利用共面传输线的太赫兹二倍频器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指利用共面传输线的太赫兹二倍频器。
【背景技术】
[0002]THz波是指频率在0.1-1OTHz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。
[0003]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宄提供了大量的研发资金，并在该领域取得了丰硕的研宄成果。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:(I)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I 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宄占据了 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辐射源研宄的最大热点。
[0004]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宄，并已取得了重大的进步和众多研宄成果，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TEltl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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]本发明的实现方案如下:
利用共面传输线的太赫兹二倍频器，包括轴线沿X轴设置的基波输入波导和轴线沿X轴设置的主体波导，基波输入波导的右端与主体波导的左端连通；主体波导的内腔底面设置有介质基板，介质基板的左端伸出主体波导后延伸进基波输入波导内，介质基板上设置有下表面与介质基板上表面齐平的共面波导传输线，共面波导传输线包括从左到右依次连接的短路传输线、一级连接传输线、匹配传输线、输出波导匹配传输线、直流偏置低通滤波器，直流偏置低通滤波器采用下表面与介质基板上表面齐平的传输线构成；还包括轴线沿Y轴方向设置的输出波导，输出波导与主体波导交叉连接，输出波导与主体波导的重合区域为区域M，输出波导匹配传输线设置在区域M内；输出波导的左侧设置有2个轴线沿X轴方向设置的共面传输线接地传输线，输出波导的右侧设置有2个轴线沿X轴方向设置的耦合接地传输线，共面传输线接地传输线和耦合接地传输线都为下表面与介质基板上表面齐平的接地传输线，共面传输线接地传输线和耦合接地传输线都与主体波导的内侧壁连接，2个共面传输线接地传输线分别设置在一级连接传输线X轴方向轴线的两侧，2个耦合接地传输线分别设置在直流偏置低通滤波器X轴方向轴线的两侧，还包括倒贴的四管芯倍频二极管，四管芯倍频二极管位于基波输入波导的内腔区域内，四管芯倍频二极管包括5个一字排列的多层半导体块，5个多层半导体块都装配在同一个支撑板上，5个多层半导体块远离支撑板的一侧都设置有空气桥焊盘，5个多层半导体块分别是:多层半导体块B、多层半导体块A、中间多层半导体块、多层半导体块C、多层半导体块D，中间多层半导体块上的空气桥焊盘通过金属阳极空气桥分别与多层半导体块A和多层半导体块C桥接，多层半导体块A上的空气桥焊盘通过金属阳极空气桥与多层半导体块B桥接，多层半导体块C上的空气桥焊盘通过金属阳极空气桥与多层半导体块D桥接，中间多层半导体块上的空气桥焊盘倒扣粘接在一级连接传输线上，多层半导体块B和多层半导体块D上的空气桥焊盘分别倒扣粘接在2个共面传输线接地传输线上。
[0008]上述结构中，包括基波输入波导、主体波导、输出波导都优先采用标准矩形波导，介质基板优先采用石英基板。其中介质基板为0.05mm厚的石英基板；无源电路采用石英基板上的共面波导传输线实现；基波输入波导优先采用标准矩形波导WR-6.5，基波输入波导作为输入端口通过矩形波导减高进行匹配；其中短路传输线对于二次谐波为短路端，可将传输过来的二次谐波反射回去由输出端输出，短路传输线做成宽度渐变的形状可以有效的减小所需的长度，例如将短路传输线设置成宽度渐变的梯形或三角形或扇形；四管芯倍频二极管采用平面接触型肖特基二极管，四管芯倍频二极管的四个管芯级联的加工在一个支撑板上，并通过基波输入波导中的场分布和一级连接传输线实现四管芯对输入端的反向串联和对输出端的同向并联构成二倍频电路；其中四管芯倍频二极管倒贴在一级连接传输线上，四管芯倍频二极管两端与的共面传输线接地传输线连接使四管芯倍频二极管接地，四管芯倍频二极管中间与一级连接传输线相连使能量进入四管芯倍频二极管；其中四管芯倍频二极管完全放置在基波输入波导中，并通过调节介质基板的宽度使之不向外伸出；其中，介质基板从E面纵向插入基波输入波导之中，基波输入波导减高后窄边宽度和介质基板宽度一致；其中匹配传输线作