本發(fā)明屬于單片集成次諧波混頻器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器。

背景技術(shù)：

混頻器作為太赫茲雷達(dá)、通信、探測及測試儀器等系統(tǒng)的重要組成部分，一直是太赫茲領(lǐng)域研究的重要課題。隨著各接收系統(tǒng)對工作帶寬、測試靈敏度以及探測距離等指標(biāo)的要求不斷提高，對混頻器的帶寬、變頻損耗和噪聲系數(shù)也提出了更高的要求。

目前，太赫茲頻段單片集成次諧波混頻器主要有兩種實現(xiàn)形式：一種是基于反并二極管對(anti-paralleldiodepair，apdp)結(jié)構(gòu)的次諧波混頻器，另一種是基于fet/hemt的平衡式次諧波混頻器?；赼pdp結(jié)構(gòu)的太赫茲單片集成次諧波混頻器多采用傳統(tǒng)的本振信號四分之一波長開路枝節(jié)和射頻信號二分之一波長短路枝節(jié)實現(xiàn)端口的阻抗匹配，存在帶寬小、芯片面積比較大，制造成本高等問題?；趂et/hemt的平衡式次諧波混頻器則是采用四分之一或二分之一波長枝節(jié)實現(xiàn)本振信號的90°或180°的移相，帶寬特性同樣不好，芯片面積比較大。如美國universityofsiegen的ullrichr.pfeiffer等采用0.13μmsigebicmos工藝設(shè)計了基于反并二極管對結(jié)構(gòu)d波段tmic次諧波混頻器，該電路3db帶寬僅有10ghz，面積為0.43×0.78mm²。瑞典chalmersuniversityoftechnology的yuyan等采用0.1μmgaasmhemt工藝設(shè)計了一款g波段tmic次諧波混頻器，fet柵極注入的本振信號由一個二分之一本振波長的傳輸線實現(xiàn)差分，射頻信號是通過一個耦合線形式的功分器饋入，混頻器所產(chǎn)生的差分的中頻采用片外巴倫合成。該混頻器的轉(zhuǎn)換損耗最小值為12db，3db帶寬為20ghz，面積比較大為1.1×0.7mm²。

對于頻率比較低的微波頻段，已有幾種方式用于提高混頻器的帶寬、減小芯片面積。臺灣國立大學(xué)linch等采用定向耦合器加載射頻和本振信號，中頻信號通過一低通濾波器引出。該電路還需要額外的射頻信號四分之一波長短路枝節(jié)為管對提供直流接地回路，同時本振到射頻的端口隔離度只有17db，3db帶寬只有13ghz。如圖2所示，東南大學(xué)的嚴(yán)蘋蘋等采用三耦合線設(shè)計了一款ka的單片集成次諧波混頻器，該混頻器的耦合線長度為本振信號八分之一波長，需要串聯(lián)電阻實現(xiàn)本振信號的泵注，使得本振信號功率消耗比較大為15dbm。上述的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為二次諧波混頻器，本振信號頻率為射頻信號頻率的一半，為了保證射頻信號低損耗傳輸所采用的耦合器長度均為射頻信號四分之一波長，該長度為本振信號的八分之一波長，因此需要額外的電阻，實現(xiàn)本振信號的饋入，這種方式本振信號的插損比較大。

因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，需要改進(jìn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：新型太赫茲頻段寬帶單片集成次諧波混頻器，包括射頻和本振信號加載耦合器，并聯(lián)接地的兩只反向并聯(lián)二極管構(gòu)成的二極管對、中頻輸出放大器電路以及低通濾波器；射頻信號由第一共面波導(dǎo)經(jīng)二分之一射頻信號波長的射頻帶阻濾波器濾波后，再由第二共面波導(dǎo)注入到二極管對的中間引腳上；本振信號是由第三共面波導(dǎo)經(jīng)四分之一本振信號波長的本振帶通濾波器濾波后，再由第二共面波導(dǎo)注入到由二極管對的中間引腳上，與射頻信號進(jìn)行混頻；混頻所產(chǎn)生的中頻信號由第四共面波導(dǎo)和隔直電容引出到中頻輸出放大器電路，經(jīng)緩沖放大后，經(jīng)低通濾波器濾波后由第五共面波導(dǎo)輸出。

上述混頻器，其中，二分之一射頻信號波長λrf/2與四分之一λlo/4本振信號波長長度相等。

上述混頻器，其中，將二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器和四分之一本振信號波長的帶通濾波器的兩條金屬導(dǎo)體共用，構(gòu)成射頻和本振信號加載耦合器。

上述混頻器，其中，射頻帶阻濾波器在接地導(dǎo)體的外側(cè)添加一條金屬導(dǎo)線，與射頻信號輸入導(dǎo)體之間通過under-pass連接。

上述混頻器，其中，本振帶通濾波器，在本振信號的輸入導(dǎo)體外側(cè)再添加一條金屬導(dǎo)體，通過underpass與內(nèi)側(cè)導(dǎo)體相連。

采用上述方案，使用并聯(lián)接地的肖特基二極管對作為混頻元件，射頻和本振信號經(jīng)多導(dǎo)體耦合器泵注到管對實現(xiàn)混頻；混頻產(chǎn)生的中頻信號通過一個共源放大器和低通濾波器引出。多導(dǎo)體耦合器可以在超寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)射頻和本振信號的低損耗傳輸，共面波導(dǎo)易于實現(xiàn)耦合線的接地；中頻放大器不僅可以提高混頻器的轉(zhuǎn)換增益，還可以提高本振和射頻到中頻端口的隔離度。因此，該電路結(jié)構(gòu)不但有效解決了太赫茲單片集成次諧波混頻器的寬帶頻率覆蓋問題，還大大降低了混頻器的轉(zhuǎn)換損耗、改善端口隔離度、減小了芯片面積。根據(jù)該技術(shù)所研制的超寬帶混頻器工作頻率實現(xiàn)太赫茲波d波段或g波段的全頻段覆蓋，并且可在超寬頻率范圍內(nèi)獲得較低的變頻損耗與隔離度等性能指標(biāo)。本發(fā)明實現(xiàn)了太赫茲單片集成次諧波混頻器在超寬工作頻率范圍，具有低變頻損耗、低制造成本、高端口隔離度等性能指標(biāo)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中ka波段次諧波混頻器原理圖之一。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中ka波段次諧波混頻器原理圖之二。

圖3為本發(fā)明新型太赫茲寬帶次諧波混頻器的原理圖之一。

圖4為本發(fā)明新型太赫茲寬帶次諧波混頻器的原理圖之二。

圖5為本發(fā)明基于共面波導(dǎo)的多導(dǎo)體耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明基于共面波導(dǎo)的中頻輸出放大器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明基于共面波導(dǎo)的改進(jìn)型多導(dǎo)體耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1為多導(dǎo)體耦合器，2為并聯(lián)接地的反并二極管對，3為中頻輸出放大器電路，4低通濾波器，5、6、9、10、14為共面波導(dǎo)，7為射頻帶阻濾波器，8為本振帶通濾波器，11為隔直電容，12為柵極偏置網(wǎng)絡(luò)，13為漏極偏置網(wǎng)絡(luò)，15改進(jìn)型多導(dǎo)體耦合器。

具體實施方式

本發(fā)明通過對國內(nèi)外毫米波/太赫茲混頻技術(shù)的深入分析和研究，提出了兩種新型的基于共面波導(dǎo)(coplanarwaveguide，cpw)多導(dǎo)體耦合器(multi-conductorscoupler)的次諧波混頻器。以下結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，對本發(fā)明應(yīng)用的頻率范圍進(jìn)行說明。本發(fā)明最適宜的應(yīng)用頻段為太赫茲波的低頻段——d波段和g波段，從110ghz延伸到220ghz。在d波段以下，高性能的本振源易于實現(xiàn)，對次諧波混頻器的需求不像太赫茲頻段那么迫切。本發(fā)明設(shè)計的次諧波混頻器采用二次諧波混頻的形式，正好解決了目前d波段和g波段缺少高性能本振源給基波混頻器設(shè)計所帶來的困難。

實施例1

如圖3所示，本發(fā)明所提出的新型的基于共面波導(dǎo)多導(dǎo)體耦合器的次諧波混頻器結(jié)構(gòu)分成四個部分，分別是射頻和本振信號加載耦合器1，并聯(lián)接地的兩只反向并聯(lián)二極管構(gòu)成的二極管對2、中頻輸出放大器電路3以及低通濾波器4。

基于共面波導(dǎo)多導(dǎo)體耦合器的次諧波混頻器的電路實現(xiàn)如圖5所示。在混頻器的電路結(jié)構(gòu)中，射頻信號由第一共面波導(dǎo)5經(jīng)二分之一射頻信號波長的射頻帶阻濾波器7濾波后，再由第二共面波導(dǎo)9注入到兩只反向并聯(lián)二極管構(gòu)成的二極管對2的中間引腳上；本振信號是由第三共面波導(dǎo)6經(jīng)四分之一本振信號波長的本振帶通濾波器8濾波后，再由第二共面波導(dǎo)9注入到由兩只反向并聯(lián)二極管構(gòu)成的二極管對2的中間引腳上，與射頻信號進(jìn)行混頻。由于該混頻器為二次諧波混頻，射頻信號頻率是本振信號頻率的兩倍，因此，二分之一射頻信號波長(λrf/2)與四分之一本振信號波長(λlo/4)長度相等。為節(jié)省面積，本發(fā)明中將二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器7和四分之一本振信號波長的帶通濾波器8的兩條金屬導(dǎo)體共用，構(gòu)成射頻和本振信號加載耦合器1?；祛l所產(chǎn)生的中頻信號由第四共面波導(dǎo)10和隔直電容11引出到中頻輸出放大器電路3處，經(jīng)緩沖放大后，經(jīng)低通濾波器4濾波后由第五共面波導(dǎo)14輸出。受自身寄生參數(shù)的影響，隔直電容11可以防止頻率比較高的射頻和本振信號向中頻端口泄漏。由于hemt器件的輸出阻抗與端口50歐姆標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗相距甚遠(yuǎn)，在不加入中頻輸出放大器電路的情況下實現(xiàn)中頻信號的無損匹配比較困難，因此，在混頻器的輸出級加入中頻輸出放大器電路3。中頻輸出放大器電路3的直流工作電壓分別通過柵極偏置網(wǎng)絡(luò)12和漏極偏置網(wǎng)絡(luò)13加載，中頻輸出放大器電路3一方面降低了中頻信號阻抗匹配的難度，另一方面還可以降低混頻器的轉(zhuǎn)換損耗、提高端口隔離度。由于耦合器的耦合系數(shù)與金屬導(dǎo)體間隙、寬度密切相關(guān)；間隙越小，耦合系數(shù)越大，但是實際加工中導(dǎo)體的寬度和間隙都是有一定限制的，例如對于襯底厚度為100μm的gaas工藝，一般間隙和導(dǎo)體寬度的最小值均為3μm。為了進(jìn)一步增加耦合器的耦合系數(shù)，降低加工難度，可以通過增加導(dǎo)體數(shù)量的方法對如圖3所示的射頻和本振信號加載耦合器做一定的改進(jìn)，原理結(jié)構(gòu)圖詳見圖4?；诠裁娌▽?dǎo)的混頻器電路實現(xiàn)如圖7所示，與圖5中射頻帶阻濾波器7相比，接地導(dǎo)體的外側(cè)添加了一條金屬導(dǎo)線，與射頻信號輸入導(dǎo)體之間通過under-pass連接；與圖5中本振帶通濾波器8相比，本振信號的輸入導(dǎo)體外側(cè)再添加了一條金屬導(dǎo)體，也是通過underpass與內(nèi)側(cè)導(dǎo)體相連。這種改進(jìn)型的多導(dǎo)體耦合器功能與圖5中射頻和本振信號加載耦合器功能相同；組成太赫茲單片集成次諧波混頻器時，二極管對2、中頻輸出放大器3以及低通濾波器4均保持不變。

上述方案與微帶線相比，共面波導(dǎo)在高頻工作時的傳輸損耗比較低。因此，本發(fā)明使用共面波導(dǎo)作為射頻和本振通道傳輸線，大大降低了信號傳輸至混頻二極管對功率損失，將因信號功率損耗導(dǎo)致的對混頻器變頻損耗以及本振信號功率消耗的影響降至最低。采用本發(fā)明所提出的基于共面波導(dǎo)多導(dǎo)體耦合器的次諧波混頻器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)超寬帶混頻器，工作頻率可以覆蓋太赫茲波低端的d波段或g波段的超寬頻率范圍。

本發(fā)明所提出的超寬帶混頻結(jié)構(gòu)具有以下特點與創(chuàng)新：

(1)工作頻帶寬：可實現(xiàn)太赫茲波低端的d波段或g波段的全頻段覆蓋；

(2)轉(zhuǎn)換損耗小：基于共面波導(dǎo)的多導(dǎo)體耦合器實現(xiàn)射頻和本振信號的低損耗傳輸，同時還采用共源放大器實現(xiàn)中頻信號的輸出，降低混頻器的轉(zhuǎn)換損耗；

(3)面積?。荷漕l和本振信號由基于共面波導(dǎo)多導(dǎo)體耦合器加載，省去由傳統(tǒng)四分之一波長枝節(jié)和二分之一波長枝節(jié)構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)，減小了芯片面積；

(4)隔離度高：共源放大器實現(xiàn)中頻信號的輸出，對泄露到中頻端口的射頻和本振信號實現(xiàn)了很好的抑制；

(5)混頻產(chǎn)物少：采用反向并聯(lián)接地的二極管對作為混頻元件，混頻產(chǎn)物中只包含本振信號的偶次諧波混頻產(chǎn)物。

本發(fā)明的保護(hù)點有如下幾項：

(1)太赫茲單片集成、寬帶次諧波混頻器的結(jié)構(gòu)形式和實現(xiàn)方式：即采用基于共面波導(dǎo)多導(dǎo)體耦合器構(gòu)成的次諧波混頻器基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用共面波導(dǎo)作為射頻和本振通道傳輸線以在比較寬頻率范圍內(nèi)降低信號的損耗，同時采用中頻共源放大器以減小混頻器的轉(zhuǎn)換損耗、提高端口隔離度。該結(jié)構(gòu)不僅可應(yīng)用與太赫茲波低端的d波段或g波段，還可以向頻率比較低的毫米波頻段延伸。

(2)基于共面波導(dǎo)的多導(dǎo)體耦合器：由于混頻器的射頻信號頻率為本振信號頻率的兩倍，則加載射頻信號的二分之一射頻信號波長的帶阻濾波器和加載本振信號的四分之一本振信號波長的帶通濾波器長度相同。為節(jié)省芯片面積，將兩個濾波器結(jié)構(gòu)相同的部分共用。同時還采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得耦合器的接地更加容易。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，損耗低及頻帶寬等優(yōu)點。

(3)基于共面波導(dǎo)的改進(jìn)型多導(dǎo)體耦合器：由于耦合器的耦合系數(shù)與導(dǎo)體間隙、寬度密切相關(guān)，間隙越小，耦合系數(shù)越大。但是實際加工中導(dǎo)體的寬度和間隙是有一定限制的。為了進(jìn)一步增加耦合器的耦合系數(shù)，降低加工難度，通過在導(dǎo)體的外側(cè)增加導(dǎo)體數(shù)量可以增加耦合器的耦合系數(shù)，進(jìn)而降低信號的傳輸損耗。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。