專利名稱：高效寬頻全金屬結(jié)構(gòu)1毫米二倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效寬頻全金屬結(jié)構(gòu)I毫米二倍頻器。
背景技術(shù)：
毫米波信號(hào)源是毫米波系統(tǒng)的核心，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣可以決定系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣。目前，涉及整個(gè)毫米波頻譜的能量產(chǎn)生問(wèn)題可以由固態(tài)功率源來(lái)承擔(dān)。毫米波固態(tài)源是通過(guò)諧振電路與微波半導(dǎo)體器件的相互作用，把直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的裝置，其主要優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低、效率高、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕。最10多年來(lái)，固態(tài)微波倍頻器發(fā)展十分迅速，由 早期的非線性變阻二極管倍頻器發(fā)展到變?nèi)荻O管、階躍管和雪崩管倍頻器，又由雙極晶體管倍頻器發(fā)展到單柵和雙柵微波場(chǎng)效應(yīng)管倍頻器。隨著新型器件和理論的不斷發(fā)展，HBV二極管倍頻器、ATL倍頻器、平面肖特基二極管倍頻器和HEMT (高電子遷移率晶體管)倍頻器等不斷涌現(xiàn)。倍頻器是以器件的非線性為基礎(chǔ)的，當(dāng)用一正弦信號(hào)激勵(lì)任何一個(gè)非線性器件時(shí)，便會(huì)在基波信號(hào)頻率的諧波上產(chǎn)生功率，從而產(chǎn)生倍頻效應(yīng)。器件的非線性可以分為電阻非線性和電抗非線性，電阻非線性即電阻可變，也就是直流電流與電壓之間具有非線性的靜態(tài)關(guān)系，pn節(jié)在射頻頻率上就呈現(xiàn)這種特性。分析國(guó)內(nèi)外的參考文獻(xiàn)，采用二極管倍頻在帶寬較窄時(shí)，為保證最低限度的倍頻損耗，大多采用變?nèi)荻O管或飽和截止二極管，而實(shí)現(xiàn)寬帶倍頻器大多采用混頻二極管，這樣就導(dǎo)致倍頻損耗較大，但寬帶匹配等問(wèn)題就比較容易解決。現(xiàn)在采用的倍頻的方式主要分為奇次和偶次倍頻，偶次倍頻器電路原理框圖如圖I所示，二極管對(duì)用作全波整流器件。輸入低通濾波器的作用主要是抑制輸入信號(hào)的諧波并完成輸入阻抗匹配，以便使能量有效地耦合至倍頻二極管對(duì)進(jìn)行倍頻；輸出濾波器的作用是濾除輸入信號(hào)的基波分量并為輸入信號(hào)的二次諧波提供最佳阻抗匹配。圖2是W波段二倍頻器的實(shí)現(xiàn)形式，該倍頻器的基于串聯(lián)變阻二極管設(shè)計(jì)的，倍頻電路制作在軟基板材料5880上，在75GHz至IlOGHz的頻率范圍內(nèi)，該倍頻器的變頻損耗優(yōu)于 20dB.固態(tài)的毫米波信號(hào)源由于體積小、價(jià)格低廉、易于集成及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)已成為很多系統(tǒng)的首選，因此采用倍頻二極管將信號(hào)倍頻至毫米波頻段的倍頻源模塊尤為引人注目，平衡式二倍頻器由于其可以消除奇次諧波，具有較高的倍頻效率，成為了高效倍頻器設(shè)計(jì)的首選。平衡式的二倍頻器需要設(shè)計(jì)平衡到不平衡結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，即巴倫結(jié)構(gòu)。在頻率較低的微波頻段，巴倫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟，形式多樣。然而，隨著頻率的升高，基于介質(zhì)基材形式的巴倫結(jié)構(gòu)損耗較大，致使毫米波倍頻器的變頻損耗增大，頻率越高介質(zhì)的影響就越突出。因此在寬帶倍頻器的設(shè)計(jì)中，為提高倍頻的效率，除要對(duì)非線性器件的進(jìn)行寬帶匹配之外，消除介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，降低整個(gè)通路插損，對(duì)于倍頻器的性能的提高有著極為重要的意義。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)和產(chǎn)品，現(xiàn)在微波和毫米波頻段倍頻器的電路多制作在介質(zhì)材料上，但隨著頻率擴(kuò)展到Imm頻段，介質(zhì)損耗已不容忽視，為降低介質(zhì)對(duì)倍頻電路的影響，一種方法是通過(guò)先進(jìn)的工藝能夠?qū)Τ休d倍頻電路的基板進(jìn)行減薄或者去除，然這種工藝對(duì)國(guó)外依賴于先進(jìn)的工藝條件，制作的難度較大，同時(shí)由于基板的厚度較薄，可靠性較差，而且裝配的難度也較大，同時(shí)本發(fā)明采用多漸變線分段擬合，實(shí)現(xiàn)阻抗的寬帶匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全金屬結(jié)構(gòu)的倍頻電路，消除介質(zhì)對(duì)I毫米波的影響，提高倍頻器的性能。該倍頻電路涉及到高性能的全金屬結(jié)構(gòu)的巴倫、輸入和輸出匹配電路設(shè)計(jì)。其具體的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)波導(dǎo)寬邊的指數(shù)漸變的脊，將輸入的信號(hào)傳輸至金屬脊與金屬板片構(gòu)成的縫隙中，在以金屬脊為對(duì)稱的縫隙中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等幅反向，傳輸至串聯(lián)非線性二極管對(duì)處，產(chǎn)生信號(hào)的偶次諧波。基波的二次諧波通過(guò)脊波導(dǎo)傳輸至波導(dǎo)輸出，最終實(shí)現(xiàn)寬帶高效的1_ 二倍頻器。本發(fā)明的技術(shù)方案是以T型二極管對(duì)用作全波整流器件，倍頻器由跨接于共面 波導(dǎo)上的梁式引線二極管對(duì)組成，輸入信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)推動(dòng)倍頻二極管對(duì)，倍頻輸出信號(hào)在槽線中傳播。輸出信號(hào)在槽線中可雙向傳播，可向著負(fù)載方向傳播，也可以向著源方向傳播，距倍頻二極管λ/4處的短接線保證信號(hào)的主要傳播方向?yàn)橄蛑?fù)載方向，輸出波導(dǎo)自然形成一高通濾波器濾除輸入信號(hào)的基波信號(hào)，輸入信號(hào)的二次諧波經(jīng)高通濾波器輸出，該倍頻器的輸入頻率范圍為70GHz-110GHz，輸出頻率范圍為140GHz-220GHz。輸入波導(dǎo)接口形式為WR10，輸出波導(dǎo)接口形式為WR05 ;倍頻電路采用金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，消除了介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，提高了倍頻器的效率，倍頻器的整體結(jié)構(gòu)主要有上腔、板片和下腔三部分組成，板片用來(lái)與下腔寬邊上的脊，一起構(gòu)成不平衡至平衡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和脊波導(dǎo)，上腔用于配合下腔形成波導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)槽的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)倍頻器的帶寬；該倍頻器工作時(shí)，首先通過(guò)一條多曲線擬合為漸變函數(shù)的脊，將70GHz-110GHz頻段范圍的基波等幅反向的傳輸至串聯(lián)二極管處，經(jīng)二極管對(duì)整流產(chǎn)生偶次諧波，其中二次諧波經(jīng)過(guò)脊波導(dǎo)傳輸至1_標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口輸出，四次諧波通過(guò)合理的設(shè)置空氣橋，將其反射回二極管重新進(jìn)行參與倍頻，進(jìn)而提高倍頻效率。本發(fā)明的Imm 二倍頻器消除了介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，具有較高的倍頻效率，同時(shí)沒(méi)有薄介質(zhì)的存在，倍頻器的可生產(chǎn)線、操作性及可靠性較高，在空間通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有很好使用價(jià)值。本發(fā)明采用了指數(shù)漸變線函數(shù)，與余弦的η次方漸變線函數(shù)分段擬合使用，實(shí)現(xiàn)超寬帶阻抗匹配，同時(shí)該方法使用靈活方便。


圖I是偶次倍頻原理圖。圖2是3mm頻段2倍頻器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。圖3是Imm 二倍頻器整體結(jié)構(gòu)視圖。圖4是Imm 二倍頻器整體分離結(jié)構(gòu)視圖。圖5是Imm 二倍頻器上腔剖視圖。圖6是Imm 二倍頻器下腔剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。本發(fā)明實(shí)施例包括一種高效寬頻全金屬結(jié)構(gòu)I毫米二倍頻器，以T型二極管對(duì)用作全波整流器件，采用輸入波導(dǎo)/脊波導(dǎo)/共面波導(dǎo)/鰭線/波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全波整流電路。采用這種結(jié)構(gòu)器件安裝方便，倍頻后輸出信號(hào)到輸出波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換易于實(shí)現(xiàn)，而且輸出波導(dǎo)自然形成一高通濾波器，不必單獨(dú)設(shè)計(jì)額外的濾波器，即可方便地濾除輸入信號(hào)的基波信號(hào)。所有的電路通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全部由金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，消除介質(zhì)的存在對(duì)Imm信號(hào)的影響，降低了輸出信號(hào)的損耗，進(jìn)而提高了倍頻效率。倍頻器由跨接于共面波導(dǎo)上的梁式引線二極管對(duì)組成，輸入信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)推動(dòng)倍頻二極管對(duì)，倍頻輸出信號(hào)在槽線中傳播。輸出信號(hào)在槽線中 可雙向傳播可向著負(fù)載方向(輸出波導(dǎo)方向)傳播，也可以向著源方向(輸入信號(hào)的方向)傳播，距倍頻二極管λ/4處的短接線保證信號(hào)的主要傳播方向?yàn)橄蛑?fù)載方向，輸出波導(dǎo)自然形成一高通濾波器濾除輸入信號(hào)的基波信號(hào)，輸入信號(hào)的二次諧波經(jīng)高通濾波器輸出。該倍頻器的輸入頻率范圍為70GHz-110GHz，輸出頻率范圍為140GHz-220GHz。輸入波導(dǎo)接口形式為WR10，輸出波導(dǎo)接口形式為WR05。圖3為本發(fā)明提出的倍頻器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其主要有上腔、板片和下腔三部分組成，這三部分的整體結(jié)構(gòu)剖視圖如圖4所示，黃色部分為板片，其用來(lái)與下腔寬邊上的脊，一起構(gòu)成不平衡至平衡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和脊波導(dǎo)。板片與下腔配合后的剖視圖為圖6所示，圖5為上腔的剖視圖，其用于配合下腔形成波導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)槽的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)倍頻器的帶寬。該倍頻器的具體的工作原理是，首先通過(guò)一條多曲線擬合為漸變函數(shù)的脊，將70GHz-110GHz頻段范圍的基波等幅反向的傳輸至串聯(lián)二極管處，經(jīng)二極管對(duì)整流產(chǎn)生偶次諧波，其中二次諧波經(jīng)過(guò)脊波導(dǎo)傳輸至1_標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口輸出，四次諧波通過(guò)合理的設(shè)置空氣橋，將其反射回二極管重新進(jìn)行參與倍頻，進(jìn)而提高倍頻效率。本發(fā)明不但可以在高頻段和寬頻帶內(nèi)獲取毫米波信號(hào)，而且可以在突破了單層倍頻電路輸出功率小的限制，尤其是在高頻段具有很好的使用價(jià)值。本發(fā)明的Imm 二倍頻器消除了介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，具有較高的倍頻效率，同時(shí)沒(méi)有薄介質(zhì)的存在，倍頻器的可生產(chǎn)線、操作性及可靠性較高，在空間通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有很好使用價(jià)值。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高效寬頻全金屬結(jié)構(gòu)I毫米二倍頻器，其特征在于，以T型二極管對(duì)用作全波整流器件，倍頻器由跨接于共面波導(dǎo)上的梁式引線二極管對(duì)組成，輸入信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)推動(dòng)倍頻二極管對(duì)，倍頻輸出信號(hào)在槽線中傳播。輸出信號(hào)在槽線中可雙向傳播，可向著負(fù)載方向傳播，也可以向著源方向傳播，距倍頻二極管λ/4處的短接線保證信號(hào)的主要傳播方向?yàn)橄蛑?fù)載方向，輸出波導(dǎo)自然形成一高通濾波器濾除輸入信號(hào)的基波信號(hào)，輸入信號(hào)的二次諧波經(jīng)高通濾波器輸出，該倍頻器的輸入頻率范圍為70GHz-110GHz，輸出頻率范圍為140GHz-220GHz。輸入波導(dǎo)接口形式為WR10，輸出波導(dǎo)接口形式為WR05 ;倍頻電路采用金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，消除了介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，提高了倍頻器的效率，倍頻器的整體結(jié)構(gòu)主要有上腔、板片和下腔三部分組成，板片用來(lái)與下腔寬邊上的脊，一起構(gòu)成不平衡至平衡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和脊波導(dǎo)，上腔用于配合下腔形成波導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)槽的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)倍頻器的帶寬；該倍頻器工作時(shí)，首先通過(guò)一條多曲線擬合為漸變函數(shù)的脊，將70GHz-110GHz頻段范圍的基波等幅反向的傳輸至串聯(lián)二極管處，經(jīng)二極管對(duì)整流產(chǎn)生偶次諧波，其中二次諧波經(jīng)過(guò)脊波導(dǎo)傳輸至Imm標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口輸出，四次諧波通過(guò)合理的設(shè)置空氣橋，將其反射回二極管重新進(jìn)行參與倍頻，進(jìn)而提高倍頻效率。
2.如權(quán)利要求I所述的二倍頻器，其特征在于，所述的下腔中的金屬脊采用多漸變線分段擬合使用，用于實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。金屬脊?jié)u變函數(shù)為指數(shù)漸函數(shù)與余弦的η次方函數(shù)分段擬合使用，在不連續(xù)性較弱處，采用指數(shù)漸變，漸變方程為方程I，漸變的長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，其中LI可調(diào)，在不連續(xù)性較強(qiáng)處，即電磁場(chǎng)高次模較多的地方，采用余弦的η次方漸變，漸變方程為方程2，其中η是可以根據(jù)設(shè)計(jì)的帶寬的需求可調(diào)。L是脊的長(zhǎng)度為L(zhǎng)I和L2之和。
Y= hi X exp (In (x/Ll)) x e [Ο, LI]I Y^(b-hl)*bxsinn(^-*^x~L^L_L^) + hl xe[Zl,Z] 2 式中Y漸變線的縱向變量，脊的高度分量； LI，L漸變線的橫向變量，脊的長(zhǎng)度分量； b為漸變的縱向分量的最大值，為輸入波導(dǎo)的窄邊值。
全文摘要
一種高效寬頻全金屬結(jié)構(gòu)1毫米二倍頻器，倍頻電路采用金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，消除了介質(zhì)對(duì)高頻信號(hào)的影響，提高了倍頻器的效率，倍頻器的整體結(jié)構(gòu)主要有上腔、板片和下腔三部分組成，板片用來(lái)與下腔寬邊上的脊，一起構(gòu)成不平衡至平衡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和脊波導(dǎo)，上腔用于配合下腔形成波導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)槽的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)倍頻器的帶寬；該倍頻器工作時(shí)，首先通過(guò)一條多曲線擬合為漸變函數(shù)的脊，將70GHz-110GHz頻段范圍的基波等幅反向的傳輸至串聯(lián)二極管處，經(jīng)二極管對(duì)整流產(chǎn)生偶次諧波，其中二次諧波經(jīng)過(guò)脊波導(dǎo)傳輸至1mm標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口輸出，四次諧波通過(guò)合理的設(shè)置空氣橋，將其反射回二極管重新進(jìn)行參與倍頻，進(jìn)而提高倍頻效率。
文檔編號(hào)H03B19/16GK102843100SQ201210289370
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者鄧建欽, 姜萬(wàn)順, 王明超, 代秀, 王儉超 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所