[发明专利]利用共面传输线的太赫兹二倍频器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指利用共面传输线的太赫兹二倍频器。

背景技术

波是指频率在0.1~10THz频率范围内的电磁波，该波段处于微波与红外光波之间，是人类目前尚未完全开发的一个电磁波谱区，太赫兹技术从被提出以来以极快的速度发展。太赫兹倍频器作为太赫兹接收机端混频器的本振源或发射机的辐射源，已成为太赫兹前端系统的关键器件。随着太赫兹技术的广泛应用，对太赫兹倍频器的性能要求也越来越高。在现有的技术中W波段频率源的制作和性能已比较稳定，但随着频率的升高，频率源的制作和稳定性是难以解决的问题，且频率源的制作成本很高，因此现存的太赫兹高频段的频率源都是采用一级或多级倍频单元从W 波段倍频得到的。特别是在太赫兹接收机和发射机系统中，倍频器是作为频率源提供功率来驱动整个系统的，其性能的好坏和制作的成本将直接影响太赫兹系统的发展。在现有技术中，太赫兹二倍频器的实现有两种方法：一是采用非平衡二极管对倍频，然后用滤波器将二倍频频率提取出来；二是采用平衡的反向并联二极管对产生偶次谐波抑制奇次谐波从而输出二次倍频频率。但两种二倍频器的实现方式中电路的接地和直流偏置回路的接地都是采用通过在基板边缘引出金属薄板的方式来处理的，这样在加工的时候要对接地金属板进行单独处理，增加了加工和装配的难度，增大了装配对电路结果的影响，降低了设计精度。由于共面传输线在微带线的边缘有接地金属放置在空气腔中时可以与腔体壁直接相连实验接地，因此通过引入共面波导在电路内直接接地的方式提供直流地和射频地，可以有效的解决上述问题。

自20世纪90年代中期开始，世界上许多国家在军事、航天技术、医学、大气探测等领域对太赫兹科学技术的研究提供了大量的研发资金，并在该领域取得了丰硕的研究成果。但是，目前太赫兹技术远不及微波和光学技术的成熟应用，其发展在很大程度上受制于太赫兹波源和太赫兹探测设备的限制。当今主要有三条路径开发太赫兹波源：（1）激光光学技术，如半导体激光器、气体激光器等，这类技术主要基于激光技术向太赫兹高频端发展；（2）以电真空器件、二极管、三极管技术等微波器件为代表的电子技术主导微波技术向太赫兹低频端发展；（3）超快激光技术，该类技术是从1 THz向低频和高频同时发展。由于空间、星际、射电天文等学科的快速推动，基于微波技术向太赫兹技术发展的倍频源研究占据了THz辐射源的主要地位。基于半导体倍频的固态源具有结构紧凑、重量轻、可靠性高、低噪声、低成本等其他THz辐射源不具备的优势，所以备受人们的关注，成为THz辐射源研究的最大热点。

近年来，基于太赫兹波倍频技术的太赫兹波固态源受到了国内外的广泛关注和研究，并已取得了重大的进步和众多研究成果，从而带动了太赫兹波倍频技术本身的迅速发展，因而目前太赫兹波倍频器的实现技术已经取得了前所未有的成就。在现有的太赫兹固态源中常用的二倍频器多是采用平衡二极管对实现的，且利用平面肖特基二极管加工工艺将多个管芯集成在一个基片上来提高二极管的一致性。在多管芯二极管模型的基础上利用微带线或者悬置微带线等实现外围无源电路，使二极管对相对于输出端为平衡的同向并联连接形成二倍频电路，并通过输出双工器实现二次谐波的输出和直流偏置的加载。在比较经典的二倍频器电路中利用电磁模式正交来隔离输入和输出电路。在输入端基波信号以TE₁₀模耦合到反向串联二极管对。然而，在输出端奇次谐波受到抑制，二极管对产生的偶次谐波信号以TEM模式传输，进而实现模式正交。实际电路中，二极管对对于输入波导是串联形式，对于输出波导则为并联耦合形式。这种结构具有抑制奇次谐波和输入输出端相互隔离的特点，所以在设计中输入输出端之间不用专门加入滤波器进行滤波隔离，这样既可以简化倍频的结构又可以减小能量在传输过程中的损耗，有利于二倍频器的高效率设计。由于二极管对的不完全对称产生不平衡电流以及二极管的直流偏置电流接地，因此需要考虑电路的接地问题，通常是在放置二极管的基板边缘引出对称的金属板来实现接地。

现有技术的缺点是：在现有技术中，二倍频器中的无源电路采用的是在介质基板边缘向外伸出对称的两段金属薄板来实现射频地和直流回路。这增加了加工难度，同时使得装配精度对结果的影响比较大，这一点在太赫兹设计中极为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供利用共面传输线的太赫兹二倍频器，本发明采用共面波导传输线代替传统的微带线和悬置微带线来设计二倍频器的外围无源电路，在电路内直接与腔体壁连接实现射频地和直流回路，这样可以减少后续的装配步骤，使电路结构更加简单易于加工和装配，且使基板长度更短。