可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端的制作方法

本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端。

背景技术：

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究热点，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、研究方法和技术也与微波、光波两个学科领域相互衔接和兼容，具有很高的知识密集性和技术密集性。太赫兹频段覆盖电磁频谱的0.1thz～10thz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。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和检测方法，形成了电磁波谱中的太赫兹应用“空隙”。

无线通信正面临有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾，而太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，具有丰富的频谱资源。太赫兹无线通信具有上百gbps以上数据传输能力，适中的波束宽度，有效穿透等离子体壳层等优点，除了能满足地面短距离大容量通信需求外，还能用于空间通信等方面，发展太赫兹无线通信技术具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。同时，针对卫星高速数据传输的需求，现在技术发展方向主要集中在激光通信和高频微波通信两个方面。但激光通信容易受到传输环境影响，并且只能进行直线通信的条件限制，在应用范围方面受到限制。因此，为了支撑遥感卫星、通信卫星系统的建设和应用，基于太赫兹波段的超高速无线通信技术是一个更好的技术发展方向。

实现固态太赫兹应用系统的前提，首先需要研究高性能太赫兹接收前端系统。目前所研究的基于半导体技术的固态太赫兹电路多为单一器件，仅能实现倍频、混频、滤波、耦合、放大等等单一功能，并在单一器件的基础上进行级联或并联来实现太赫兹系统链路。设计中每个单独器件需要一个基片和腔体来承载电路，每个电路需要单独设计和加工，设计加工复杂度比较大且周期较长，需要多个介质基板和腔体，且体积较大。这样设计加工比较复杂、成本高且具有不必要的内部传输损耗。在太赫兹频段，单个功能模块的体积多为20mm*20mm*20mm量级，为了达到所需要的功能，现有技术多为多种模块直接级联，其体积就会成倍增加，如图1所示。

目前在太赫兹接收机系统中，已有将混频器和倍频器级联在同一个腔体的方案，但是这种方案混频器的本振驱动功率也就是倍频器的输出功率无法进行测量，就会面临无法保证合适的本振驱动功率的问题，无法保证整体电路的性能。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端，本发明在太赫兹频段将混频器、倍频器、滤波器集成在同一个腔体内，实现了单边带信号传输的功能，并在倍频器的输出端集成太赫兹耦合器电路，从而引出调试端口，方便对倍频器的输出功率进行调试，保证混频器得到合适的驱动功率。

本发明通过下述技术方案实现：

可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端，由集成在同一金属腔体的混频器本振驱动源电路、耦合器电路、分谐波混频器电路以及太赫兹腔体滤波器电路四部分组成，其中，本振驱动信号由所述混频器本振驱动源电路进行倍频，倍频后的信号进入耦合器电路进行耦合输出，为分谐波混频器电路提供本振驱动；分谐波混频器电路混频产生的射频信号经由太赫兹腔体滤波器电路输出。

优选的，所述混频器本振驱动源电路采用太赫兹三倍频器，包括倍频器本振输入端口、倍频器直流偏置电路、倍频器本振低通滤波器、倍频器二极管对和倍频器射频输出端口；本振驱动信号由倍频器本振输入端口进入，经过倍频器本振低通滤波器加载到倍频器二极管对进行倍频，倍频后的信号通过倍频器射频输出端口进入耦合器电路。

优选的，所述倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现两个端口间的隔离，所述倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接。

优选的，所述耦合器电路包括耦合器输入端、耦合器匹配端、耦合器调试端和耦合器输出端；倍频后的信号进入耦合器电路中的耦合器输入端，由耦合器输出端输出为分谐波混频器电路提供本振驱动；耦合出少部分能量由耦合器调试端输出，其输出功率可测，进而可由耦合器的耦合度算出耦合器输出端的信号功率，实现可调。

优选的，所述耦合器电路采用3分支波定向耦合器，在3分支线结构上额外铣出四个圆角。

优选的，所述分谐波混频器电路包括混频器输入端、混频器二极管对、混频器中频低通滤波器和混频器射频输出端；混频器的中频信号和本振信号分别从混频器中频低通滤波器和混频器输入端馈入，加载到混频器二极管对上进行混频，其中混频器二极管对混频产生的射频信号由混频器射频输出端输出。

优选的，由于混频器本振信号频率低于混频器射频端口波导截止频率，所以混频器本振信号不会从混频器射频端口泄漏，且混频器射频信号由于混频器本振低通滤波器的存在而不会从混频器本振端口泄漏，从而实现两个端口间的隔离。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、将混频、倍频、滤波和耦合多功能集成在同一个腔体内，可极大降低太赫兹系统射频前端的成本及复杂度。

2、多功能模块在一个电路中实现相比现有单模块级联组成的电路加工更加简单、需要的腔体数目更少，减少了多模块电路的体积，实现了电路小型化，同时也降低了加工腔体和基片的成本。

3、耦合器的集成使得倍频器输出功率的调试更加便捷，保证混频器得到合适的驱动功率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有多功能级联电路示意图。

图2为本发明的多功能集成电路示意图。

图3为本发明的射频前端整体电路结构图。

图4为本发明的分谐波混频器电路结构图。

图5为本发明的分谐波混频器仿真结果图。

图6为本发明的三倍频器电路结构图。

图7为本发明的三倍频器仿真结果图。

图8为本发明的太赫兹腔体滤波器电路结构图。

图9为本发明的太赫兹腔体滤波器仿真结果图。

图10为本发明的分支波导定向耦合器电路结构图。

图11为本发明的分支波导定向耦合器仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供了可调式的太赫兹小型化多功能集成射频前端，整个太赫兹射频前端电路集成在同一金属腔体中，如图2所示，主要由四部分组成：混频器本振驱动源电路、耦合器电路、分谐波混频器电路以及太赫兹腔体滤波器电路。

如图3所示，所示混频器本振驱动源电路采用太赫兹三倍频器，包括倍频器本振输入端口1、倍频器直流偏置电路2、倍频器本振低通滤波器3、倍频器二极管对4和倍频器射频输出端口5；本振驱动信号由倍频器本振输入端口1进入，经过倍频器本振低通滤波器3加载到倍频器二极管对4进行倍频，倍频后的信号通过倍频器射频输出端口5进入耦合器电路。

其中倍频器射频输出信号由于倍频器本振低通滤波器3(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从倍频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中倍频器直流偏置电路与倍频器电路本身由梁氏引线连接，避免了跳金丝引入的人工误差。

本振驱动源采用太赫兹三倍频器，其电路如图6所示。该三倍频器的二极管数量为偶数，输入输出信号均由二极管对中心耦合，为保证每个二极管偏置状态相同，直流偏置从二极管一端加载。由此，二极管对于输入信号呈现反向并联，对于直流偏置则为串联，同时偶次谐波在此种结构下形成虚拟回路，只有奇次谐波进入输出端，实现抑制偶次谐波的功能，适用于奇次倍频器。为便于安装平面二极管并实现滤波、匹配等功能，太赫兹倍频器中常采用电路基片作为传输线，而接入倍频器分离结构的传输线形式，在太赫兹频段一般有微带、共面波导与悬置微带三种形式。相比于背面接地的微带线形式，悬置微带并无接地，其电场由微带基片向四周至屏蔽盒发散，电场主要集中在空气而非介质基片中，可以有效减少传输线上的能量损耗；而相比于共面波导来说，悬置微带的电路结构相对简单，没有侧面接地的结构，易于制作，尤其在太赫兹高频段电路尺寸减小，简单的电路结构可以有效增加电路的可靠性。

图7中结果是不同输入功率下的倍频器仿真结果。其中输入功率为20dbm时，输出功率在104ghz-112ghz范围内大于5mw，满足混频器本振驱动功率的要求。

所述耦合器电路包括耦合器输入端6、耦合器匹配端7、耦合器调试端8和耦合器输出端9；倍频后的信号进入耦合器电路中的耦合器输入端6，由耦合器输出端9输出为分谐波混频器电路提供本振驱动；耦合出少部分能量由耦合器调试端8输出，其输出功率可测，进而可由耦合器的耦合度算出耦合器输出端9的信号功率，达到调试的目的。

本实施例中，所述耦合器电路采用分支波导定向耦合器，分支波导定向耦合器是一种四端口元件，具有各端口匹配、隔离度高、插入损耗小等优点，改善了三端口元件的不足，而且以其高功率容量特性，使其在大功率合成中具有非常高的应用潜力。射频分支波导定向耦合器基于标准波导wr-2.8构成，它主要由输入端(端口1)、直通端(端口2)、耦合端(端口3)以及隔离端(端口4)四个端口组成，其中隔离端接匹配负载，直通端和耦合端作为输出端口，且两路输出信号存在90°的相位差。

为解决分支线波导定向耦合器最窄耦合孔加工困难的问题，本发明采用了一种新型的分支波导结构，在传统的3分支线结构上额外铣出四个圆角15(在第2分支上铣出四个圆角)，其结构如图10所示。这种结构极大地降低了加工要求，同时其整体电路尺寸也相应减小，有利于系统集成。同时，这种改进型的结构在长期使用的过程中，在同样的应力情况下，更不容易发生形变，提升了耦合器的使用寿命。

本实施例中耦合器的作用是耦合出一部分能量(-10db)用来方便调试110ghz倍频器的输出功率。由图11的仿真结果可以看出射频分支波导定向耦合器回波损耗(s11)在频率范围110ghz～130ghz基本优于20db，直通端口和耦合端口隔离度(s23)也优于20db，同时从s31也可以看出耦合度具有良好的平坦性。良好的传输性能使得在较宽的频带范围内射频信号都能以较小的损耗传输，为实现低损耗的前端电路奠定了良好基础。

所述分谐波混频器电路包括混频器输入端10、混频器二极管对11、混频器中频低通滤波器12和混频器射频输出端13；混频器的中频信号和本振信号分别从混频器中频低通滤波器12和混频器输入端10馈入，加载到混频器二极管对11上进行混频，其中混频器二极管对11混频产生的射频信号由混频器射频输出端13输出。

本申请的分谐波混频器电路采用基于平面封装肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器，主要采用微带线的主流电路结构，其电路结构如图4所示。电路由射频输入波导到微带过渡，本振低通滤波器，本振双工(包括本振端口过渡和中频低通滤波)，砷化镓平面肖特基势垒二极管以及匹配电路组成，其中反向并联二极管对以单片式集成在砷化镓基片上。射频端的微带和腔体壁接触，实现射频和直流信号的接地。输入波导到探针的过渡通过一段起耦合作用的探针把波导中的电场耦合到微带中去，然后利用四分之一波长进行阻抗变换以实现与标准微带传输线的阻抗匹配。当信号通过二极管对时产生丰富的谐波，而低通滤波器用于提取所需的中频信号。混频产生的中频信号通过一个微带低通滤波器输出，经过同轴探针馈到另一层的中频混合环电路进行耦合输出。

平面肖特基二极管对是谐波混频器的关键部件，其性能直接影响混频器的实现，因此对肖特基二极管对经行精确建模是非常有必要的。为使混频器仿真更接近实际，需要在hfss中建立平面肖特基二极管对的三维电磁模型并建立相应的微带线结构。在hfss电磁仿真软件中对射频过渡、二极管对、本振双工器进行设计仿真并将仿真结果转化为snp文件并导入ads中，在ads原理图中建立谐波混频器整体电路，可得仿真结果如图5所示。分谐波混频器的仿真结果显示，在185-255ghz的宽频带内，混频器变频损耗小于10db。

其中由于混频器本振信号频率低于混频器射频端口波导截止频率，所以混频器本振信号不会从混频器射频端口处泄漏；其中混频器射频信号由于混频器本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从混频器本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离；其中混频器射频和混频器本振信号可以在混频二极管处循环利用从而减少混频中的能量损失，提高混频效率；其中混频器射频信号经由太赫兹腔体滤波器14输出，从而达到了单边带输出的目的，节约了输出频带的带宽。

滤波器作为频率选择元件在当今的通讯系统中具有重要作用，也是高频电路不可或缺的重要组成部分。现今在微波、毫米波及太赫兹电路中常用的带通滤波器都是基于波导传输元件实现的波导滤波器，特别是e面腔体滤波器因其具有结构简单，易于加工和安装，易于批量生产，能获得较高的q值和良好的滤波特性等优点而获得了广泛的应用。则本实例的太赫兹腔体滤波器采用e面腔体滤波器结构，其结构如图8所示，由图9所示的滤波器仿真结果可知，本实施例的滤波器通带为205ghz到215ghz，带内回波损耗小于-20db，带外20％处抑制为-40db。

本实施例在太赫兹频段将混频器、倍频器、滤波器集成在同一个腔体内，并在倍频器的输出端集成太赫兹耦合器电路，从而引出调试端口，方便对倍频器的输出功率进行调试，保证混频器得到合适的驱动功率。同时，多个功能集成在同一个腔体内，大大地降低了电路的体积，实现了小型化同时可有效简化电路设计和加工，节约成本、减少内部损耗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。