[实用新型]太赫兹奇次固态倍频器

说明书

技术领域

本实用新型是关于能够被广泛应用于宽带通信、雷达、医学成像、物体成像、无损探测、天文学，环境监测、安全检查、反恐探测、临近空间通信/卫星通信和雷达探测等与社会发展密切相关领域的一种太赫兹频段的奇次固态倍频器。

背景技术

太赫兹频段资源丰富，所处的频段位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，具有通信容量大、系统体积小、保密性好等优点。太赫兹通信技术除了能满足地面短距离大容量通信需求外，还能用于空间通信、信号探测等方面。在太赫兹波通信技术应用中，高质量以及稳定可靠的太赫兹源起着至关重要的作用。固态微波毫米波倍频器是现代电子系统中的关键部件,无论在射频系统还是在微波、毫米波系统中,它们性能的优劣关系到整个太赫兹系统固态前端工作性能的好坏。太赫兹波THz波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波,波长在3000～30μm范围。它在长波段与毫米波(亚毫米波)相重合,而在短波段与红外线相重合,介于毫米波与红外光之间电磁辐射区域范围内的电磁波。太赫兹频段倍频器和混频器是太赫兹系统收发前端的关键电路，它们的性能决定了太赫兹系统的性能。

太赫兹技术首先要解决的就是太赫兹源的问题,这也关系着太赫兹技术的发展。如何能研发出一种便捷、高效的太赫兹源已经成为国际太赫兹领域科技工作者的首要任务。在毫米波及亚毫米波范围,通常采用半导体器件倍频方法获得固态源。由于缺乏稳定、可靠的太赫兹信号源，太赫兹技术的发展受到很大的限制，因此研究和开发高性能的新型太赫兹倍频器具有非常积极和重要的意义。就国内目前太赫兹技术的研究情况而言，缺少具有高功率、造价低和便携式的倍频器来获得太赫兹信号源是限制太赫兹波技术应用的最主要因素。因此，研制功率高、造价低的太赫兹波倍频器对太赫兹波技术的发展起着至关重要的作用。在应用需求的牵引下，国外已有多个课题组开展了采用毫米波固态电路倍频实现THz源的研究。这种技术主要是利用频率较低的微波、毫米波振荡器，肖特基二极管倍频的方法得到THz源，这也是目前国内外获得太赫兹源的主要方法。目前获得太赫兹信号源的方式主要有：一是利用雪崩管、耿氏管、返波管振荡器等器件直接震荡产生连续波输出功率；二是利用倍频方式以获得更高频率信号。前一种方法可以获得极大的输出功率，但是体积庞大、寿命短、性能不稳定，并且需要很高的供电电压，这些缺点限制了其应用。而后一种方法由于它的输出频率可以在输入频率的N次谐波上选取，因而所需的输入信号源可以选择在技术比较成熟的频段制作，从而为保证所需的频率稳定度和相噪特性提供了条件。

在无线电发射机等电子设备的中间级,常需要通过倍频器使输出信号的频率比输入信号频率成整数倍增加,不仅使工作频率提高,在调频系统中还可扩大频偏。倍频器的主要作用是把参考源的频率倍乘到较高的频率,通常比直接产生这些频率更容易、更方便,而且不需要多个频率源。晶体振荡器的振荡频率最高只能达到200～300MHz,必须通过倍频器进行多次倍频,才能产生较高频率的微波信号。倍频器按工作原理可以分为丙类倍频器和参量倍频器两大类。丙类倍频器利用晶体管的非线性电阻效应,基于丙类放大器工作原理,用选频回路将输入正弦波的某次谐波选出,从而实现倍频功能。晶体管在非线性区工作时,折线分析法是较方便的工程计算方法,但频率进入中频和高频区便会由于晶体管的内部物理过程,使实际值与计算数值可能有很大的不同,往往是对晶体管电路的学习和应用中遇到的难点。倍频器按其倍频次数的高低可分为低次和高次倍频器两类,而按其工作原理又可分为非线性电阻倍频器和非线性电抗倍频器两大类。目前,常用的倍频器实现方法主要有两种:一种是利用PN结或金属-半导体结电容的非线性实现的倍频器,例如变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器;另一种是利用非线性电感实现的倍频器,例如利用雪崩二极管雪崩渡越效应引起的非线性电感实现的倍频器。这两种方法的缺点在于电路结构复杂、尺寸较大,需要输入、输出匹配电路、谐振电路和偏置电路,同时调试难度大,这是因为阶跃恢复二级管是一种高度非线性的元件,很容易产生自激和振荡,而雪崩二极管易产生雪崩振荡,导致倍频器的设计周期长、调试难度大。