術在標準50歐姆微帶傳輸線中形成的特定圖形的特殊微帶電路結構，特定圖形是指上述4個“山”形微帶線A和高阻微帶線A和輸入微帶線A和輸出微帶線A。由于在正常的50歐姆微帶線上蝕刻掉了一部分金屬，形成的上下相連的細窄的微帶線將增加其等效的串聯電感。相反，蝕刻出的兩條縫隙則增加了其等效并聯電容。上述結構可等效為RLC諧振電路，呈現帶阻特性。通過調節(jié)緊湊微帶諧振單元結構的長度及腐蝕圖形的結構，可獲得不同頻段下的帶阻效應。CMRC結構微帶低通濾波器可以通基波信號而阻止二次和三次諧波信號以及更高的射頻信號通過并使其反射回去再次進入倍頻二極管或者混頻二極管，這樣提高了端口的隔離度和變頻的效率。并且CMRC結構微帶低通濾波器和輸入波導微帶過渡一起構成頻率輸入元件實現基波信號的低損耗進入。
[0016]并聯雙倍頻二極管部分的具體結構為:并聯雙倍頻二極管包括空氣腔P和位于空氣腔P內的砷化鎵襯底A、安裝在砷化鎵襯底A上的半導體基板，還包括安裝在半導體基板上的金屬襯墊A、二極管管芯B、金屬襯墊C、二極管管芯A、金屬襯墊B，二極管管芯B連接在金屬襯墊C的端面，二極管管芯A連接在金屬襯墊B的端面，二極管管芯B位于金屬襯墊C與金屬襯墊A之間，二極管管芯A位于金屬襯墊C與金屬襯墊B之間，金屬襯墊C與安裝在介質基板上的連接微帶線靠近，連接微帶線位于金屬襯墊C的正上方，連接微帶線的一端與CMRC結構微帶低通濾波器連接,連接微帶線的另一端與倍頻匹配枝節(jié)連接。具體的，連接微帶線的一端與輸出微帶線A連接，連接微帶線的另一端與倍頻匹配枝節(jié)連接。
[0017]并聯雙倍頻二極管包含兩個管芯(二極管管芯A和二極管管芯B)通過倒貼的方式并聯連接在微帶線上，其倒貼的方式可以在上述結構中可以看出。本設計倍頻器基于阻性肖特基二極管，從輸入輸出看，二極管均為反向并聯結構，構成平衡結構，輸出端無偶次諧波，只有奇次分量。無需外加直流偏置電壓源，方便調諧，簡化了系統。
[0018]本振帶通濾波器部分的具體結構為:本振帶通濾波器包括對稱的2個微帶T型開路枝節(jié)，微帶T型開路枝節(jié)包括一字形微帶線，在一字形微帶線的中部凸出生長有一個微帶凸起，微帶凸起與一字形微帶線構成一個T形結構的微帶T型開路枝節(jié),在兩個一字形微帶線之間設置有2個微帶插入枝節(jié)，一個微帶插入枝節(jié)與倍頻匹配枝節(jié)連接，另一個微帶插入枝節(jié)與混頻匹配枝節(jié)連接，微帶插入枝節(jié)與一字形微帶線之間存在縫隙。
[0019]本振帶通濾波器采用雙T型微帶結構和交趾結構實現，在本振帶通濾波器中，上下有兩個對稱的微帶T型開路枝節(jié),微帶T型開路枝節(jié)和微帶傳輸線(微帶插入枝節(jié))又構成交趾形狀，它們之間的縫隙形成交趾縫隙和傳輸線空隙，會引入耦合并等效成感抗元件。微帶T型開路枝節(jié)的寬度和長度可以控制諧振頻率使濾波器在合適的頻率下工作。通過調節(jié)交趾縫隙的大小和微帶線(微帶插入枝節(jié))尺寸可調節(jié)濾波器的通帶范圍和衰減范圍，達到對本振的傳輸和對基波和二次諧波的阻斷作用。
[0020]混頻二極管部分的具體結構為:混頻二極管包括砷化鎵基板，砷化鎵基板上設置有2個肖特基結，肖特基結包括依次層疊的砷化鎵襯墊B、N型摻雜砷化鎵層、二氧化硅層，砷化鎵襯墊B放置在砷化鎵基板上，N型摻雜砷化鎵層上還放置有金屬陽極板，第一個肖特基結的金屬陽極板通過金屬陽極空氣橋與第二個肖特基結的二氧化硅層橋接，第二個肖特基結的金屬陽極板通過金屬陽極空氣橋與第一個肖特基結的二氧化硅層橋接，還包括輸入微帶線B和輸出微帶線B，第一個肖特基結的金屬陽極板遠離砷化鎵基板的一面放置到輸入微帶線B上，第二個肖特基結的金屬陽極板遠離砷化鎵基板的一面放置到輸出微帶線B上，輸入微帶線B與混頻匹配枝節(jié)連接，輸出微帶線B與微帶線P連接。
[0021]由于太赫茲頻段波長很小，混頻二極管的封裝尺寸會對其性能造成很大的影響，因此建立平面肖特基混頻管3D電磁模型是非常有必要的，根據常用的太赫茲混頻二極管技術建立的三維二極管封裝模型。目前在太赫茲頻段的分諧波混頻器的這種反向并聯二極管對的封裝形式已成為主流。先進的半導體制造工藝將兩個肖特基結集成在一個封裝內，并構成反向并聯的形式，最大程度地保證了兩管的對稱性，減小了封裝寄生參數。
[0022]中頻低通濾波器部分的具體結構為:中頻低通濾波器包括與微帶線P連接的微帶T型輸入枝節(jié)，微帶T型輸入枝節(jié)依次連接有高阻微帶線B、微帶T型輸出枝節(jié)，高阻微帶線B兩側共有4個“山”形微帶線B，有2個“山”形微帶線B以高阻微帶線B為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線B也以高阻微帶線B為對稱線成對稱排布，高阻微帶線B和4個“山”形微帶線B都裝配在介質基板上，“山”形微帶線B包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線B連接。
[0023]射頻雙工器包括射頻波導微帶過渡和中頻低通濾波器，其中中頻低通濾波器也采用CMRC結構來實現并經行了進一步的改進使得其在高頻處的抑制范圍更廣。射頻雙工器由射頻波導微帶過渡、微帶線P和中頻低通濾波器構成，射頻信號由標準波導WR-2.2輸入經由端口 A進入混頻二極管和本振信號混頻產生的中頻信號經由端口 A進入端口 C輸出設備。在該結構中，中頻低通濾波器作為對高頻信號的抑制器件將射頻信號和本振信號從端口 C中反射回去使其不能由C端口輸出。而本振信號由于波導對低頻信號的抑制作用而不能從B端口處輸出。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點有。
[0025]1、相比現有技術本發(fā)明結構更加簡單。一方面該發(fā)明減少了介質基片的個數使電路集成在一個基片上，這樣還減少了腔體的加工數目，使加工裝配簡單，另一方面該發(fā)明減少了波導過渡的設計與加工，減小了腔體尺寸。
[0026]2、相比現有技術本發(fā)明需要的基波功率更低，由于減少了太赫茲前端設計的波導過渡結構使得內部損耗更小特別是使倍頻得到的本振功率直接輸入到混頻二極管上，使損耗變小，因此在倍頻效率不變的情況下所需基波功率更小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖。
[0028]圖2為輸入波導微帶過渡的結構示意圖。
[0029]圖3為CMRC結構微帶低通濾波器的示意圖。
[0030]圖4為本振帶通濾波器的示意圖。
[0031]圖5為射頻波導微帶過渡和中頻低通濾波器的示意圖。
[0032]圖6為并聯雙倍頻二極管與介質基板連接示意圖。
[0033]圖7為并聯雙倍頻二極管脫離介質基板的示意圖。
[0034]圖8為混頻二極管的層疊示意圖。
[0035]圖9為2個混頻二極管連接的示意圖。
[0036]圖10為混頻_■極管與介質基板連接不意圖。
[0037]圖11為CMRC結構微帶低通濾波器的仿真結果圖。
[0038]圖12為輸入波導微帶過渡的仿真結果圖。
[0039]圖13為本振帶通濾波器的仿真結果圖。
[0040]圖14為射頻雙工器射頻頻段的仿真結果圖。
[0041]圖15為射頻雙工器本振頻段的仿真結果圖。
[0042]圖中的標號分別表示為:1、輸入波導微帶過渡；2、CMRC結構微帶低通濾波器；3、并聯雙倍頻二極管；4、倍頻匹配枝節(jié)；5、本振帶通濾波器；6、混頻匹配枝節(jié)；7、混頻二極管；8、射頻波導微帶過渡；9、中頻低通濾波器；10、介質基板；11、空氣腔；12、大矩形空氣腔；13、縮徑空氣腔；14、小矩形空氣腔；15、短路面；21、“山”形微帶線A ;22、輸入微帶線A ;23、輸出微帶線A ;24、高阻微帶線A ;31、連接微帶線；32、砷化鎵襯底A ;33、金屬襯墊A ;34、金屬襯墊B ;35、半導體基板；36、空氣腔P ;37、二極管管芯A ;38、金屬襯墊C ;39、二極管管芯B ;52、微帶插入枝節(jié)；53、微帶T型開路枝節(jié)；71、砷化鎵基板；72、砷化鎵襯墊B ;73、N型摻雜砷化鎵層；74、二氧化娃層；75、金屬陽極板；76、金屬陽極空氣橋；77、輸入微帶線B ；78、輸出微帶線B ;91、“山”形微帶線B ;92、高阻微帶線B ;93、微帶T型輸出枝節(jié)；94、微帶T型輸入枝節(jié)。

【具體實施方式】
[0043]實施例一
如圖1至圖10所示。
[0044]—種單基片集成的太赫茲前端，包括設置在空氣腔11內的介質基板10，在從左到右方向上(如圖，沿X軸方向)，介質基板10上設置有依次通過微帶線連接的CMRC結構微帶低通濾波器2、并聯雙倍頻二極管3、倍頻匹配枝節(jié)4、本振帶通濾波器5、混頻匹配枝節(jié)6、混頻二極管7、中頻低通濾波器9，還包括輸入波導微帶過渡1，介質基板10上還設置有過渡微帶線，過渡微帶線通過輸入微帶線A22與CMRC結構微帶低通濾波器2連接，過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔11和介質基板10都延伸到輸入波導微帶過渡I內，還包括射頻波導微帶過渡8，射頻波導微帶過渡8為一個中空的波導結構，混頻二極管7與中頻低通濾波器9之間的微帶線P穿過射頻波導微帶過渡8，空氣腔11的右端具備一個輸出端口，射頻波導微帶過渡8具備一個輸入端口，輸入波導微帶過渡I也具備一個輸入端口。
[0045]在上述結構中，一種基于單基片集成的單基片太赫茲前端，包括介質基板、輸入波導微帶過渡、微帶空氣腔，微帶空氣腔就是指上述空氣腔。從左到右依次是輸入波導微帶過渡(標準波導口 WR-15)、CMRC結構微帶低通濾波器、并聯雙倍頻二極管、倍頻匹配枝節(jié)、本振帶通濾波器、混頻匹配枝節(jié)、混頻二極管、射頻波導微帶過渡(標準波導WR-2.2)、中頻低通濾波器。輸入波導微帶過渡的波導口為標準波導WR-15，輸入波導微帶過渡具備一個輸入端口，射頻波導微帶過渡的波導口為標準波導WR-2.2，射頻波導微帶過渡也具備一個輸入端口，其中標準波導口 WR-15作為輸入端口輸入基頻功率，標準波導口 WR-2.2作為射頻輸入端口輸入射頻信號，混頻產生的中頻信號通過中頻低通濾波器后輸出；輸入波導微帶過渡、CMRC低通濾波器、倍頻二極管構成三倍頻器，進入輸入波導微帶過渡內的基頻信號由輸入波導微帶過渡輸入后通過低通濾波器進入混頻二極管進行倍頻，產生的三次倍頻本振信號通過本振帶通濾波器輸出進入混頻器中參與混頻，其中CMRC結構微帶低通濾波器可以使基波通過進入倍頻二極管參與倍頻而使從倍頻二極管傳輸過來的二次諧波和三次諧波反射回去使其再次進入二極管，增大了倍頻器的輸出效率。微帶本振帶通濾波器作為連接倍頻器和混頻器的中間結構具有可以通本振信號(三次諧波)阻高頻和低頻的效果，從倍頻器傳輸過來的基波和二次諧波會被帶通濾波器反射回去繼續(xù)參與倍頻而本振信號可以以極小的損耗通過進入混頻器，且從混頻器傳過來的中頻信號和射頻信號也無法通過而被反射回去。本振帶通濾波器與倍頻二極管之間用微帶枝節(jié)匹配器進行匹配?；祛l二極管、射頻雙工、中頻低通濾波器構成太赫茲諧波混頻器:射頻信號由標準波導WR-2.2輸入通過射頻雙工進入混頻二極管與來自倍頻器的本振信號進行諧波混頻產生的中頻信號經由射頻雙工器和中頻低通濾波器輸出；其中射頻雙工器可使射頻信號由波導進入微帶線并和中頻低通濾波器聯合起來使射頻信號進入混頻二極管電路，中頻低通濾波器可以通過混頻產生的低頻信號通過，反射本振及射頻信號提高混頻器的混頻效率。
[0046]上述倍頻結構和混頻結構集成到一個介質基板上，減少了腔體和基板加工的復雜度只加工一個腔體，減少了電路元件的數目，可減少能量在內部傳播的損耗。通過檢測，制備出來的單基片集成太赫茲前端具備減少能量在內部傳播損耗的特點，性能比傳統結構的多基片集成太赫茲結構優(yōu)越。
[0047]輸入波導微帶過渡部分的具體結構為:所述輸入波導微帶過渡I包括大矩形空氣腔12、縮徑空氣腔13、小矩形空氣腔14、短路面15，縮徑空氣腔13連接在大矩形空氣腔12與小矩形空氣腔14之間，縮徑空氣腔13的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔13的最大寬度與大矩形空氣腔12的寬度一致，縮徑空氣腔13的最小寬度與小矩形空氣腔14的寬度一致，短路面15連接在小矩形空氣腔14遠離縮徑空氣腔13的一端，且短路面15為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，空氣腔11的左端插入到小矩形空氣腔14內部，過渡微帶線和過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔11和過渡微帶線所在區(qū)域的介質基板10都延伸到小矩形空氣腔14內。
[0048]如圖12，可以得到以下參數:
圖12為輸入波導微帶過渡的仿真結果。有圖12可知本振輸入端口的回波損耗即Sll在本振頻段(50GHz-75GHz)小于_20dB，I端口到2端口的傳輸損耗S21 (帶內插損)大于-0.2dB?？梢钥闯鲈摬▽У轿н^過渡良好的實現了本振頻段的輸入，且輸入損耗很小。
[0049]射頻信號由標準波導WR-15饋入，經由大矩形空氣腔12、縮徑空氣腔13、小矩形空氣腔14傳輸到過渡微帶線上，從而通過CMRC結構微帶低通濾波器并進入倒貼結構的并聯雙倍頻二極管3對進行倍頻。微帶線屏蔽腔尺寸經過優(yōu)化，避免了高次模和傳輸零點的出現。標準波導WR-15減高可以調節(jié)匹配、增加過渡帶寬和提高過渡性能。
[0050]射頻波導微帶過渡8部分的具體結構為:射頻波導微帶過渡8包括大矩形空氣腔12、縮徑空氣腔13、小矩形空氣腔14、短路面15，縮徑空氣腔13連接在大矩形空氣腔12與小矩形空氣腔14之間，縮徑空氣腔13的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔13的最大寬度與大矩形空氣腔12的寬度一致，縮徑空氣腔13的最小寬度與小矩形空氣腔14的寬度一致，短路面15連接在小矩形空氣腔14遠離縮徑空氣腔13的一端，且短路面15為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，混頻二極管7與中頻低通濾波器9之間的微帶線P穿過小矩形空氣腔14。所述射頻波導微帶過渡8的結構形狀與輸入波導微帶過渡I的結構形狀一致。
[0051 ] CMRC結構微帶低通濾波器2部分的具體結構為:CMRC結構微帶低通濾波器2包括連接在輸入微帶線A22和輸出微帶線A23之間的高阻微帶線A24，高阻微帶線A24兩側共有4個“山”形微帶線A，有2個“山”形微帶線A以高阻微帶線A24為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線A也以高阻微帶線A24為對稱線成對稱排布，高阻微帶線A24和4個“山”形微帶線A都裝配在介質基板10上，“山”形微帶線A包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線A24連接，輸出微帶線A23與并聯雙倍頻二極管3連接。
[0052]CMRC結構微帶低通濾波器的采用了一種緊湊微帶諧振單元結構，緊湊微帶諧振單元是一種通過微帶光刻腐蝕技術在標準50歐姆微帶傳輸線中形成的特定圖形的特殊微帶電路結構，特定圖形是指上述4個“山”形微帶線A和高阻微帶線A24和輸入微帶線A22和輸出微帶線A23。由于在正常的50歐姆微帶線上蝕刻掉了一部分金屬，形成的上下相連的細窄的微帶線將增加其等效的串聯電感。相反，蝕刻出的兩條縫隙則增加了其等效并聯電容。上述結構可等效為RLC諧振電路，呈現帶阻特性。通過調節(jié)緊湊微帶諧振單元結構的長度及腐蝕圖形的結構，可獲得不同頻段下的帶阻效應。CMRC結構微帶低通濾波器可以通基波信號而阻止二次和三次諧波信號以及更高的射頻信號通過并使其反射回去再次進入倍頻二極管或者混頻二極管，這樣提高了端口的隔離度和變頻的效率。并且CMRC結構微帶低通濾波器和輸入波導微帶過渡I一起構成頻率輸入元件實現基波信號的低損耗進入。
[0053]參見圖11，可以看出其參數特性為:
圖11為CMRC微帶低通濾波器仿真結果。有仿真結果圖11知該低通濾波器的通帶為0-90GHZ，在該頻段內濾波器的端口回撥損耗在(Sll)-20dB以下，帶內插損小于_0.2dB，可是本振頻段的信號以較小的損耗通過。在帶外130GHz附近其帶外抑制已達到_20dB，可良好的實現對二次諧波和三次諧波的阻礙和反射作用。因此該濾波器實現了所需要的功能。
[0054]并聯雙倍頻二極管3部分的具體結構為:并聯雙倍頻二極管3包括空氣腔P36和位于空氣腔P內的砷化鎵襯底A32、安裝在砷化鎵襯底A上的半導體基板35，還包括安裝在半導體基板35上的金屬襯墊A33、二極管管芯B39、金屬襯墊C38、二極管管芯A37、金屬襯墊B34，二極管管芯B39連接在金屬襯墊C38的端面，二極管管芯A37連接在金屬襯墊B34的端面，二極管管芯B39位于金屬襯墊C38與金屬襯墊A33之間，二極管管芯A37位于金屬襯墊C38與金屬襯墊B34之間，金屬襯墊C38與安裝在介質基板10上的連接微帶線31靠近，連接微帶線31位于金屬襯墊C38的正上方,連接微帶線31的一端與CMRC結構微帶低通濾波器2連接，連接微帶線31的另一端與倍頻匹配枝節(jié)4連接。具體的，連接微帶線31的一端與輸出微帶線A23連接，連接微帶線31的另一端與倍頻匹配枝節(jié)4連接。
[0055]并聯雙倍頻二極管3包含兩個管芯二極管管芯A37和二極管管芯B39通過倒貼的方式并聯連接在微帶線上，其倒貼的方式可以在上述結構中可以看出。本設計倍頻器基于阻性肖特基二極管，從輸入輸出看，二極管均為反向并聯結構，構成平衡結構，輸出端無偶次諧波，只有奇次分量。無需外加直流偏置電壓源，方便調諧，簡化了系統。
[0056]本振帶通濾波器5部分的具體結構為:本振帶通濾波器5包括對稱的2個微帶T型開路枝節(jié)53，微帶T型開路枝節(jié)53包括一字形微帶線，在一字形微帶線的中部凸出生長有一個微帶凸起，微帶凸起與一字形微帶線構成一個T形結構的微帶T型開路枝節(jié)53,在兩個一字形微帶線之間設置有2個微帶插入枝節(jié)52，一個微帶插入枝節(jié)52與倍頻匹配枝節(jié)4連接，另一個微帶插入枝節(jié)52與混頻匹配枝節(jié)6連接，微帶插入枝節(jié)52與一字形微帶線之間存在縫隙。
[0057]本振帶通濾波器5采用雙T型微帶結構和交趾結構實現，在本振帶通濾波器中，上下有兩個對稱的微帶T型開路枝節(jié),微帶T型開路枝節(jié)和微帶傳輸線微帶插入枝節(jié)又構成交趾形狀，它們之間的縫隙形成交趾縫隙和傳輸線空隙，會引入耦合并等效成感抗元件。微帶T型開路枝節(jié)的寬度和長度可以控制諧振頻率使濾波器在合適的頻率下工作。通過調節(jié)交趾縫隙的大小和微帶線微帶插入枝節(jié)尺寸可調節(jié)濾波器的通帶范圍和衰減范圍，達到對本振的傳輸和對基波和二次諧波的阻斷作用。
[0058]參見圖13，可以獲得參數為:
圖13為本振帶通濾波器仿真S曲線圖。由圖可以看出該帶通濾波器的通帶范圍是175GHz-210GHz，在通帶范圍內帶內插損(S21)小于0.3dB，通帶平緩。在帶外的低頻端150GHz是Sll (回波損耗)小于-10dB，可良好實現對二次諧波的阻礙和反射作用。在高頻段其抑制亦可滿足需求。
[0059]混頻二極管7部分的具體結構為:混頻二極管7包括砷化鎵基板71，砷化鎵基板71上設置有2個肖特基結，肖特基結包括依次層疊的砷化鎵襯墊B72、N型摻雜砷化鎵層73、二氧化硅層24，砷化鎵襯墊B72放置在砷化鎵基板71上，N型摻雜砷化鎵層73上還放置有金屬陽極板75，第一個肖特基結的金屬陽極板75通過金屬陽極空氣橋76與第二個肖特基結的二氧化硅層24橋接，第二個肖特基結的金屬陽極板75通過金屬陽極空氣橋76與第一個肖特基結的二氧化硅層24橋接，還包括輸入微帶線B77和輸出微帶線B78，第一個肖特基結的金屬陽極板75遠離砷化鎵基板71的一面放置到輸入微帶線B77上，第二個肖特基結的金屬陽極板75遠離砷化鎵基板71的一面放置到輸出微帶線B78上，輸入微帶線B77與混頻匹配枝節(jié)6連接，輸出微帶線B78與微帶線P連接。
[0060]由于太赫茲頻段波長很小，混頻二極管的封裝尺寸會對其性能造成很大的影響，因此建立平面肖特基混頻管3D電磁模型是非常有必要的，根據常用的太赫茲混頻二極管技術建立的三維二極管封裝模型。目前在太赫茲頻段的分諧波混頻器的這種反向并聯二極管對的封裝形式已成為主流。先進的半導體制造工藝將兩個肖特基結集成在一個封裝內，并構成反向并聯的形式，最大程度地保證了兩管的對稱性，減小了封裝寄生參數。
[0061]中頻低通濾波器部分的具體結構為:中頻低通濾波器包括與微帶線P連接的微帶T型輸入枝節(jié)94，微帶T型輸入枝節(jié)94依次連接有高阻微帶線B92、微帶T型輸出枝節(jié)93，高阻微帶線B92兩側共有4個“山”形微帶線B91，有2個“山”形微帶線B91以高阻微帶線B92為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線B91也以高阻微帶線B92為對稱線成對稱排布，高阻微帶線B92和4個“山”形微帶線B91都裝配在介質基板10上，“山”形微帶線B91包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線B92連接。
[0062]射頻雙工器包括射頻波導微帶過渡8和中頻低通濾波器9，其中中頻低通濾波器也采用CMRC結構來實現并經行了進一步的改進使得其在高頻處的抑制范圍更廣。射頻雙工器由射頻波導微帶過渡8、微帶線P和中頻低通濾波器構成，射頻信號由標準波導WR-2.2輸入經由端口 A進入混頻二極管和本振信號混頻產生的中頻信號經由端口 A進入端口 C輸出設備。在該結構中，中頻低通濾波器作為對高頻信號的抑制器件將射頻信號和本振信號從端口 C中反射回去使其不能由C端口輸出。而本振信號由于波導對低頻信號的抑制作用而不能從B端口處輸出。
[0063]如圖5，端口 A為端口 2，端口 B為端口 1，端口 C為端口 3，仿真結果參見圖14和圖15，圖14為射頻雙工器射頻頻段的仿真結果圖。圖15為射頻雙工器本振頻段的仿真結果圖?？梢钥闯?，參數描述:
有上述兩圖可以看出，在射頻頻段(350GHz-420GHz ) SI I (I端口的回波損耗)小于-15dB，特別是在380GHz處為-33dB，這證明射頻信號可良好的進入端口。在圖14中S21(端口 I到端口 2的傳輸損耗)大于-0.3dB,說明射頻信號可在較小損耗的下傳輸到2端口。S31 (I端口到3端口的傳輸損耗)小于在350GHz-420GHz處小于-30dB，說明射頻信號幾乎沒有向3端口傳輸。在圖15中在本振頻段S22 (2端口回波損耗)幾乎為0，S12和S32都小于_30dB，說明在本振信號不能由射頻雙工進入3端口和2端口，只能反射回二極管電路。
[0064]如上所述，則能很好的實現本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:包括設置在空氣腔(11)內的介質基板(10 )，在從左到右方向上，介質基板(10 )上設置有依次通過微帶線連接的CMRC結構微帶低通濾波器(2)、并聯雙倍頻二極管(3)、倍頻匹配枝節(jié)(4)、本振帶通濾波器(5)、混頻匹配枝節(jié)(6)、混頻二極管(7)、中頻低通濾波器(9)，還包括輸入波導微帶過渡(1)，介質基板(10)上還設置有過渡微帶線，過渡微帶線通過輸入微帶線A (22)與CMRC結構微帶低通濾波器(2 )連接，過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔(11)和介質基板(10 )都延伸到輸入波導微帶過渡(I)內，還包括射頻波導微帶過渡(8)，射頻波導微帶過渡(8)為一個中空的波導結構，混頻二極管(7)與中頻低通濾波器(9)之間的微帶線P穿過射頻波導微帶過渡(8)，空氣腔(11)的右端具備一個輸出端口，射頻波導微帶過渡(8)具備一個輸入端口，輸入波導微帶過渡(I)也具備一個輸入端口。
2.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:所述輸入波導微帶過渡(I)包括大矩形空氣腔(12)、縮徑空氣腔(13)、小矩形空氣腔(14)、短路面(15)，縮徑空氣腔(13)連接在大矩形空氣腔(12)與小矩形空氣腔(14)之間，縮徑空氣腔(13)的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔(13)的最大寬度與大矩形空氣腔(12)的寬度一致，縮徑空氣腔(13)的最小寬度與小矩形空氣腔(14)的寬度一致，短路面(15)連接在小矩形空氣腔(14)遠離縮徑空氣腔(13)的一端，且短路面(15)為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，空氣腔(11)的左端插入到小矩形空氣腔(14)內部，過渡微帶線和過渡微帶線所在區(qū)域的空氣腔(11)和過渡微帶線所在區(qū)域的介質基板(10)都延伸到小矩形空氣腔(14)內。
3.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:射頻波導微帶過渡(8)包括大矩形空氣腔(12)、縮徑空氣腔(13)、小矩形空氣腔(14)、短路面(15)，縮徑空氣腔(13)連接在大矩形空氣腔(12)與小矩形空氣腔(14)之間，縮徑空氣腔(13)的寬度逐漸變小，縮徑空氣腔(13)的最大寬度與大矩形空氣腔(12)的寬度一致，縮徑空氣腔(13)的最小寬度與小矩形空氣腔(14)的寬度一致，短路面(15)連接在小矩形空氣腔(14)遠離縮徑空氣腔(13)的一端，且短路面(15)為一個開口指向小矩形空氣腔的凹槽體，混頻二極管(7)與中頻低通濾波器(9)之間的微帶線P穿過小矩形空氣腔(14)。
4.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于=CMRC結構微帶低通濾波器(2)包括連接在輸入微帶線A (22)和輸出微帶線A (23)之間的高阻微帶線A(24)，高阻微帶線A (24)兩側共有4個“山”形微帶線A，有2個“山”形微帶線A以高阻微帶線A (24)為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線A也以高阻微帶線A (24)為對稱線成對稱排布，高阻微帶線A (24)和4個“山”形微帶線A都裝配在介質基板(10)上，“山”形微帶線A包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線A (24)連接，輸出微帶線A (23)與并聯雙倍頻二極管(3)連接。
5.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:并聯雙倍頻二極管(3)包括空氣腔P (36)和位于空氣腔P內的砷化鎵襯底A (32)、安裝在砷化鎵襯底A上的半導體基板(35)，還包括安裝在半導體基板(35)上的金屬襯墊A (33)、二極管管芯B(39)、金屬襯墊C (38)、二極管管芯A (37)、金屬襯墊B (34)，二極管管芯B (39)連接在金屬襯墊C (38)的端面，二極管管芯A (37)連接在金屬襯墊B (34)的端面，二極管管芯B (39)位于金屬襯墊C (38)與金屬襯墊A (33)之間，二極管管芯A (37)位于金屬襯墊C (38)與金屬襯墊B (34)之間，金屬襯墊C (38)與安裝在介質基板(10)上的連接微帶線(31)靠近,連接微帶線(31)位于金屬襯墊C (38)的正上方,連接微帶線(31)的一端與CMRC結構微帶低通濾波器(2)連接，連接微帶線(31)的另一端與倍頻匹配枝節(jié)(4)連接。
6.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:本振帶通濾波器(5)包括對稱的2個微帶T型開路枝節(jié)(53)，微帶T型開路枝節(jié)(53)包括一字形微帶線，在一字形微帶線的中部凸出生長有一個微帶凸起，微帶凸起與一字形微帶線構成一個T形結構的微帶T型開路枝節(jié)(53)，在兩個一字形微帶線之間設置有2個微帶插入枝節(jié)(52)，一個微帶插入枝節(jié)(52)與倍頻匹配枝節(jié)(4)連接,另一個微帶插入枝節(jié)(52)與混頻匹配枝節(jié)(6)連接,微帶插入枝節(jié)(52)與一字形微帶線之間存在縫隙。
7.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:混頻二極管(7)包括砷化鎵基板(71)，砷化鎵基板(71)上設置有2個肖特基結，肖特基結包括依次層疊的砷化鎵襯墊B (72)、N型摻雜砷化鎵層(73)、二氧化硅層(24)，砷化鎵襯墊B (72)放置在砷化鎵基板(71)上，N型摻雜砷化鎵層(73)上還放置有金屬陽極板(75)，第一個肖特基結的金屬陽極板(75)通過金屬陽極空氣橋(76)與第二個肖特基結的二氧化硅層(24)橋接，第二個肖特基結的金屬陽極板(75)通過金屬陽極空氣橋(76)與第一個肖特基結的二氧化硅層(24)橋接，還包括輸入微帶線B (77)和輸出微帶線B (78)，第一個肖特基結的金屬陽極板(75)遠離砷化鎵基板(71)的一面放置到輸入微帶線B (77)上，第二個肖特基結的金屬陽極板(75)遠離砷化鎵基板(71)的一面放置到輸出微帶線B (78)上，輸入微帶線B (77)與混頻匹配枝節(jié)(6)連接，輸出微帶線B (78)與微帶線P連接。
8.根據權利要求1所述的一種單基片集成的太赫茲前端，其特征在于:中頻低通濾波器包括與微帶線P連接的微帶T型輸入枝節(jié)(94)，微帶T型輸入枝節(jié)(94)依次連接有高阻微帶線B (92)、微帶T型輸出枝節(jié)(93)，高阻微帶線B (92)兩側共有4個“山”形微帶線B (91)，有2個“山”形微帶線B (91)以高阻微帶線B (92)為對稱線成對稱排布，剩余的2個“山”形微帶線B (91)也以高阻微帶線B (92)為對稱線成對稱排布，高阻微帶線B (92)和4個“山”形微帶線B (91)都裝配在介質基板(10)上，“山”形微帶線B (91)包括凹槽型微帶線和凸出微帶線，凸出微帶線連接在凹槽型微帶線的內凹面內，凸出微帶線還與高阻微帶線B (92)連接。
【文檔編號】H01P5/12GK104362421SQ201410618596
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權日:2014年11月6日
【發(fā)明者】張波, 紀東峰, 司夢姣, 楊益林, 劉戈, 牛中乾, 周游, 樊勇 申請人:電子科技大學