利用共面?zhèn)鬏斁€的太赫茲二倍頻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，具體是指利用共面?zhèn)鬏斁€的太赫茲二倍頻器。
【背景技術(shù)】
[0002]THz波是指頻率在0.1-1OTHz頻率范圍內(nèi)的電磁波，該波段處于微波與紅外光波之間，是人類目前尚未完全開(kāi)發(fā)的一個(gè)電磁波譜區(qū)，太赫茲技術(shù)從被提出以來(lái)以極快的速度發(fā)展。太赫茲倍頻器作為太赫茲接收機(jī)端混頻器的本振源或發(fā)射機(jī)的輻射源，已成為太赫茲前端系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。隨著太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)太赫茲倍頻器的性能要求也越來(lái)越高。在現(xiàn)有的技術(shù)中W波段頻率源的制作和性能已比較穩(wěn)定，但隨著頻率的升高，頻率源的制作和穩(wěn)定性是難以解決的問(wèn)題，且頻率源的制作成本很高，因此現(xiàn)存的太赫茲高頻段的頻率源都是采用一級(jí)或多級(jí)倍頻單元從W波段倍頻得到的。特別是在太赫茲接收機(jī)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中，倍頻器是作為頻率源提供功率來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的，其性能的好壞和制作的成本將直接影響太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展。在現(xiàn)有技術(shù)中，太赫茲二倍頻器的實(shí)現(xiàn)有兩種方法:一是采用非平衡二極管對(duì)倍頻，然后用濾波器將二倍頻頻率提取出來(lái)；二是采用平衡的反向并聯(lián)二極管對(duì)產(chǎn)生偶次諧波抑制奇次諧波從而輸出二次倍頻頻率。但兩種二倍頻器的實(shí)現(xiàn)方式中電路的接地和直流偏置回路的接地都是采用通過(guò)在基板邊緣引出金屬薄板的方式來(lái)處理的，這樣在加工的時(shí)候要對(duì)接地金屬板進(jìn)行單獨(dú)處理，增加了加工和裝配的難度，增大了裝配對(duì)電路結(jié)果的影響，降低了設(shè)計(jì)精度。由于共面?zhèn)鬏斁€在微帶線的邊緣有接地金屬放置在空氣腔中時(shí)可以與腔體壁直接相連實(shí)驗(yàn)接地，因此通過(guò)引入共面波導(dǎo)在電路內(nèi)直接接地的方式提供直流地和射頻地，可以有效的解決上述問(wèn)題。
[0003]自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，世界上許多國(guó)家在軍事、航天技術(shù)、醫(yī)學(xué)、大氣探測(cè)等領(lǐng)域?qū)μ掌澘茖W(xué)技術(shù)的研宄提供了大量的研發(fā)資金，并在該領(lǐng)域取得了豐碩的研宄成果。但是，目前太赫茲技術(shù)遠(yuǎn)不及微波和光學(xué)技術(shù)的成熟應(yīng)用，其發(fā)展在很大程度上受制于太赫茲波源和太赫茲探測(cè)設(shè)備的限制。當(dāng)今主要有三條路徑開(kāi)發(fā)太赫茲波源:(I)激光光學(xué)技術(shù)，如半導(dǎo)體激光器、氣體激光器等，這類技術(shù)主要基于激光技術(shù)向太赫茲高頻端發(fā)展；(2)以電真空器件、二極管、三極管技術(shù)等微波器件為代表的電子技術(shù)主導(dǎo)微波技術(shù)向太赫茲低頻端發(fā)展；(3)超快激光技術(shù)，該類技術(shù)是從I THz向低頻和高頻同時(shí)發(fā)展。由于空間、星際、射電天文等學(xué)科的快速推動(dòng)，基于微波技術(shù)向太赫茲技術(shù)發(fā)展的倍頻源研宄占據(jù)了 THz輻射源的主要地位?；诎雽?dǎo)體倍頻的固態(tài)源具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、可靠性高、低噪聲、低成本等其他THz輻射源不具備的優(yōu)勢(shì)，所以備受人們的關(guān)注，成為THz輻射源研宄的最大熱點(diǎn)。
[0004]近年來(lái)，基于太赫茲波倍頻技術(shù)的太赫茲波固態(tài)源受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研宄，并已取得了重大的進(jìn)步和眾多研宄成果，從而帶動(dòng)了太赫茲波倍頻技術(shù)本身的迅速發(fā)展，因而目前太赫茲波倍頻器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)取得了前所未有的成就。在現(xiàn)有的太赫茲固態(tài)源中常用的二倍頻器多是采用平衡二極管對(duì)實(shí)現(xiàn)的，且利用平面肖特基二極管加工工藝將多個(gè)管芯集成在一個(gè)基片上來(lái)提高二極管的一致性。在多管芯二極管模型的基礎(chǔ)上利用微帶線或者懸置微帶線等實(shí)現(xiàn)外圍無(wú)源電路，使二極管對(duì)相對(duì)于輸出端為平衡的同向并聯(lián)連接形成二倍頻電路，并通過(guò)輸出雙工器實(shí)現(xiàn)二次諧波的輸出和直流偏置的加載。在比較經(jīng)典的二倍頻器電路中利用電磁模式正交來(lái)隔離輸入和輸出電路。在輸入端基波信號(hào)以TEltl模耦合到反向串聯(lián)二極管對(duì)。然而，在輸出端奇次諧波受到抑制，二極管對(duì)產(chǎn)生的偶次諧波信號(hào)以TEM模式傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式正交。實(shí)際電路中，二極管對(duì)對(duì)于輸入波導(dǎo)是串聯(lián)形式，對(duì)于輸出波導(dǎo)則為并聯(lián)耦合形式。這種結(jié)構(gòu)具有抑制奇次諧波和輸入輸出端相互隔離的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)中輸入輸出端之間不用專門加入濾波器進(jìn)行濾波隔離，這樣既可以簡(jiǎn)化倍頻的結(jié)構(gòu)又可以減小能量在傳輸過(guò)程中的損耗，有利于二倍頻器的高效率設(shè)計(jì)。由于二極管對(duì)的不完全對(duì)稱產(chǎn)生不平衡電流以及二極管的直流偏置電流接地，因此需要考慮電路的接地問(wèn)題，通常是在放置二極管的基板邊緣引出對(duì)稱的金屬板來(lái)實(shí)現(xiàn)接地。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是:在現(xiàn)有技術(shù)中，二倍頻器中的無(wú)源電路采用的是在介質(zhì)基板邊緣向外伸出對(duì)稱的兩段金屬薄板來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻地和直流回路。這增加了加工難度，同時(shí)使得裝配精度對(duì)結(jié)果的影響比較大，這一點(diǎn)在太赫茲設(shè)計(jì)中極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供利用共面?zhèn)鬏斁€的太赫茲二倍頻器，本發(fā)明采用共面波導(dǎo)傳輸線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微帶線和懸置微帶線來(lái)設(shè)計(jì)二倍頻器的外圍無(wú)源電路，在電路內(nèi)直接與腔體壁連接實(shí)現(xiàn)射頻地和直流回路，這樣可以減少后續(xù)的裝配步驟，使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單易于加工和裝配，且使基板長(zhǎng)度更短。
[0007]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案如下:
利用共面?zhèn)鬏斁€的太赫茲二倍頻器，包括軸線沿X軸設(shè)置的基波輸入波導(dǎo)和軸線沿X軸設(shè)置的主體波導(dǎo)，基波輸入波導(dǎo)的右端與主體波導(dǎo)的左端連通；主體波導(dǎo)的內(nèi)腔底面設(shè)置有介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的左端伸出主體波導(dǎo)后延伸進(jìn)基波輸入波導(dǎo)內(nèi)，介質(zhì)基板上設(shè)置有下表面與介質(zhì)基板上表面齊平的共面波導(dǎo)傳輸線，共面波導(dǎo)傳輸線包括從左到右依次連接的短路傳輸線、一級(jí)連接傳輸線、匹配傳輸線、輸出波導(dǎo)匹配傳輸線、直流偏置低通濾波器，直流偏置低通濾波器采用下表面與介質(zhì)基板上表面齊平的傳輸線構(gòu)成；還包括軸線沿Y軸方向設(shè)置的輸出波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)與主體波導(dǎo)交叉連接，輸出波導(dǎo)與主體波導(dǎo)的重合區(qū)域?yàn)閰^(qū)域M，輸出波導(dǎo)匹配傳輸線設(shè)置在區(qū)域M內(nèi)；輸出波導(dǎo)的左側(cè)設(shè)置有2個(gè)軸線沿X軸方向設(shè)置的共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線，輸出波導(dǎo)的右側(cè)設(shè)置有2個(gè)軸線沿X軸方向設(shè)置的耦合接地傳輸線，共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線和耦合接地傳輸線都為下表面與介質(zhì)基板上表面齊平的接地傳輸線，共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線和耦合接地傳輸線都與主體波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)壁連接，2個(gè)共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線分別設(shè)置在一級(jí)連接傳輸線X軸方向軸線的兩側(cè)，2個(gè)耦合接地傳輸線分別設(shè)置在直流偏置低通濾波器X軸方向軸線的兩側(cè)，還包括倒貼的四管芯倍頻二極管，四管芯倍頻二極管位于基波輸入波導(dǎo)的內(nèi)腔區(qū)域內(nèi)，四管芯倍頻二極管包括5個(gè)一字排列的多層半導(dǎo)體塊，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊都裝配在同一個(gè)支撐板上，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊遠(yuǎn)離支撐板的一側(cè)都設(shè)置有空氣橋焊盤，5個(gè)多層半導(dǎo)體塊分別是:多層半導(dǎo)體塊B、多層半導(dǎo)體塊A、中間多層半導(dǎo)體塊、多層半導(dǎo)體塊C、多層半導(dǎo)體塊D，中間多層半導(dǎo)體塊上的空氣橋焊盤通過(guò)金屬陽(yáng)極空氣橋分別與多層半導(dǎo)體塊A和多層半導(dǎo)體塊C橋接，多層半導(dǎo)體塊A上的空氣橋焊盤通過(guò)金屬陽(yáng)極空氣橋與多層半導(dǎo)體塊B橋接，多層半導(dǎo)體塊C上的空氣橋焊盤通過(guò)金屬陽(yáng)極空氣橋與多層半導(dǎo)體塊D橋接，中間多層半導(dǎo)體塊上的空氣橋焊盤倒扣粘接在一級(jí)連接傳輸線上，多層半導(dǎo)體塊B和多層半導(dǎo)體塊D上的空氣橋焊盤分別倒扣粘接在2個(gè)共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線上。
[0008]上述結(jié)構(gòu)中，包括基波輸入波導(dǎo)、主體波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)都優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，介質(zhì)基板優(yōu)先采用石英基板。其中介質(zhì)基板為0.05mm厚的石英基板；無(wú)源電路采用石英基板上的共面波導(dǎo)傳輸線實(shí)現(xiàn)；基波輸入波導(dǎo)優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-6.5，基波輸入波導(dǎo)作為輸入端口通過(guò)矩形波導(dǎo)減高進(jìn)行匹配；其中短路傳輸線對(duì)于二次諧波為短路端，可將傳輸過(guò)來(lái)的二次諧波反射回去由輸出端輸出，短路傳輸線做成寬度漸變的形狀可以有效的減小所需的長(zhǎng)度，例如將短路傳輸線設(shè)置成寬度漸變的梯形或三角形或扇形；四管芯倍頻二極管采用平面接觸型肖特基二極管，四管芯倍頻二極管的四個(gè)管芯級(jí)聯(lián)的加工在一個(gè)支撐板上，并通過(guò)基波輸入波導(dǎo)中的場(chǎng)分布和一級(jí)連接傳輸線實(shí)現(xiàn)四管芯對(duì)輸入端的反向串聯(lián)和對(duì)輸出端的同向并聯(lián)構(gòu)成二倍頻電路；其中四管芯倍頻二極管倒貼在一級(jí)連接傳輸線上，四管芯倍頻二極管兩端與的共面?zhèn)鬏斁€接地傳輸線連接使四管芯倍頻二極管接地，四管芯倍頻二極管中間與一級(jí)連接傳輸線相連使能量進(jìn)入四管芯倍頻二極管；其中四管芯倍頻二極管完全放置在基波輸入波導(dǎo)中，并通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)基板的寬度使之不向外伸出；其中，介質(zhì)基板從E面縱向插入基波輸入波導(dǎo)之中，基波輸入波導(dǎo)減高后窄邊寬度和介質(zhì)基板寬度一致；其中匹配傳輸線作