[0001] 本发明涉及一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路。

[0002] 太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz～10THz(波长为0.03mm～3mm)范围内的电磁波。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，短波段与红外光相重合，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，是上世纪末和本世纪初迅速发展起来而形成的一门综合性学科分支。太赫兹波独特的电磁波谱位置使得其具有瞬态性、宽带性、相干性和低能性等特点，在信息科学、空间科学、医学以及材料科学等领域具有重要的研究价值。

[0003] 在信息科学领域，太赫兹技术的应用主要有：(1)雷达系统；由于频率的提高，太赫兹雷达在成像和探测等方面都比传统微波雷达的分辨率高，在预警雷达、探地雷达和气象雷达上都具有极大的应用前景。(2)通信系统；随着信息科学的迅猛发展，现代通信系统要求更高的速度和更强的保密性能，而与微波相比，太赫兹波波束窄、旁瓣低，可以极高的带宽进行定向通信，在局域网和卫星间的高速无线通信上都有极高的研究价值。(3)安检系统；太赫兹波具有高穿透性和低能量性，因此，基于太赫兹波的安检系统不会对人体造成损伤，比X射线安检仪具有更高的使用价值。

[0004] 太赫兹辐射计是太赫兹在信息科学领域的重要应用之一，太赫兹辐射计是测量电磁波辐射的高灵敏度系统，它是一种被动式的微波遥感设备，它本身不发射电磁波，而是通过被动地接收被观测场景辐射的电磁波能量来探测目标的特性。混频器作为辐射计前端系统的重要组成部分，其性能直接影响辐射计整体的指标。太赫兹辐射计前端的噪声主要来源于本振驱动源和混频器中的二极管，其中，本振信号中的幅度调制，甚至本振链路中放大器的热噪声，都会被引入到接收机系统中，恶化噪声系数，导致系统灵敏度降低。抑制本振链路引进的噪声，不仅可以改善接收机的噪声温度，还可以提高整体系统灵敏度和动态范围。但是，目前的太赫兹辐射计前端中并没有消除本振端口引入的噪声的方案。另一方面，现有的接收机电路由于受制于加工条件的限制，在有多个端口输入输出的情况下多采用多级电路排布，整体电路中需要多个基片和腔体，且需要连接波导或探针，加工复杂，成本高，传输损耗大。另外，二极管作为混频器非线性效应的核心，其性能与装配直接影响着混频器的性能，在低频段加工装配时，电路尺寸较大，常采用“flip-chip”方式利用导电胶将二极管倒贴在电路微带上，但是，当上升到太赫兹频段后，电路的尺寸急剧减小，人工装配的方式已无法确保其准确度。

[0005] 本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路。本发明太赫兹混频电路中的谐波混频器采用半导体技术得到，可精确控制二极管位置以及微带电路的尺寸，误差远小于人工装配，极大地减小了装配误差对混频电路性能的影响；同时，该混频电路可有效消除本振噪声，提高了系统的噪声性能和效率。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路，包括射频3dB分支波导定向耦合器1、本振135度相移3dB分支波导定向耦合器5、同轴探针8、中频耦合环9、中频信号10和两个太赫兹分谐波混频器2，所述太赫兹分谐波混频器2包括射频波导-微带过渡3、单片集成肖特基二极管对4、本振波导-微带过渡6、中频滤波器7和本振低通滤波器11；其中，所述单片集成肖特基二极管对4为反向并联的二极管对；

[0008] 射频信号经射频3dB分支波导定向耦合器1耦合成两路相位相差90度的信号后，分别进入两个太赫兹分谐波混频器2；本振驱动信号经本振135度相移3dB分支波导定向耦合器5耦合成两路相位相差135度的信号后，分别进入两个太赫兹分谐波混频器2；太赫兹分谐波混频器中的单片集成肖特基二极管对4对输入的射频信号和本振信号进行混频处理，混频产生的其他分量被中频滤波器滤掉后，仅有中频分量经由对应的中频滤波器输出，进入中频耦合环9，经180°相位变换后，输出中频信号10。

[0009] 进一步地，所述单片集成肖特基二极管对4是在厚度为5μm～15μm的GaAs基底上直接生成的，二极管焊盘与传输线采用梁式引线式的薄金带连接，可以极大地降低装配误差，提升电路性能。

[0010] 进一步地，所述中频滤波器7为中频高低阻抗线低通滤波器，其输出端采用50欧姆微带阻抗线实现，具有宽频带抑制寄生通带的特性，可以有效阻止谐波信号、本振信号、射频信号由中频段输出并将其反射回去，提高了倍频和混频效率。

[0011] 进一步地，所述本振低通滤波器11为中频高低阻抗线低通滤波器，其作用是使本振信号以较小的损耗到达二极管对以驱动其工作，并抑制射频信号，防止射频信号从本振端口泄漏，提高端口隔离度。

[0012] 其中，射频信号和本振驱动信号经两个太赫兹分谐波混频器的本振和射频端口输入后，在反向并联的单片集成肖特基二极管对4中进行混频处理；其中，相位相差135度的两路本振驱动信号馈入单片集成肖特基二极管对4产生各次谐波分量，其二次谐波分量相位相差270度，而两路射频信号相位相差90度，这样，射频信号和本振驱动信号的二次谐波分量混频后产生的信号相位相差180度。混频产生的信号中其他分量被对应的中频滤波器滤掉后，仅有中频分量输出，进入中频耦合环9，输出的两路中频信号相位相差180度。中频耦合环9进行180°相位变换，而由于噪声是随机分布的，对噪声进行相位变换没有实际意义，而经过混频器混频，中频滤波器滤波后，本振引入的噪声被功率放大器放大，此时在新的噪声基底下可认为本振引入的噪声为一个小信号，通过180度相位变换输出后，本振噪声反向被抑制，而两路中频信号同向叠加输出，最终输出经过噪声抑制的中频信号10，实现了抑制本振噪声的目的。

[0013] 本发明的有益效果为：

[0014] 1、本发明太赫兹混频电路中采用两个基于平面肖特基二极管对的单片集成式分谐波混频器，平行排布构成混频电路，利用135度和90度分支线波导定向耦合器改变两路本振和射频信号的相位，使本振二次谐波分量与射频信号混频后产生的两路中频具有180度的相位差，进入中频耦合环后，两路中频信号通过180度相位变换后同向叠加输出，而本振引入的两路噪声信号反向抵消，实现了消除本振噪声的目的，进而提高了系统的噪声性能和效率。

[0015] 2、本发明太赫兹混频电路中的肖特基二极管对采用半导体单片集成技术得到，有效解决了人工装配准确度低的问题，该肖特基二极管对直接生长于GaAs基片上并与GaAs基片上的微带线直接相连，同时在基片上生成梁式引线为二极管提供接地并支撑整个电路单片。本发明太赫兹混频电路中的肖特基二极管对通过半导体技术得到，可精确控制二极管位置以及微带电路的尺寸，误差远小于人工装配，极大地减小了装配误差对混频电路性能的影响。

[0016] 3、本发明太赫兹混频电路中采用同轴探针将两路中频输出端口与设置于另一层的中频耦合环连接，这种结构使得中频耦合环电路和混频器的微带线结构可构建在同一个腔体内，避免了多个电路模块连接的繁琐，合理利用了模块内部的空间，减少了过渡结构，简化了电路结构。

[0017] 4、本发明太赫兹混频电路中采用分谐波混频器，分谐波混频器只需接收射频频率一半的本振频率即可实现混频接收，大大降低了对太赫兹固态源的需求，有利于整个收发系统的小型化，对太赫兹技术的广泛应用具有重要的意义。附图说明

[0018] 图1为本发明提供的一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路的整体结构示意图；

[0019] 图2为本发明单片集成肖特基二极管对的三维模型；

[0020] 图3为本发明太赫兹分谐波混频器2的结构示意图；

[0021] 图4为本发明射频3dB分支波导定向耦合器的结构示意图；

[0022] 图5为本发明射频3dB分支波导定向耦合器的仿真结果；

[0023] 图6为本发明本振135度相移3dB分支波导定向耦合器的结构示意图；

[0024] 图7为本发明中频耦合环的结构示意图。

[0025] 如图1所示，为本发明提供的一种基于单片集成技术的太赫兹混频电路的整体结构示意图；包括射频3dB分支波导定向耦合器1、本振135度相移3dB分支波导定向耦合器5、同轴探针8、中频耦合环9、中频信号10和两个太赫兹分谐波混频器2，所述太赫兹分谐波混频器2包括射频波导-微带过渡3、单片集成肖特基二极管对4、本振波导-微带过渡6、中频滤波器7和本振低通滤波器11；其中，所述单片集成肖特基二极管对4为反向并联的二极管对；

[0026] 其中，标准波导WR-2.8作为射频输入端输入射频信号，射频信号从射频3dB分支波导定向耦合器1进入，标准波导WR-5.1作为本振输入端输入本振信号，本振信号从本振135度相移3dB分支波导定向耦合器5进入；射频信号经射频3dB分支波导定向耦合器1耦合成两路相位相差90度的信号后，经波导减高耦合到微带线分别进入两个太赫兹分谐波混频器2；本振驱动信号经本振135度相移3dB分支波导定向耦合器5耦合成两路相位相差135度的信号后，经波导减高耦合到微带线分别进入两个太赫兹分谐波混频器2；太赫兹分谐波混频器中的单片集成肖特基二极管对4对输入的射频信号和本振信号进行混频处理，混频产生的其他分量被中频滤波器滤掉后，仅有中频分量经由对应的中频滤波器输出，进入中频耦合环9，经180°相位变换后，输出中频信号10。

[0027] 其中，射频信号和本振驱动信号经两个太赫兹分谐波混频器的本振和射频端口输入后，在反向并联的单片集成肖特基二极管对4中进行混频处理；其中，相位相差135度的两路本振驱动信号馈入单片集成肖特基二极管对4产生各次谐波分量，其二次谐波分量相位相差270度，而两路射频信号相位相差90度，这样，射频信号和本振驱动信号的二次谐波分量混频后产生的信号相位相差180度。混频产生的信号中其他分量被对应的中频滤波器滤掉后，仅有中频分量输出，进入中频耦合环9，输出的两路中频信号相位相差180度。中频耦合环9进行180°相位变换，而由于噪声是随机分布的，对噪声进行相位变换没有实际意义，而经过混频器混频，中频滤波器滤波后，本振引入的噪声被功率放大器放大，此时在新的噪声基底下可认为本振引入的噪声为一个小信号，通过180度相位变换输出后，本振噪声反向被抑制，而两路中频信号同向叠加输出，最终输出经过噪声抑制的中频信号10，实现了抑制本振噪声的目的。

[0028] 其中，射频波导-微带过渡3和本振波导-微带过渡6采用波导减高的形式，可以使匹配更加良好。

[0029] 其中，标准波导WR-2.8具有抑制低频信号的作用，因此中频信号、本振信号不会从射频端输出。

[0030] 如图2所示，为本发明单片集成肖特基二极管对的三维模型；二极管是混频器的核心器件，它的性能直接关系到变频损耗的高低和混频器的工作带宽。在太赫兹频段波长很小，二极管的封装尺寸会对其性能造成很大的影响，应尽量选取级联电阻、结电容都比较小的二极管，但随着频率的升高，需要同时降低级联电阻、结电容，这在半导体工艺上实现具有较大的难度。本发明分谐波混频器中的单片集成肖特基二极管对，是通过半导体工艺将两个肖特基结集成在一个封装内，并构成反向并联的结构，最大程度地保证了两管的对称性，减小了封装寄生参数；然后将二极管对的衬底去掉在基片上直接生成二极管模型，并通过金带与微带线连接，如图2所示。

[0031] 如图3所示，为本发明太赫兹分谐波混频器2的结构示意图；所述太赫兹分谐波混频器2包括射频波导-微带过渡3、单片集成肖特基二极管对4、本振波导-微带过渡6、中频滤波器7和本振低通滤波器11，其中，所述单片集成肖特基二极管对4为反向并联的二极管对，以单片式集成在砷化镓基片上。

[0032] 其中，射频端的微带和腔体壁接触，以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将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。

[0033] 其中，所述中频滤波器7为中频高低阻抗线低通滤波器，其作用是将混频产生的中频信号从电路中提取出来，并对无用频率的信号，主要是对能量较强的本振信号进行抑制，防止其从中频端口输出造成本振信号能量的损失以及中频输出频谱不纯。同时，中频滤波器还需要尽可能减小通带内的插入损耗，使中频信号能以较小的损耗输出，并提高对本振频率的抑制。

[0034] 其中，所述本振低通滤波器11为中频高低阻抗线低通滤波器，其作用是使本振信号以较小的损耗到达二极管对以驱动其工作，并抑制射频信号，防止射频信号从本振端口泄漏，提高端口隔离度，同时也避免了射频信号因为泄漏而损失，能够集中能量在二极管对上进行混频。

[0035] 本发明中，本振低通滤波器和中频低通滤波器均采用高低阻抗线低通滤波器，微带高低阻抗线低通滤波器结构简单，易于加工，系统中常作为选频器件用来抑制干扰信号和谐波信号。

[0036] 如图4所示，为本发明射频3dB分支波导定向耦合器的结构示意图；该射频分支波导定向耦合器基于标准波导WR-2.8构成，主要由输入端(端口1)、直通端(端口2)、耦合端(端口3)和隔离端(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。本发明射频3dB分支波导定向耦合器具有各端口匹配、隔离度高、插入损耗小等特点，改善了三端口元件的不足。图5为本发明射频3dB分支波导定向耦合器的仿真结果，由仿真结果可以看出该射频分支波导定向耦合器回波损耗(S11)在频率范围150GHz～180GHz内优于20dB，直通端口和耦合端口隔离度(S23)也优于20dB，同时从S21和S31也可以看出其具有功率等分的良好特性。本发明射频分支波导定向耦合器良好的传输性，使得在较宽的频带范围内射频信号都能以较小的损耗加载到两个混频器上，为实现低损耗混频电路奠定了良好基础。

[0037] 如图6所示，为本发明本振135度相移3dB分支波导定向耦合器的结构示意图；该本振分支波导定向耦合器基于标准波导WR-5.1构成，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。由于本发明太赫兹混频电路中的混频器为分谐波混频器，为了保证二次谐波与射频信号混频后两路中频信号相位相反，需在直通端增加45度额外相移枝节，使直通端2与耦合端3相差为135度，其结构如图6所示。

[0038] 如图7所示，为本发明中频耦合环的结构示意图。本发明采用基于微带线的经典混合环模型，2端口接匹配负载，中频信号分别由端口1和端口3进入耦合环电路，4端口输出为两个信号的差，即信号反向叠加。

[0039] 本发明中射频功分器采用正交分支波导定向耦合器结构，通过波导-微带过渡与分谐波混频器射频端口相连接；本振功分器采用135度分支波导定向耦合器结构，通过微带线直接与分谐波混频器的本振端口相连接。两路中频输出端口通过同轴探针与设置于另一层的中频耦合环相连接，这种结构使得中频耦合环电路和混频器的微带线结构可构建在同一个腔体内，避免了多个电路模块连接的繁琐，合理利用了模块内部的空间，简化了电路，减少了电路内部的损耗。

[0040] 本发明太赫兹混频电路中采用两个基于平面肖特基二极管的单片集成式分谐波混频器，平行排布构成混频电路，射频信号和本振驱动信号经两个太赫兹分谐波混频器的本振和射频端口输入后，在反向并联的单片集成肖特基二极管对4中进行混频处理；噪声是随机分布的，混频电路中对噪声进行相位变换没有实际意义，而射频信号和本振信号由于移相作用，在混频输出时的中频信号相位相反，而在中频滤波器的作用后，经过本振放大后的噪声在新的噪声基底下可认为是一个小信号，进入中频耦合环9后，两路中频信号通过180度相位变换后同向叠加输出，而本振引入的两路噪声信号反向抵消，实现了消除本振噪声的目的，进而提高了系统的噪声性能和效率。