基于共面波导传输线的太赫兹三倍频器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太赫兹技术领域，具体是指基于共面波导传输线的太赫兹三倍频器。
【背景技术】
[0002]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。随着太赫兹技术的快速发展，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，且高频频率源的制作成本很高，因此现存的太赫兹高频频段的频率源是采用一级或多级倍频单元由W波段倍频得到的。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，太赫兹三倍频器的直流偏置和倍频二极管都是通过在介质基板边缘引出对称的金属薄板的方式来接地，且直流偏置单独在一个基板上设计并用跳金丝的方式与主电路连接，这增加了加工的复杂度和装配难度，同时降低了电路设计的精度。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，并把直流偏置和整体电路设计在一个基板上可以有效的解决上述问题。
[0003]目前存在的太赫兹三倍频器大部分都是在平面肖特基二极管精确建模的基础上采用微带线或者悬置微带线构成外围无源电路并放置在波导腔体中实现的。平面型肖特基二极管对产生倍频频率，并采用微带线和悬置微带线与标准波导分别构成基波输入波导-微带过渡、基波低通滤波器、输出波导-微带过渡、匹配电路和直流偏置低通滤波器，这些无源结构分别完成基波的输入和输出、频率的选择、二极管偏压。考虑到倍频二极管对因不完全对称而产生的杂散电流和直流偏置回路的形成，因此在放置二极管的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。且大部分二倍频电路设计中直流偏置低通滤波器和其他无源电路不在同一个基板上设计需要用跳金丝的方式进行连接。
[0004]在现有技术中三倍频器中的二极管电路采用在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，且直流偏置电路和其他无源电路不在同一个基板上设计需要用跳金丝的方式装配连接。这增加了加工装配难度，同时造成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】
[0005]本发明的目的在于提供基于共面波导传输线的太赫兹三倍频器，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三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，并用基波输入双工器的方式将直流偏置和其他电路设计在一个介质基板上，减少后续的装配步骤，这样可以使电路结构更加简单易于加工和装配。
[0006]本发明的实现方案如下:基于共面波导传输线的太赫兹三倍频器，包括主体波导和设置在主体波导内腔底面的介质基板，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直流偏置低通滤波器、输入匹配传输线、基波低通滤波器、基波匹配传输线、三次谐波匹配传输线、三级匹配传输线、四级匹配传输线、输出匹配传输线，直流偏置低通滤波器和基波低通滤波器都是采用下表面与介质基板上表面齐平的传输线构成；还包括与主体波导交叉连接的基波输入波导，基波输入波导与主体波导的重合区域为区域M，输入匹配传输线位于区域M内，还包括设置在主体波导右端的输出波导，介质基板的右端插入到输出波导内，输出匹配传输线位于输出波导内，共面波导传输线还包括2个分别位于介质基板左右向轴线两侧的共面波导接地传输线和2个分别位于介质基板左右向轴线两侧的耦合接地传输线，2个共面波导接地传输线和2个耦合接地传输线都与主体波导侧内壁连接，2个耦合接地传输线都位于基波输入波导的左侧，2个共面波导接地传输线都位于基波输入波导与输出波导之间，还包括四管芯倍频二极管，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三次谐波匹配传输线上，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个共面波导接地传输线上。
[0007]本发明的技术方案是:本结构包括三个波导，分别是基波输入波导、输出波导、主体波导，还有一个设置在主体波导内的介质基板，介质基板上采用共面波导传输线以集成的方式设置各个处理微波信号的电气结构，这些电气结构从左到右分别为:直流偏置低通滤波器、输入匹配传输线、基波低通滤波器、基波匹配传输线、三次谐波匹配传输线、三级匹配传输线、四级匹配传输线、输出匹配传输线，利用共面波导接地传输线作为接地线；其中介质基板优选用0.05mm厚的石英基板；其中基波输入波导由标准矩形波导WR-10和输入匹配传输线构成作为基波的输入端口，基波输入波导通过减高进行匹配；其中，基波低通滤波器可以使基波频率通过二截止二次倍频频率和三次倍频频率，这样可以将来自四管芯倍频二极管的二次、三次倍频频率反射回去继续参与倍频并由输出端口输出；其中直流偏置低通滤波器可以通过直流电流和较低的频率并对基波信号及其高次谐波进行截止，这样可以加载直流电压改变四管芯倍频二极管的偏置；其中直流偏置低通滤波器、基波输入波导、基波低通滤波器一起构成一个基波输入双工器，基波输入双工器实现基波信号由基波输入波导的输入后通过基波低通滤波器进入四管芯倍频二极管倍频，并阻止其进入直流偏置电路；其中，基波匹配传输线和三次谐波匹配传输线都采用四分之一波长枝节匹配电路实现阻抗匹配完成信号的小损耗传输；其中四管芯倍频二极管采用四管心的平面型接触型肖特基二极管，四管芯倍频二极管有四个管芯级联并在共面波导中构成非平衡结构实现倍频作用；其中四管芯倍频二极管到贴在共面波导传输线上面，四管芯倍频二极管两端与共面波导接地传输线连接，使四管芯倍频二极管接地，四管芯倍频二极管中间与三次谐波匹配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波导腔体之中；其中输出波导采用经典波导加微带过渡结构并将微带线换成共面波导传输线，也即输出波导采用经典波导加输出匹配传输线的结构构成输出结构；其中输出波导用标准矩形波导WR-2.8 ;其中输出波导采取减宽设计使二次谐波和基波截止。共面波导接地传输线与主体波导的腔体壁直接相连构成接地。
[0008]直流偏置低通滤波器包括从左到右依次连接的一级匹配传输线A、一级连接传输线、一级匹配传输线B，一级匹配传输线B与输入匹配传输线连接，直流偏置低通滤波器还包括2个T型开路枝节A，T型开路枝节A设置在一级连接传输线的左右向轴线两侧，T型开路枝节A包括互相连接成T字形的横向枝节和竖向枝节，竖向枝节与一级连接传输线连接，T型开路枝节A的下表面与介质基板的上表面共面。
[0009]直流偏置低通滤波器的横向枝节的左端和右端都向一级连接传输线方向弯曲。
[0010]一级匹配传输线A和一级匹配传输线B都包括互相连接的横向匹配传输线A和纵向匹配传输线A，横向匹配传输线A的宽度小于纵向匹配传输线A的宽度，纵向匹配传输线A与一级连接传输线连接。
[0011]直流偏置低通滤波器:该结构采用了共面波导传输线改进型CMRC结构，CMRC单元是一种通过微带光刻腐蚀技术在标准50欧姆微带传输线中形成的特定图形的特殊微带电路结构，共面波导传输线改进型CMRC结构与传统微带CMRC单元在俯视方