基于共面波导传输线的分谐波混频器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指基于共面波导传输线的分谐波混频器。
【背景技术】
[0002]在近乎所有的太赫兹技术应用系统中，太赫兹接收前端是系统中最核心技术，它完成了太赫兹信号的频率变换。太赫兹分谐波混频器是太赫兹接收前端的关键部件。目前，在仅有的几类可工作于太赫兹频段的混频器中，只有基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器可工作于室温，因此分谐波混频器作为频率变换器件在太赫兹应用领域中具有很重要的地位。在现有技术中，分谐波混频器在射频过渡端通过微带线和上腔体充分接触实现射频和直流的接地，这样不仅增加了装配难度降低电路精度，并且中频及本振信号只能实现虚拟接地。因此基于共面波导传输线的分谐波混频器可有效解决上述问题。
[0003]太赫兹(THz)科学技术是近二十年来迅速发展的一个新兴交叉学科和研宄热点，涉及电磁学、光电子学、光学、半导体物理学、材料科学、生物、医学等多门科学。太赫兹频段覆盖电磁频谱的0.1THz-1OTHz频率范围，是一个蕴含着丰富物理内涵的宽频段电磁辐射区域。它是电磁频谱家族中的重要成员，介于红外光波和微波之间，长波段与毫米波亚毫米波相重合，短波段与红外线相重合，其基础理论、研宄方法和技术也与微波、光波两个学科领域相互衔接和兼容，是上世纪末和本世纪初迅速发展起来而形成的一门综合性学科分支。
[0004]THz波可广泛应用于许多领域，主要包括:雷达探测、遥感及大气与环境监测、安全监控与反恐、高速实时高保密度数据通信与传输、生物技术以及医学诊断等。太赫兹科学技术已成为对现代科学技术、国民经济、国防军事有重要影响的非常活跃的前沿学科，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。目前，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等国家和地区政府、社会组织、企业、大学和研宄机构投入了相当可观的人力、物力和财力到太赫兹科学技术的基础理论研宄和工程应用技术开发之中。
[0005]近年来，太赫兹技术作为重要的研宄领域，在国内外已经受到越来越广泛的关注。无论太赫兹波应用于哪个方面以及哪个频段，都离不开对太赫兹波的接收，对于最为常用的基于超外差体制的接收机来说，实现频率下变频作用的混频器是其中的一个关键部件。在固态太赫兹雷达和通信等系统中，由于缺少低噪声放大器，混频器就成为了接收端的第一级，它的指标直接影响着整体系统的性能。由于同频段高性能本振源实现难度大，采用分谐波混频技术是解决此问题的有效途径。在仅有的几类可工作于太赫兹频段的混频器中，只有基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器可工作于室温，无需提供如液氦等以实现苛刻的低温环境。
[0006]目前基于平面封装的GaAs肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器主要采用悬置微带的主流电路结构，无源电路由射频端口过渡、本振低通滤波器、本振中频双工器(包括本振端口过渡和中频低通滤波器)两部分组成。在射频过渡端通过微带线和上腔体充分接触实现射频和直流的接地。射频和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡到悬置微带并经相应匹配网络后加载到混频二极管上，由于本振信号频率低于射频端口波导截止频率，所以本振信号不会从射频端口处泄漏，而射频信号由于本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；混频产生的中频信号从本振端通过一个微带低通滤波器输出。
[0007]现有的技术中，分谐波混频器在射频过渡端通过微带线和上腔体充分接触实现射频和直流的接地，这样不仅增加了装配难度降低电路精度，并且中频及本振信号只能实现虚拟接地。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供基于共面波导传输线的分谐波混频器，本发明采用共面波导传输线，将二极管直接搭在腔体壁的一边，从而实现信号接地，电路结构简单易于装配。
[0009]本发明的实现方案如下:包括一个主空气腔、主空气腔的内底面设置有介质基板，介质基板上设置有耦合探针、共面波导传输线、本振匹配线、微带传输线，共面波导传输线包括从左到右依次连接的匹配线、第一横向传输线、本振低通滤波匹配线，耦合探针与匹配线的左端连接，本振匹配线与本振低通滤波匹配线的右端连接，微带传输线包括从左到右依次连接的第二横向传输线、中频低通滤波匹配线，第二横向传输线与本振匹配线的右端连接，第一横向传输线上设置有2个第一纵向传输线，第一横向传输线的长度方向与第一纵向传输线的长度方向垂直，第二横向传输线上设置有2个第二纵向传输线，第二横向传输线的长度方向与第二纵向传输线的长度方向垂直，共面波导传输线还包括2个分别位于匹配线两侧的接地线，2个接地线都与主空气腔的内壁连接；还包括平面肖特基反向并联混频二极管，平面肖特基反向并联混频二极管为2个并联的混频二极管的组合结构，2个混频二极管的正面为欧姆接触层，其中一个混频二极管的欧姆接触层与匹配线远离介质基板的正面连接，另外一个混频二极管的欧姆接触层与接地线远离介质基板的正面连接；还包括与主交叉连接的空气腔射频输入过渡波导和与主空气腔交叉连接的本振端口过渡波导，射频输入过渡波导与主空气腔的重合区域为区域M，耦合探针延穿过射频输入过渡波导延伸到区域M内，本振端口过渡波导与主空气腔的重合区域为区域N，本振端口匹配线位于区域N内；第一横向传输线和第一纵向传输线构成本振低通滤波器，第二横向传输线和第二纵向传输线构成中频低通滤波器。
[0010]上述结构的工作原理为:本振端口过渡波导和中频低通滤波器构成一个本振中频双工器，本振端口过渡波导为标准波导WR-4，本振端口过渡波导作为本振输入端输入本振信号，射频输入过渡波导为标准波导WR-2.2，射频输入过渡波导作为射频输入端输入射频信号，本振信号和射频信号通过平面肖特基反向并联混频二极管时，将产生丰富的谐波信号，中频信号经由本振低通滤波器和中频低通滤波器筛选后输出；射频信号和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡到共面波导传输线并经相应匹配网络后加载到平面肖特基反向并联混频二极管上，由于本振信号频率低于射频端口波导截止频率，所以本振信号不会从射频端口处泄漏，而射频信号由于本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；射频信号和本振信号在平面肖特基反向并联混频二极管处循环利用使所需中频信号能量足够大，混频产生的中频信号从本振端通过一个中频低通滤波器输出，匹配电路用来匹配混频二极管的阻抗使信号更好的传输。其中平面肖特基反向并联混频二极管通过倒扣形式用导电胶经过高温烘烤粘贴。
[0011]射频输入过渡波导的射频信号到共面波导传输线的过渡过程为:利用耦合探针穿过射频输入过渡波导的侧壁伸入到射频输入过渡波导内部，通过耦合探针的耦合作用，把射频输入过渡波导中的信号能量耦合到共面波导传输线上，尺寸经过优化，避免了高次模和传输零点的出现。
[0012]本振低通滤波器采用高低阻抗结构。用高特性阻抗线来等效原型中的串联电感，用低特性阻抗线来等效并联电容，并把若干高阻抗线和低阻抗线交替级联起来，构成梯形LC低通滤波器，在本结构中，第一横向传输线视为电感，第一纵向传输线视为电容。本振低通滤波器作用是使本振信号以较小的损耗到达平面肖特基反向并联混频二极管以驱动混频二极管进行混频处理，并抑制射频信号，防止射频信号从本振端口泄漏，提高端口隔离度，同时也不让射频信号因为泄漏而损失，能够集中能量在平面肖特基反向并联混频二极管上进行混频。
[0013]平面肖特基反向并联混频二极管的设置原理为:在微波毫米波频段，由于平面肖特基反向并联混频二极管管的封装尺寸远小于波长，其封装几乎不会影响场分布，因此不同工作频率下平面肖特基反向并联混频二极管抽取的SPICE参数线性等效电路模型可认为是准确的。然而随着频率上升至太赫兹频段，由于频率的急剧升高使得屏蔽腔体尺寸骤减，而平面肖特基反向并联混频二极管制作工艺的限制，使得平面肖特基反向并联混频二极管封装尺寸减小幅度有限，远低于工作频率上升的幅度。因此ADS中的传统平面肖特基反向并联混频二极管等效模型在太赫兹频段存在缺陷，需要重新进行等效模型的建立。本发明采用倒扣粘贴的方式设置平面肖特基反向并联混频二极管，也就是采用倒扣形式用导电胶经过高温烘烤粘贴。
[0014]中频低通滤波器采用高低阻抗结构。在本结构中，第二横向传输线视为电感，第二纵向传输线视为电容。中频低通滤波器的作用是将混频产生的中频信号从电路中提取出来，并对无用频率的信号，主要是对能量较强的本振信号进行抑制，防止其从中频端口输出造成本振信号能量的损失以及中频输出频谱不纯。中频滤波器需要尽可能减小通