基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，该谐波混频器以微带传输线和一只并联接地的雪崩二极管为基础，加上共面波导单面鳍线传输线、两段双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)和一段三平行耦合线隔直器所组成，其两个分别工作在不同频率的双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)组合，既能够有效提高本振与中频、本振与射频、中频与射频端口之间的隔离度，又能灵活调整对空闲谐波频率的终端电抗性负载。本实用新型使本振的工作频率大大降低，性能大大提高，成本有效降低。
【专利说明】基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及毫米波【技术领域】，尤其涉及一种基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器。
【背景技术】
[0002]在毫米波及太赫兹频段，应用于接收和发射设备中的肖特基二极管二次或四次谐波混频器，其本振激励信号频率仍然较高，同时变频损耗较大。倘若利用更高次数的谐波进行混频，变频损耗则增加得很大。P.A.Rolland在IEEE Transact1ns on MicrowaveTheory and Techniques, 24 (11)，pp.768-775，1976 名为 “New modes of operat1n foravalanche d1des frequency multiplicat1n and up-convers1n，，的文献中提出了一种利用雪崩二极管产生的谐波实现倍频和上变频的理论，并在设计实例中给出了一个Ka波段雪崩二级管上变频器的结果，但没有给出利用雪崩二极管实现高次谐波混频的普遍性设计方法。
[0003]本实用新型的发明人在Progress In Electromagnetics ResearchLetters, N0.36:, pp.77-86, 2013 名为 “Compact lowpass filter with wide stopbandusing novel double-folded SCMRC structure with parallel open-ended stub，，文献中提出过一种基于双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)的结构，该结构具有良好的滤波效果，并且寄生通带远离工作频率。双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)电路尺寸小，并且可以作为准集成组件灵活地运用在电路中，但在该文献中没有提出过如何将它应用在毫米波及太赫兹频段的雪崩二极管谐波混频器中。
[0004]采用现有技术的二次或四次肖特基二极管谐波混频器，制造成本和使用成本都较高，所以在目前毫米波通信日益广泛的形式下，现有技术的混频器已难以满足用户降低成本的要求。
【发明内容】
[0005]本实用新型旨在提供一种基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，可在毫米波及太赫兹频段使用的，能够取代现有技术的二次或四次肖特基二极管谐波混频器，进一步有效降低本振信号的工作频率，实现低变频损耗及低成本。
[0006]为达到上述目的，本实用新型是采用以下技术方案实现的:
[0007]本实用新型公开的基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，其射频信号依次通过单面鳍线、共面波导输入，所述共面波导的输出端通过金带A连接雪崩二极管D的管芯，所述雪崩二极管D的管芯还通过金带B连接线性渐变低阻抗传输线的大端，所述线性渐变低阻抗传输线的小端通过微带传输线连接双折叠微带紧凑谐振单元A的一端，本振输入端连接三平行耦合线隔直器输入端，所述三平行耦合线隔直器的一个分支连接双折叠微带紧凑谐振单元A的另一端，其另一个分支通过微带高阻线连接双折叠微带紧凑谐振单元B的一端，所述双折叠微带紧凑谐振单元B的另一端通过扼流电感L连接直流偏置电路，还通过隔直电容C连接中频输出端，所述雪崩二极管的管芯D的阳极连接信号地GND。通过调节线性渐变低阻线的长度和双折叠微带紧凑谐振单元A与雪崩二极管D之间的距离，可以实现传输线与雪崩二极管之间的良好匹配；同时双折叠微带紧凑谐振单元A可对本振信号激励雪崩二极管D产生的高次谐波闲频形成电抗性负载，对高次谐波闲频形成抑制反射作用，同时也可提高本振和射频端口的隔离度。
[0008]进一步的，所述双折叠微带紧凑谐振单元A和双折叠微带紧凑谐振单元B相互平行。调整中频电路中的双折叠微带紧凑谐振单元B与本振电路中的双折叠微带紧凑谐振单元A之间的横向距离和纵向距离，能够使双折叠微带紧凑谐振单元B也对高次谐波闲频形成电抗性负载，最大程度的对高次谐波闲频形成抑制反射作用，同时也可提高中频和射频端口的隔离度。
[0009]优选的，所述扼流电感L为微带贴片电感，所述隔直电容C为微带贴片电容。
[0010]本实用新型能够最大限度的抑制空闲谐波频率，有效回收利用空闲谐波频率能量，降低变频损耗，其结果是使雪崩管十六次谐波混频器的最小变频损耗为15dB，达到了肖特基二极管四次谐波混频器的性能。
[0011]同时，由于本实用新型混频器的本振工作频率只有基波混频器的1/16，从而使本振的工作频率大大降低，性能大大提高，成本有效降低。因此可用于毫米波及太赫兹频段的发射或接收设备中，例如工作于94GHz频率附近的高速无线通信系统和直升机防撞系统坐寸ο
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型结构示意图。
[0013]图2是双折叠微带紧凑谐振单元的结构图。
[0014]图3是双折叠微带紧凑谐振单元的典型传输特性图。
[0015]图4是本实用新型在10GHz时的变频损耗图。
[0016]图中:1_直流偏置信号输入端2-本振输入端3-三平行耦合线隔直器4-中频输出端5-双折叠微带紧凑谐振单元B 6-双折叠微带紧凑谐振单元A 7-线性渐变低阻抗传输线 8-单面鳍线 9-共面波导 10-金带A 11-金带B 12-微带传输线13-微带高阻线
【具体实施方式】
[0017]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。
[0018]如图1所示，本实用新型公开的基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，包括:射频信号依次通过单面鳍线8、共面波导9输入，共面波导9的输出端通过金带AlO连接雪崩二极管D的管芯，所述雪崩二极管D的管芯还通过金带Bll连接线性渐变低阻抗传输线7的大端，线性渐变低阻抗传输线7的小端通过微带传输线12连接双折叠微带紧凑谐振单元A6的一端，本振输入端2连接三平行耦合线隔直器3输入端，三平行耦合线隔直器3的一个分支连接双折叠微带紧凑谐振单元A6的另一端，其另一个分支通过微带高阻线13连接双折叠微带紧凑谐振单元B5的一端，所述双折叠微带紧凑谐振单元B5的另一端通过扼流电感L连接直流偏置电路1，还通过隔直电容C连接中频输出端4，雪崩二极管的管芯D的阳极连接信号地GND ;双折叠微带紧凑谐振单元A6和双折叠微带紧凑谐振单元B5相互平行；扼流电感L采用微带贴片电感，隔直电容C采用微带贴片电容。
[0019]本实施例中，本振电路、中频电路和直流偏置电路制作在基板厚度为0.508mm的罗杰斯4350B基板上，射频电路制作在厚度为0.127mm的罗杰斯5880基板上。射频信号(fEF)从右端的射频输入端经单面鳍线8过渡和共面波导9传输后馈入至雪崩二极管D中；本振信号(fj从左端的本振输入端2经过三平行耦合线隔直器3、双折叠微带紧凑谐振单元A6和线性渐变低阻抗传输线7馈入至雪崩二极管中。本振信号(fj大约是射频信号(fEF)的十六分之一。
[0020]中频端电路与本振端电路相连，本振信号激励雪崩二极管产生的十六次谐波频率分量(16fJ与射频信号(fKF)在雪崩二极管中进行混频，混频得到的中频信号(fIF)经过本振电路中的线性渐变低阻抗传输线7和双折叠微带紧凑谐振单元A6进入到中频电路，经过双折叠微带紧凑谐振单元B5和一个隔直电容C，最终从中频输出端4输出。
[0021]直流偏置电路I与中频电路相连。雪崩二极管所需要的偏置直流从直流偏置电路I输入，经过一个扼流电感L，通过中频电路中的双折叠微带紧凑谐振单元B5、本振电路中的双折叠微带紧凑谐振单元A6和线性渐变低阻抗传输线7，馈入雪崩二极管中，实现直流偏置功能。
[0022]直流偏置电路中的扼流电感L是为了抑制并防止中频电路中的中频信号(fIF)泄漏至直流偏置电路I中。中频电路中的隔直电容C则是为了防止偏置直流泄漏到中频输出端4。
[0023]本振信号激励雪崩管产生能够达到毫米波频段的高次谐波(NfJ，除与射频信号(fEF)进行混频的十六次谐波(16fJ外，雪崩二极管D产生的其它谐波频率(Ν?^，Ν古16)和与射频信号的混频分量古16)则为空闲频率分量。位于雪崩二极管D左边的双折叠微带紧凑谐振单元A6、B5利用其宽频段的阻带特性，能够最大程度的抑制雪崩二极管D产生的谐波分量(NfJ和其与射频信号产生的混频频率分量(fKF±Nf^，N古16)。
[0024]由于雪崩二极管产生的谐波频率(NfJ和与射频信号的混频分量(fKF±NfJ覆盖了从微波到毫米波宽广的频率范围。位于雪崩二极管D左侧的双折叠微带紧凑谐振单元A6，被设计为尽可能的对各次谐波频率(NfJ均有一定程度的抑制度，但同时也能低损耗通过本振信号(fj和中频信号(fKF - 16fJ。
[0025]调整雪崩二极管D与双折叠微带紧凑谐振单元A6之间的距离，可以优化A6在射频信号(fKF)和各次谐波频率(NfJ上所呈现出的电抗性负载，实现对这些频率信号的抑制，防止射频信号(fKF)泄露到本振电路中，也可将各次谐波频率(NfJ反射回雪崩二极管中，实现谐波频率的回收利用。
[0026]同时本振电路中的三平行耦合线隔直器除了隔离直流并通过本振信号外，优化三平行耦合线隔直器与双折叠微带紧凑谐振单元A6之间的距离，也可以对射频信号(fKF)和各次谐波频率(NfJ实现一定的抑制。
[0027]位于中频电路中的双折叠微带紧凑谐振单元B5，被设计为对本振信号(fj具有很高的抑制度，防止本振信号泄漏到中频电路中；优化双折叠微带紧凑谐振单元B5与本振电路中双折叠微带紧凑谐振单元A6之间的横向距离和纵向距离，还可实现对雪崩管产生的各次谐波频率(NfJ和与射频信号的空闲混频分量(fKF±NfJ的抑制，但同时双折叠微带紧凑谐振单元B5能够低损耗通过16次谐波混频的中频信号(fKF - 16fLo)。
[0028]由于双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)具有较宽的阻带频率范围和良好的带外抑制度，能有效抑制雪崩管产生的谐波频率(NfJ和与射频信号的空闲混频分量(fKF±Nf J，因此本实用新型的雪崩二极管十六次谐波混频器较传统毫米波四次谐波混频器能够利用更高次数的谐波进行混频，并获得较低的变频损耗。
[0029]如图2，本实用新型公开一种双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)具体结构参数如表I所示。
[0030]表I
[0031]
结构变量 |W50 Iw [wi [W2 [W3
结构值(mm) 1.1 5.1~Ο 0TT2~0Γθ
结构变量 LI~L2 L3 L4 L5 L6
结构值(mm) 3.46 5.13 7.12~ΤΓδδ~072~035
[0032]从图3可以看出，如表I中各结构值构成的双折叠微带紧凑谐振单元(DCMRC)的频率传输特性良好。
[0033]从图4可以看出，本实用新型在10GHz附近的变频损耗很小，性能良好。
[0034]当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，其特征在于:射频信号依次通过单面鳍线、共面波导输入，所述共面波导的输出端通过金带A连接雪崩二极管D的管芯，所述雪崩二极管D的管芯还通过金带B连接线性渐变低阻抗传输线的大端，所述线性渐变低阻抗传输线的小端通过微带传输线连接双折叠微带紧凑谐振单元A的一端，本振输入端连接三平行耦合线隔直器输入端，所述三平行耦合线隔直器的一个分支连接双折叠微带紧凑谐振单元A的另一端，其另一个分支通过微带高阻线连接双折叠微带紧凑谐振单元B的一端，所述双折叠微带紧凑谐振单元B的另一端通过扼流电感L连接直流偏置电路，还通过隔直电容C连接中频输出端，所述雪崩二极管的管芯D的阳极连接信号地GND。
2.根据权利要求1所述的基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，其特征在于:所述双折叠微带紧凑谐振单元A和双折叠微带紧凑谐振单元B相互平行。
3.根据权利要求1所述的基于雪崩二极管的毫米波及太赫兹十六次谐波混频器，其特征在于:所述扼流电感L为微带贴片电感，所述隔直电容C为微带贴片电容。
【文档编号】H03D7/16GK203984356SQ201420312695
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】赵明华, 李可, 樊勇, 朱忠博, 崔万照 申请人:电子科技大学, 西安空间无线电技术研究所