專(zhuān)利名稱(chēng)：左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波/毫米波器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種左手材料非 線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路。
背景技術(shù)：
太赫茲波(Terahertz Wave)，即頻率在0.1至10THz范圍內(nèi)的電 磁波(lTHz=1012Hz)，其波長(zhǎng)位于電磁波譜中毫米波和遠(yuǎn)紅外光之間 GOpm至3mm，所以亦有文獻(xiàn)稱(chēng)其為亞毫米波)，是電子學(xué)技術(shù)與 光子學(xué)技術(shù)、宏觀與微觀的過(guò)渡區(qū)域。
太赫茲波頻段是一個(gè)非常具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值但有待研究開(kāi)發(fā)的電 磁波頻段。上個(gè)世紀(jì)20年代就有人提出對(duì)太赫茲波進(jìn)行研究，但長(zhǎng)期 以來(lái)太赫茲波產(chǎn)生和探測(cè)的技術(shù)與十分成熟的微波、光頻技術(shù)相比十 分落后，科研工作者難以找到高能量、高效率、低造價(jià)、且能在室溫 下穩(wěn)定運(yùn)行的太赫茲波輻射源，這也是限制當(dāng)代太赫茲技術(shù)發(fā)展的最 主要原因。所以直到上個(gè)世紀(jì)80年代中期以前，人們對(duì)這個(gè)頻段的電 磁波特性知之甚少，形成了遠(yuǎn)紅外線和毫米波之間所謂的"太赫茲空白 隙"(Terahertz Gap)。
近二十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)、超快激光技術(shù)以及非線性 光學(xué)頻率變換技術(shù)的發(fā)展，與太赫茲輻射相關(guān)的THz波技術(shù)逐漸成為 國(guó)際研究的熱點(diǎn)。由于物質(zhì)在THz波頻段的發(fā)射、反射和透射光譜中 包含有豐富的物理和化學(xué)信息，并且THz波輻射源與傳統(tǒng)光源相比，
具有高穿透性、高分辨率、低損傷性等獨(dú)特、優(yōu)異的特性，所以它在 物理、化學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、安全檢査、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢 驗(yàn)、衛(wèi)星通信和武器制導(dǎo)等領(lǐng)域均具有巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和廣闊的 應(yīng)用前景。目前，包括美國(guó)、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在內(nèi)的眾多國(guó)家都對(duì)太 赫茲波技術(shù)給予高度的重視，并投入了大量的人力物力，開(kāi)展了一系 列相關(guān)領(lǐng)域的THz波技術(shù)研究[3]。研制出高功率、高能量、高效率且 能在室溫下穩(wěn)定運(yùn)行、寬帶可調(diào)的THz輻射源，成為當(dāng)前研究所急需
的問(wèn)題。
THz波輻射源是THz技術(shù)中的關(guān)鍵部件。THz波輻射源可以分別 利用電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)兩種方法來(lái)產(chǎn)生。光學(xué)方法目前主要有THz 波氣體激光器，與超短激光脈沖有關(guān)、能產(chǎn)生寬帶亞皮秒THz輻射的 光整流、光電導(dǎo)和等離子體混頻等方法。
然而，光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的THz源不能在室溫使用，需要超低溫冷卻 技術(shù)。電子學(xué)方法產(chǎn)生THz波的進(jìn)步主要依賴(lài)于微電子制造技術(shù)的發(fā) 展。電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生THz信號(hào)源的方法涵蓋了微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技 術(shù)和真空電子學(xué)技術(shù)?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的THz激光器，如量子級(jí)聯(lián)激 光器是目前發(fā)展較為迅速、且被認(rèn)為是一種較為有發(fā)展前途的THz相 干輻射源，但仍有一些技術(shù)瓶頸有待解決。
屬于真空電子學(xué)范疇的自由電子激光器，理論上可以產(chǎn)生從遠(yuǎn)紅 外到X射線全波段的相干輻射，具有頻譜范圍寬、峰值功率和平均功 率高、可連續(xù)調(diào)諧以及相干性好等優(yōu)點(diǎn)，但它體積過(guò)于巨大、能耗高、 運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較為昂貴，因此難以廣泛普及。
與以上的產(chǎn)生方法相比，電子技術(shù)產(chǎn)生THz源具有體積小，結(jié)構(gòu) 緊湊，可在常溫下使用等優(yōu)點(diǎn)，主要方法有耿氏(Gimn)振蕩器、反 向波(BWO)振蕩器、布洛赫(Bloch)振蕩器等。
由于有良好的噪聲性能，耿氏二極管振蕩器廣泛應(yīng)用于本振和驅(qū) 動(dòng)。但是，耿氏振蕩器的振蕩頻率受器件材料的限制， 一般砷化鎵耿 氏振蕩器小于0.1THz，而磷化銦耿氏振蕩器小于0.2THz。為了進(jìn)一步 提高信號(hào)源輸出信號(hào)頻率，常利用非線性傳輸線對(duì)耿氏振蕩器的輸出 信號(hào)兩倍頻或三倍頻。非線性傳輸線可以由若干段負(fù)載電容和電感的 傳輸線實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的非線性傳輸線由右手材料構(gòu)成，在THz頻率范圍 內(nèi)，諧波產(chǎn)生效率過(guò)低，通常小于5%。
左手材料是一種介電常數(shù)s和磁導(dǎo)率p均為負(fù)數(shù)的人造材料。之所以稱(chēng)它們?yōu)樽笫植牧希且驗(yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和波矢k構(gòu) 成左手規(guī)律，而不同于傳統(tǒng)材料構(gòu)成的右手規(guī)律。如圖1所示。通常， 左手材料由金屬線和分叉環(huán)狀共鳴器的排列構(gòu)成。這種材料有獨(dú)特的 電動(dòng)學(xué)特性，包括表現(xiàn)出與斯涅爾折射定律、多普勒效應(yīng)、切爾雪夫 輻射等相反的規(guī)律，折射系數(shù)為負(fù)，相速度和群速度方向相反。這種 獨(dú)特的電動(dòng)學(xué)特性使左手材料在射頻/微波的新用途研究中非常吸引 人。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種左手材料非線性傳輸 線諧波產(chǎn)生器電路，以提高輸出三次諧波的轉(zhuǎn)換效率，拓寬頻率范圍。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種左手材料非線性傳輸線諧波 產(chǎn)生器電路，該電路利用負(fù)載了變?nèi)荻O管的傳輸線單元實(shí)現(xiàn)電容隨 電壓變化的非線性，產(chǎn)生幾倍于輸入信號(hào)頻率的高次諧波，由若干相 同的傳輸線單元周期串聯(lián)排列構(gòu)成。
上述方案中，所述傳輸線單元由串聯(lián)電容CLHM、并聯(lián)電感LLHM， 以及傳輸線損耗引起的電阻串聯(lián)構(gòu)成。
上述方案中，所述串聯(lián)電容QHM由串聯(lián)電容Q和傳輸線寄生電
感Lxd串聯(lián)構(gòu)成，所述并聯(lián)電感LlHM由并聯(lián)電感Lo和傳輸線寄生電容
Cxd并聯(lián)構(gòu)成。
上述方案中，該電路在輸入端進(jìn)一步包含與所述傳輸線單元串聯(lián)
的電源Vmp、電源內(nèi)阻Rg以及隔直電容2C」0，在輸出端進(jìn)一步包含與
所述傳輸線單元串聯(lián)的負(fù)載電阻Rl和隔直電容2Cjo。
(三) 有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果
1、本發(fā)明提供的這種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，利用負(fù)載的可變電容實(shí)現(xiàn)非線性傳輸線，從而產(chǎn)生幾倍于輸入信號(hào)頻率 的高次諧波。
2、 本發(fā)明提供的這種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，在 高頻下，并聯(lián)的電感可以用傳輸線代替。
3、 本發(fā)明提供的這種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，不 但能夠得到THz信號(hào)源，而且，由于利用了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù) 數(shù)的左手材料，還可以有效提高從基波到三次諧波的轉(zhuǎn)換效率，在保 證頻率的前提下，可以將目前不到5%的輸出效率提高到20%,并拓寬 了頻率范圍。


圖1是左手材料與右手材料中波動(dòng)特性的比較示意圖，E代表電 場(chǎng)方向，H代表磁場(chǎng)方向，k代表波矢的方向，P代表能量傳播方向； 圖2是左手材料和右手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生效率的對(duì)比； 圖3是本發(fā)明提供的左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器 (LH—NLTL)的電路結(jié)構(gòu)圖4是右手材料非線性傳輸線(RH—NLTL)的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5是單位長(zhǎng)度傳輸線單元等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
目前，由周期負(fù)載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的傳輸線構(gòu)成左手材料的 方法被提出，因電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H和波矢k構(gòu)成左手規(guī)律稱(chēng)之 為左手材料非線性傳輸線(LH—NLTL)，相對(duì)于E、 H和k構(gòu)成右手規(guī) 律的右手材料非線性傳輸線(RH—NLTL)。 LH_NLTL中波具有反常的 色散，這種現(xiàn)象導(dǎo)致了諧波產(chǎn)生效率更高且有效工作頻率范圍更寬， 如圖2所示。以耿氏振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)源為輸入信號(hào)，利用左手材料 非線性傳輸線產(chǎn)生輸入信號(hào)的三次諧波，實(shí)現(xiàn)更高頻率的輸出信號(hào)。
本發(fā)明提供的這種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，利用負(fù)載了變?nèi)荻O管的傳輸線單元實(shí)現(xiàn)電容隨電壓變化的非線性，產(chǎn)生 幾倍于輸入信號(hào)頻率的高次諧波，由若干相同的傳輸線單元周期串聯(lián) 排列構(gòu)成。
如圖3所示，其中虛線方框內(nèi)的電路為傳輸線單元，每個(gè)傳輸線 單元包含串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，其中的電阻表示傳輸線的損耗。傳輸 線單元由串聯(lián)電容(^HM、并聯(lián)電感L^M，以及傳輸線損耗引起的電阻 串聯(lián)構(gòu)成。串聯(lián)電容CLHM由串聯(lián)電容C。和傳輸線寄生電感Lxd串聯(lián)構(gòu)
成，并聯(lián)電感LLHM由并聯(lián)電感L。和傳輸線寄生電容Cxd并聯(lián)構(gòu)成。 在該電路中，由于.'y'coM^Z:^^)L^-; (2)
y'co& = y = => & =——^~ (3) 其中，p表示磁導(dǎo)率，s,表示電導(dǎo)率。
由式(2)、 (3)可見(jiàn)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)數(shù)。LH—NLTL與 圖4所示的RH_NLTL相比，電容和電感的位置正好相反。由于電導(dǎo) 率和磁導(dǎo)率均為負(fù)，該傳輸線表現(xiàn)為左手特性。
在實(shí)際制作時(shí)，可變電容通過(guò)變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，而電感通過(guò)四分 之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)。
除此之外，該電路在輸入端進(jìn)一步包含與所述傳輸線單元串聯(lián)的
電源V^、電源內(nèi)阻Rg以及隔直電容2Cj0，在輸出端進(jìn)一步包含與所
述傳輸線單元串聯(lián)的負(fù)載電阻!^和隔直電容2C,
由于傳輸線本身引入寄生電容和電感，在考慮了傳輸線單位長(zhǎng)度 電容和電感的影響后，單位長(zhǎng)度傳輸線等效電路如圖5所示。其中，Lxd和Cxd是單位傳輸線引入的寄生電感及電容，Q和Lo是負(fù)載串聯(lián)電
容值和并聯(lián)電感值。1^畫(huà)是由并聯(lián)電感Lo和傳輸線寄生電容Cxd通過(guò) 并聯(lián)組成的電感，CLHM是由串聯(lián)電容Co和傳輸線寄生電感Lxd通過(guò)串 聯(lián)構(gòu)成的電容。即LH—NLTL的傳輸線單元由串聯(lián)電容Cu^和并聯(lián)電
感LLHM以及傳輸線損耗引起的電阻共同構(gòu)成。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮單位長(zhǎng)度
傳輸線對(duì)電容和電感的貢獻(xiàn)。傳輸線的長(zhǎng)度必須足夠小以保證分布參 數(shù)不會(huì)取代負(fù)載電容和電感。
以輸入50GHz的信號(hào)為例，經(jīng)過(guò)LH—NLTL后，三次諧波的輸出 頻率為150GHz。將傳輸線的布拉格頻率(單位傳輸線周期頻率)設(shè)為 150 GHz。則電容、電感滿(mǎn)足(1)式。
力腦=~^= 1=150G/fe (4) 7rV丄丄柳* C丄艦
為保證傳輸效率高，大信號(hào)輸入阻抗應(yīng)該等于50n。在設(shè)計(jì)傳輸 線時(shí)，應(yīng)該使串聯(lián)電容值和并聯(lián)電感值滿(mǎn)足(2)式。
下面介紹變?nèi)荻O管的設(shè)計(jì)方法。Cc是變?nèi)荻O管的大信號(hào)電容，
可以表示如下
其中，Cjo為零偏結(jié)電容，VA為二極管兩端的偏置電壓，O為內(nèi)建
電壓，y在一定頻率范圍內(nèi)保持為常數(shù)。根據(jù)(3)式，可以設(shè)計(jì)PIN 變?nèi)荻O管的本征層摻雜濃度分布。在(4)式中，ND (x)表示本征 層濃度分布，x從p"-層與i-層的界面為零點(diǎn)。^為本征層介電常數(shù)。結(jié)合式(3)和(4),即可得到本征層濃度分布。
<formula>formula see original document page 9</formula>
相對(duì)于變?nèi)莨艿拇箅娙?，傳輸線的寄生電容Cxd應(yīng)該是可以忽略
的，在設(shè)計(jì)時(shí)，使傳輸線的特征阻抗Z。2 75Q。
<formula>formula see original document page 9</formula>通過(guò)設(shè)計(jì)傳輸線的寬度和長(zhǎng)度使特征阻抗達(dá)到要求。同時(shí)，設(shè)計(jì) 優(yōu)化傳輸線單元的個(gè)數(shù)，使輸出的三次諧波轉(zhuǎn)換效率最高。理論計(jì)算
表明，當(dāng)單位傳輸線個(gè)數(shù)為N。pt時(shí)，三次諧波轉(zhuǎn)換效率最高。 Nor^li^,"(U2，3… (9)
本發(fā)明提供的這種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，不但 能夠得到THz信號(hào)源，而且還可以有效提高從基波到三次諧波的轉(zhuǎn)換 效率，在保證頻率的前提下，可以將目前不到5%的輸出效率提高到 20%。
定義三次諧波的轉(zhuǎn)換效率為第n個(gè)結(jié)點(diǎn)處的三次諧波電壓與基 波電壓的幅度平方之比^ 。左手材料非線性傳輸線的三次諧波轉(zhuǎn)換 效率n,(")為[l]:
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，<formula>formula see original document page 9</formula>(j),一3(3i)"W,o^,o(l-e-,Kn為非線性系數(shù)，(3為單位長(zhǎng)度的相移，oc是單位長(zhǎng)度的衰減。右手材料非線性傳輸線的三次諧波轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式結(jié)構(gòu)與左手.2卩3材料相同，但是其中，A((3,，p3卜F/、p,，p3)-(^ 2 )、sin2 ~^__sin2 L 2 2比較左手材料與右手材料非線性傳輸線的三次諧波轉(zhuǎn)換效率，如 圖2所示，在三倍布拉格頻率coa (單位傳輸線周期頻率)附近，左手 材料非線性傳輸線三次諧波轉(zhuǎn)換效率接近20%，而右手三次諧波轉(zhuǎn)換 效率卻<5%。同時(shí)，從圖2中可見(jiàn)，右手材料非線性傳輸線的三次諧 波產(chǎn)生頻率0^o^3coB;而對(duì)于左手材料，co>cob。所以，在相同條件 下，左手材料三次諧波產(chǎn)生的頻率范圍更寬。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，其特征在于，該電路利用負(fù)載了變?nèi)荻O管的傳輸線單元實(shí)現(xiàn)電容隨電壓變化的非線性，產(chǎn)生幾倍于輸入信號(hào)頻率的高次諧波，由若干相同的傳輸線單元周期串聯(lián)排列構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，其特征在于，所述傳輸線單元由串聯(lián)電容Cu^、并聯(lián)電感LLHM，以及 傳輸線損耗引起的電阻串聯(lián)構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路， 其特征在于，所述串聯(lián)電容CLHM由串聯(lián)電容C。和傳輸線寄生電感Lxd串聯(lián)構(gòu)成，所述并聯(lián)電感LLHM由并聯(lián)電感Lo和傳輸線寄生電容Cxd并聯(lián)構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路， 其特征在于，該電路在輸入端進(jìn)一步包含與所述傳輸線單元串聯(lián)的電源V^、電源內(nèi)阻Rg以及隔直電容2Cj0，在輸出端進(jìn)一步包含與所述傳輸線單元牽聯(lián)的負(fù)載電阻RL和隔直電容2Cjo。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種左手材料非線性傳輸線諧波產(chǎn)生器電路，該電路利用負(fù)載了變?nèi)荻O管的傳輸線單元實(shí)現(xiàn)電容隨電壓變化的非線性，產(chǎn)生幾倍于輸入信號(hào)頻率的高次諧波，由若干相同的傳輸線單元周期串聯(lián)排列構(gòu)成。該諧波產(chǎn)生器電路由于利用了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的左手材料，在保證頻率的前提下，能夠大幅度提高輸出三次諧波的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)拓寬了頻率范圍。
文檔編號(hào)H03B19/05GK101521485SQ20081010095
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者吳茹菲, 尹軍艦, 張海英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所