基于三维金属微加工的超宽带表贴式混频器

本发明属于无线通信，具体涉及一种基于三维金属微加工的超宽带表贴式混频器。

背景技术：

1、近年来，随着通信需求的增加、工艺精度的提高以及科学研究的深入，毫米波和太赫兹领域的发展十分迅速。由于毫米波/太赫兹频段具有波长短、分辨率高、带宽范围大、穿透性较强、光子能量较低等特点，能够显著提升通信器件和通信系统的小型化、轻量化、高效化和安全性等方面的指标，因此毫米波/太赫兹技术已经被广泛应用到成像检测、高速通信、天文探测、气象卫星和生物医疗等多个领域。

2、由于毫米波/太赫兹频段的器件和系统具有体积小的特点，因此对加工工艺的要求很高。加工工艺的发展水平影响和制约了毫米波/太赫兹频段的器件性能。为了缓解加工成本和器件性能之间的矛盾，以期在较低的成本下加工出性能优异的毫米波/太赫兹器件和系统，近年来国内外研发出了各种微加工工艺，有cnc加工技术、深硅刻蚀(drie)技术、su8光刻胶技术、3d打印技术、三维金属微加工技术(常称微同轴工艺)等。cnc加工技术非常成熟，最早被用来加工毫米波/太赫兹器件，但是cnc加工属于减材制造，加工微小结构时对铣削工具的精度要求高，且加工稍复杂的结构时需要先拆分后组装，难以避免装配误差，因此加工的时间和成本会随着器件体积的减小显著提升，不利于大规模制造。深硅刻蚀(drie)技术、su8光刻胶技术和3d打印技术可以在一定程度上弥补cnc工艺的不足之处。例如深硅刻蚀(drie)技术和su8光刻胶技术采用了刻蚀、光刻等高精度的微加工工艺，在加工精度、器件复杂度和批量制造的成本等方面具有更显著的优势。然而这两种技术同样也需要装配，且硅和su8胶的机械强度较差，su8胶的导热性较差，提高了装配的难度和对应用环境的要求，因此drie技术和su8光刻胶技术在实际应用中也有很多的局限性。3d打印技术由于是一体成型，因此装配步骤少，对结构较简单的器件还可以实现一体化成型，因此装配误差很少，但是3d打印技术的精度有限(约为0.05～0.1mm)，而且在打印过程中需要支撑结构，所以在应用于毫米波/太赫兹频段时也有很多局限性。三维金属微加工技术是以uv-liga光刻工艺为基础改进而来的一种新工艺，融合了光刻、电镀和抛光等多种微加工技术，以纯铜为原材料，可以加工出空气填充的矩形微同轴线和矩形波导结构，同样是一体成型，且具有很高的加工精度(约为0.005mm)，由于原材料主要是铜，所以有着较好的机械性能和导热性能，可以通过垂直堆叠或层间互联技术实现通信系统的集成化，在毫米波/太赫兹领域有着很好的应用前景。

3、毫米波/太赫兹系统的一个关键器件便是混频器，承担着频谱搬移的功能，其指标的优劣很大程度上影响了系统的整体性能。因此，如何研制高性能的混频器一直是毫米波/太赫兹领域的重点研究方向。目前的毫米波/太赫兹混频器包含肖特基二极管混频器、热电子辐射热计混频器、超导-绝缘-超导混频器和三极管混频器等几种类型。其中超导-绝缘-超导混频器和热电子辐射热计混频器需要工作在极低的环境温度下，三极管混频器工作频率有限。而肖特基二极管混频器可以工作在室温环境、工作频带较宽、工作频率较高，同时体积较小、成本较低，因此应用很广泛。

4、传统的混频器设计思路是二极管芯片贴装到石英基片上，石英基片再装到波导腔体中来实现混频器的功能，这样就会带来两部分的装配误差，导致性能的恶化，第二部分误差通常为误差的主要来源。此外，这样的胶装方式为硬连接，一旦二极管芯片出现损坏，难以通过更换石英基片的方式二次使用波导腔体封装结构，器件的使用成本很高。另外，在设计过程中，如果石英基片长宽比太大，那么基片就容易翘曲，影响其上的电路性能，若是用波导代替微带/带状线实现部分平面辅助电路的功能，可以减小石英基片的尺寸，从而减弱石英基片形变带来的影响，但是这样会使得混频器的尺寸明显增大，不利于集成化。因此，本文设计了一种新的基于三维金属微加工的超宽带表贴式混频器，对上述的不足之处进行了改进。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于三维金属微加工的超宽带表贴式混频器的设计方法，旨在设计一种性能优异、集成度高、加工成本较低、适合大规模应用的宽带混频器结构。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于三维金属微加工的超宽带表贴式混频器，包括本振端的波导至同轴的过渡结构、本振端的阻抗匹配网络、中频端的接口至同轴的过渡结构、中频低通滤波器、中频端的阻抗匹配网络、本振-中频双工的连接结构、本振低通滤波器、第一阻抗匹配网络、二极管芯片及其同轴封装结构、第二阻抗匹配网络和射频端的同轴至波导的过渡结构；本振端的波导至同轴的过渡结构和本振端的阻抗匹配网络连接，中频端的接口至同轴的过渡结构、中频低通滤波器、中频端的阻抗匹配网络、本振-中频双工的连接结构、本振低通滤波器、第一阻抗匹配网络、二极管芯片及其同轴封装结构、第二阻抗匹配网络和射频端的同轴至波导的过渡结构依次连接；本振-中频双工的连接结构含三个端口，本振端的阻抗匹配网络还连接本振-中频双工的连接结构的第三端口，中频端的接口至同轴的过渡结构用于连接混频器与1mm同轴连接器；二极管芯片及其同轴封装结构用于混频，并采用二极管芯片处的同轴线内导体向上延伸出两个台面的结构，二极管芯片以倒扣的方式贴装到所述台面上。

3、进一步的，本振端的波导至同轴的过渡结构和射频端的同轴至波导的过渡结构的一侧是阻抗为50ω的同轴线，另一侧为标准的波导；本振端的波导至同轴的过渡结构和射频端的同轴至波导的过渡结构均包括一块背腔和一块伸出的矩形探针，背腔用于为波导结构提供短路面，矩形探针用于实现波导和同轴线之间的阻抗匹配和模式匹配，同轴线中的电磁能量传输模式为tem模式，波导中的电磁能量传输模式为te10模式。

4、进一步的，所述矩形探针中间开设一个矩形孔，矩形探针的四条侧边进行倒角。

5、进一步的，本振端的阻抗匹配网络、中频端的阻抗匹配网络、第一阻抗匹配网络和第二阻抗匹配网络均采用串联不同阻抗的同轴线实现，第二阻抗匹配网络还包含一段并联的渐变阻抗的短路同轴线，所述短路同轴线为中频信号和本振信号提供接地回路。

6、进一步的，设计为五层的拓扑结构，中频端的接口至同轴的过渡结构的1mm界面位于第五层，在1mm界面上，外导体内径为d1＝1mm，内导体外径为d2＝0.434mm，界面阻抗为50ω，在与1mm同轴连接器相连时，1mm界面上有接触力；在介质支撑条和底部外导体之间填充金属，在矩形同轴线的内导体上设置一段低阻抗传输线。

7、进一步的，中频低通滤波器和本振低通滤波器采用加载t形sir枝节的结构；中频低通滤波器和本振低通滤波器均是五阶的形式，第一阶谐振器、第三阶谐振器和第五阶谐振器均为高阻抗传输线形式，第二阶谐振器和第四阶谐振器为加载枝节的形式，相当于低阻抗传输线，能产生带外抑制零点。

8、进一步的，第二阶谐振器的加载枝节沿长度方向截面不变，第四阶谐振器的加载枝节沿长度方向呈两段梯式变化。

9、进一步的，本振-中频双工的连接结构采用t型同轴结构。

10、进一步的，二极管芯片及其同轴封装结构设置一对反向并联的二极管对实现平衡结构，内导体往上延伸至第五层，并与外导体一起形成二极管芯片的同轴贴装平台，混频器二极管芯片倒扣贴在所述平台上。

11、进一步的，内外导体之间布置介质支撑条，用于支撑内导体，外导体上开设有释放孔。

12、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明可以有效地解决传统设计思路上存在的不足之处，由于相关的辅助电路是由铜构成的微同轴线实现的，所以具有很好的机械稳定性和较小的尺寸，同时本振端和射频端的波导-探针过渡结构也避免了第二部分的误差，第一部分的误差虽然仍然存在，但是由于不是主要的误差来源，对混频器性能的影响很小；此外，微同轴混频器与辅助结构(夹具)之间无需胶装，使用螺丝和定位销钉固定组装即可，拆卸和更换较为方便。

13、进一步的，五阶的低通滤波器加载了两个t形sir枝节结构，与传统的阶跃阻抗低通滤波器相比，在保证设计原理不变的同时能够实现额外的可控传输零点，可以对特定的频带范围进行抑制，进而改善阻带的性能。

14、进一步的，二极管芯片是以倒扣的方式贴装到延伸出来的同轴线内导体组成的预留焊盘上的，安装方便；反向并联的二极管对可以实现平衡结构，从而抵消了全部的本振奇次谐波分量，只剩下本振偶次谐波分量，提升了信号功率的利用效率。

15、总之，与传统的在波导和平面电路上实现所有辅助电路的设计思路相比，本发明设计的混频器具有装配误差少、机械稳定性好、尺寸紧凑和便于拆卸更换的优点。此外，由于三维金属微加工工艺具有可批量生产的优点，所以本发明设计的混频器有望大规模应用。