基于共面波導(dǎo)傳輸線的太赫茲三倍頻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，具體是指基于共面波導(dǎo)傳輸線的太赫茲三倍頻器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲倍頻器作為太赫茲接收機(jī)端混頻器的本振源或發(fā)射機(jī)的輻射源，已成為太赫茲前端系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展，對太赫茲倍頻器的性能要求也越來越高。在現(xiàn)有的技術(shù)中W波段頻率源的制作和性能已比較穩(wěn)定，但隨著頻率的升高頻率源的制作和穩(wěn)定性是難以解決的問題，且高頻頻率源的制作成本很高，因此現(xiàn)存的太赫茲高頻頻段的頻率源是采用一級或多級倍頻單元由W波段倍頻得到的。在太赫茲接收機(jī)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，倍頻器是作為頻率源提供功率來驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的，其性能的好壞和制作的成本將直接影響太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，太赫茲三倍頻器的直流偏置和倍頻二極管都是通過在介質(zhì)基板邊緣引出對稱的金屬薄板的方式來接地，且直流偏置單獨(dú)在一個(gè)基板上設(shè)計(jì)并用跳金絲的方式與主電路連接，這增加了加工的復(fù)雜度和裝配難度，同時(shí)降低了電路設(shè)計(jì)的精度。通過引入共面波導(dǎo)在電路內(nèi)直接接地的方式提供直流地和射頻地，并把直流偏置和整體電路設(shè)計(jì)在一個(gè)基板上可以有效的解決上述問題。
[0003]目前存在的太赫茲三倍頻器大部分都是在平面肖特基二極管精確建模的基礎(chǔ)上采用微帶線或者懸置微帶線構(gòu)成外圍無源電路并放置在波導(dǎo)腔體中實(shí)現(xiàn)的。平面型肖特基二極管對產(chǎn)生倍頻頻率，并采用微帶線和懸置微帶線與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)分別構(gòu)成基波輸入波導(dǎo)-微帶過渡、基波低通濾波器、輸出波導(dǎo)-微帶過渡、匹配電路和直流偏置低通濾波器，這些無源結(jié)構(gòu)分別完成基波的輸入和輸出、頻率的選擇、二極管偏壓?？紤]到倍頻二極管對因不完全對稱而產(chǎn)生的雜散電流和直流偏置回路的形成，因此在放置二極管的基板邊緣向外伸出對稱的兩段金屬薄板來實(shí)現(xiàn)射頻地和直流回路。且大部分二倍頻電路設(shè)計(jì)中直流偏置低通濾波器和其他無源電路不在同一個(gè)基板上設(shè)計(jì)需要用跳金絲的方式進(jìn)行連接。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中三倍頻器中的二極管電路采用在基板邊緣向外伸出對稱的兩段金屬薄板來實(shí)現(xiàn)射頻地和直流回路，且直流偏置電路和其他無源電路不在同一個(gè)基板上設(shè)計(jì)需要用跳金絲的方式裝配連接。這增加了加工裝配難度，同時(shí)造成裝配精度對結(jié)果的影響比較大，這一點(diǎn)在太赫茲設(shè)計(jì)中極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供基于共面波導(dǎo)傳輸線的太赫茲三倍頻器，本發(fā)明采用共面波導(dǎo)傳輸線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微帶線和懸置微帶線來設(shè)計(jì)三倍頻器的外圍無源電路在電路內(nèi)直接與腔體壁連接實(shí)現(xiàn)射頻地和直流回路，并用基波輸入雙工器的方式將直流偏置和其他電路設(shè)計(jì)在一個(gè)介質(zhì)基板上，減少后續(xù)的裝配步驟，這樣可以使電路結(jié)構(gòu)更加簡單易于加工和裝配。
[0006]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案如下:基于共面波導(dǎo)傳輸線的太赫茲三倍頻器，包括主體波導(dǎo)和設(shè)置在主體波導(dǎo)內(nèi)腔底面的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板上設(shè)置有下表面與介質(zhì)基板上表面齊平的共面波導(dǎo)傳輸線，共面波導(dǎo)傳輸線包括從左到右依次連接的直流偏置低通濾波器、輸入匹配傳輸線、基波低通濾波器、基波匹配傳輸線、三次諧波匹配傳輸線、三級匹配傳輸線、四級匹配傳輸線、輸出匹配傳輸線，直流偏置低通濾波器和基波低通濾波器都是采用下表面與介質(zhì)基板上表面齊平的傳輸線構(gòu)成；還包括與主體波導(dǎo)交叉連接的基波輸入波導(dǎo)，基波輸入波導(dǎo)與主體波導(dǎo)的重合區(qū)域?yàn)閰^(qū)域M，輸入匹配傳輸線位于區(qū)域M內(nèi)，還包括設(shè)置在主體波導(dǎo)右端的輸出波導(dǎo)，介質(zhì)基板的右端插入到輸出波導(dǎo)內(nèi)，輸出匹配傳輸線位于輸出波導(dǎo)內(nèi)，共面波導(dǎo)傳輸線還包括2個(gè)分別位于介質(zhì)基板左右向軸線兩側(cè)的共面波導(dǎo)接地傳輸線和2個(gè)分別位于介質(zhì)基板左右向軸線兩側(cè)的耦合接地傳輸線，2個(gè)共面波導(dǎo)接地傳輸線和2個(gè)耦合接地傳輸線都與主體波導(dǎo)側(cè)內(nèi)壁連接，2個(gè)耦合接地傳輸線都位于基波輸入波導(dǎo)的左側(cè)，2個(gè)共面波導(dǎo)接地傳輸線都位于基波輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)之間，還包括四管芯倍頻二極管，四管芯倍頻二極管包括5個(gè)一字排列的多層半導(dǎo)體塊，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊都裝配在同一個(gè)支撐板上，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊遠(yuǎn)離支撐板的一側(cè)都設(shè)置有空氣橋焊盤，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊分別是:多層半導(dǎo)體塊B、多層半導(dǎo)體塊A、中間多層半導(dǎo)體塊、多層半導(dǎo)體塊C、多層半導(dǎo)體塊D，中間多層半導(dǎo)體塊上的空氣橋焊盤通過金屬陽極空氣橋分別與多層半導(dǎo)體塊A和多層半導(dǎo)體塊C橋接，多層半導(dǎo)體塊A上的空氣橋焊盤通過金屬陽極空氣橋與多層半導(dǎo)體塊B橋接，多層半導(dǎo)體塊C上的空氣橋焊盤通過金屬陽極空氣橋與多層半導(dǎo)體塊D橋接，中間多層半導(dǎo)體塊上的空氣橋焊盤倒扣粘接在三次諧波匹配傳輸線上，多層半導(dǎo)體塊B和多層半導(dǎo)體塊D上的空氣橋焊盤分別倒扣粘接在2個(gè)共面波導(dǎo)接地傳輸線上。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本結(jié)構(gòu)包括三個(gè)波導(dǎo)，分別是基波輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、主體波導(dǎo)，還有一個(gè)設(shè)置在主體波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板上采用共面波導(dǎo)傳輸線以集成的方式設(shè)置各個(gè)處理微波信號的電氣結(jié)構(gòu)，這些電氣結(jié)構(gòu)從左到右分別為:直流偏置低通濾波器、輸入匹配傳輸線、基波低通濾波器、基波匹配傳輸線、三次諧波匹配傳輸線、三級匹配傳輸線、四級匹配傳輸線、輸出匹配傳輸線，利用共面波導(dǎo)接地傳輸線作為接地線；其中介質(zhì)基板優(yōu)選用0.05mm厚的石英基板；其中基波輸入波導(dǎo)由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-10和輸入匹配傳輸線構(gòu)成作為基波的輸入端口，基波輸入波導(dǎo)通過減高進(jìn)行匹配；其中，基波低通濾波器可以使基波頻率通過二截止二次倍頻頻率和三次倍頻頻率，這樣可以將來自四管芯倍頻二極管的二次、三次倍頻頻率反射回去繼續(xù)參與倍頻并由輸出端口輸出；其中直流偏置低通濾波器可以通過直流電流和較低的頻率并對基波信號及其高次諧波進(jìn)行截止，這樣可以加載直流電壓改變四管芯倍頻二極管的偏置；其中直流偏置低通濾波器、基波輸入波導(dǎo)、基波低通濾波器一起構(gòu)成一個(gè)基波輸入雙工器，基波輸入雙工器實(shí)現(xiàn)基波信號由基波輸入波導(dǎo)的輸入后通過基波低通濾波器進(jìn)入四管芯倍頻二極管倍頻，并阻止其進(jìn)入直流偏置電路；其中，基波匹配傳輸線和三次諧波匹配傳輸線都采用四分之一波長枝節(jié)匹配電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配完成信號的小損耗傳輸；其中四管芯倍頻二極管采用四管心的平面型接觸型肖特基二極管，四管芯倍頻二極管有四個(gè)管芯級聯(lián)并在共面波導(dǎo)中構(gòu)成非平衡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)倍頻作用；其中四管芯倍頻二極管到貼在共面波導(dǎo)傳輸線上面，四管芯倍頻二極管兩端與共面波導(dǎo)接地傳輸線連接，使四管芯倍頻二極管接地，四管芯倍頻二極管中間與三次諧波匹配傳輸線相連使能量進(jìn)入四管芯倍頻二極管；其中，四管芯倍頻二極管完全放置在波導(dǎo)腔體之中；其中輸出波導(dǎo)采用經(jīng)典波導(dǎo)加微帶過渡結(jié)構(gòu)并將微帶線換成共面波導(dǎo)傳輸線，也即輸出波導(dǎo)采用經(jīng)典波導(dǎo)加輸出匹配傳輸線的結(jié)構(gòu)構(gòu)成輸出結(jié)構(gòu)；其中輸出波導(dǎo)用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-2.8 ;其中輸出波導(dǎo)采取減寬設(shè)計(jì)使二次諧波和基波截止。共面波導(dǎo)接地傳輸線與主體波導(dǎo)的腔體壁直接相連構(gòu)成接地。
[0008]直流偏置低通濾波器包括從左到右依次連接的一級匹配傳輸線A、一級連接傳輸線、一級匹配傳輸線B，一級匹配傳輸線B與輸入匹配傳輸線連接，直流偏置低通濾波器還包括2個(gè)T型開路枝節(jié)A，T型開路枝節(jié)A設(shè)置在一級連接傳輸線的左右向軸線兩側(cè)，T型開路枝節(jié)A包括互相連接成T字形的橫向枝節(jié)和豎向枝節(jié)，豎向枝節(jié)與一級連接傳輸線連接，T型開路枝節(jié)A的下表面與介質(zhì)基板的上表面共面。
[0009]直流偏置低通濾波器的橫向枝節(jié)的左端和右端都向一級連接傳輸線方向彎曲。
[0010]一級匹配傳輸線A和一級匹配傳輸線B都包括互相連接的橫向匹配傳輸線A和縱向匹配傳輸線A，橫向匹配傳輸線A的寬度小于縱向匹配傳輸線A的寬度，縱向匹配傳輸線A與一級連接傳輸線連接。
[0011]直流偏置低通濾波器:該結(jié)構(gòu)采用了共面波導(dǎo)傳輸線改進(jìn)型CMRC結(jié)構(gòu)，CMRC單元是一種通過微帶光刻腐蝕技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)50歐姆微帶傳輸線中形成的特定圖形的特殊微帶電路結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)傳輸線改進(jìn)型CMRC結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)微帶CMRC單元在俯視方