220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器

摘要

本发明提出了220GHz‑325GHz外加偏置宽带高效二倍频，利用直流偏置低通滤波器和宽带双圆环滤波器构成直流偏置和倍频器输出和输入的双工器，宽带双圆环滤波器配合波导探针滤波的同时进行匹配，基波输入采用脊波导实现输入基波的平衡结构，配合二极管的寄生参数完成输入基波的匹配，同时在输入脊波导处增加一个单面镀金的介质板片，该介质板片无镀金的一面直接与脊波导接触。本发明不但可以实现220GHz‑325GHz全波导带宽，同时具有较高的效率，突破了现有的基于介质的二倍频电路带宽和效率不可兼顾的问题，同时解决了全金属结构220GHz‑325GHz二倍频电路无法增加直流偏置电路，以及电路结构复杂、实现难度大的难题。

权利要求

1.220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，利用直流偏置低通滤波器和宽带双圆环滤波器构成直流偏置和倍频器输出和输入的双工器，宽带双圆环滤波器配合波导探针滤波的同时进行匹配，基波输入采用脊波导实现输入基波的平衡结构，配合二极管的寄生参数完成输入基波的匹配，同时在输入脊波导处增加一个单面镀金的介质板片，该介质板片无镀金的一面直接与脊波导接触。

2.如权利要求1所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，包括：

上腔体(1)、下腔体(2)、直流输入端口(3)和倍频电路(4)，输入波导接口形式为WR6.5，输出波导接口形式为WR3.4；

上腔体(1)和下腔体(2)配合，一方面构建波导传输线，另一方面与倍频电路(4)配合，形成外加偏置的二倍频电路。

3.如权利要求2所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，上腔体中输入波导组件上(102)配合下腔体(2)中的输入波导组件下(204)形成倍频器输入波导接口，接口形式为WR6.5；

上腔体(1)中的输出波导组件上(103)配合下腔体(2)中的输出波导组件下(205)形成倍频器的输出波导接口，接口形式为WR3.4；

上腔体(1)中的输入等高渐变波导组件上(104)配合下腔体(2)中的输入等高渐变波导组件下(208)形成输入端的等高渐变波导；

上腔体(1)中的输出等高渐变波导组件上(105)配合下腔体(2)中的输出等高渐变波导组件下(207)形成倍频器输出端的等高渐变波导。

4.如权利要求2所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，倍频器输入波导接口、输出波导接口中心线在同一条直线上。

5.如权利要求4所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，下腔体(2)中的第一腔体沉槽(201)、第二腔体沉槽(203)以及第三腔体沉槽(206)，相对于波导接口平面(202)下沉0.1mm。

6.如权利要求2所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，倍频电路(4)装配在下腔体(2)上，包括：平衡式脊波导(401)、反向串联二极管(402)、输入基波信号匹配单元(403)、宽带双圆环滤波器(404)、输出信号匹配单元(405)、输出信号探针(406)、偏置电路低通滤波器(407)和单面镀金的介质板片(408)。

7.如权利要求6所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，平衡式脊波导(401)采用平衡式对脊线，将等幅反向的场加到二极管(402)处，实现输入基波信号的宽频带匹配和基波二次谐波共面波导场模式转变成微带场模式。

8.如权利要求6所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，输入基波信号匹配单元(403)，实现宽带双圆环滤波器(404)与二极管(402)宽频带匹配。

9.如权利要求6所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，宽带双圆环滤波器(404)的通带为220GHz-325GHz，一方面用于220GHz-325GHz带外杂散的抑制，同时将输入的基波信号反射到二极管处重新参与倍频。

10.如权利要求6所述的220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器，其特征在于，单面镀金介质板片(408)用于220GHz-325GHz信号单向传输。

说明书

220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器

技术领域

[0001] 本发明涉及测试技术领域，特别涉及220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频器。

背景技术

[0002] 220GHz-325GHz宽带固态大功率信号发生，一直是220GHz～325GHz信号源、矢量网络分析仪、天线/RCS测试系统等测试设备重点解决的问题，与220GHz-325GHz倍频器的倍频效率、压缩点和驱动功率息息相关，提高倍频器的压缩点，增加倍频器的驱动功率，以及提高倍频器的效率都是提高倍频器输出功率的有效途径。

[0003] 由于220GHz-325GHz倍频器无论三次还是二次都难以产生宽带毫米波大功率驱动，因此，提高220GHz-325GHz倍频器的效率，是提高220GHz-325GHz频段固态源输出功率最为有效的方案。

[0004] 鉴于二倍频器较三倍频器倍频次数小、倍频效率高，同时二倍频电路相对于三倍频电路可以增加偏置电路，用于调节非线性器件(变阻二极管/变容二极管)的工作点，改善倍频效率。

[0005] 220GHz-325GHz宽带倍频器需要兼顾宽带宽和高效率两个方面的问题，目前给出的基于介质二倍频电路多为窄带电路，宽带的二倍频电路方案如图1所示，整体结构主要由上腔、板片和下腔三部分组成，板片用来与下腔宽边上的脊，一起构成不平衡至平衡的转换结构和脊波导，上腔用于配合下腔形成波导，同时通过调节其开槽的长度，调节倍频器的带宽；该倍频器工作时，首先通过一条多曲线拟合为渐变函数的脊，将110GHz-162.5GHz频段范围的基波等幅反向的传输至串联二极管处，经二极管对整流产生偶次谐波，其中二次谐波经过脊波导传输至1mm标准波导口(WR3.4)输出。

[0006] 该倍频器采用全金属结构的电路构成，机械加工难度大，同时精度要求高，实现起来比较困难，同时该电路无直流偏置，对110GHz-162.5GHz频段的基波输出功率要求高，因为110GHz-162.5GHz频段无相应的宽带功率放大器。

[0007] 现有的毫米波倍频电路主要有两种形式，一种是基于基片的毫米波二倍频电路，一种是如图1所示的基于全金属结构的二倍频电路。基于基片的二倍频电路，难以实现220GHz-325GHz全波导带宽内的高效倍频，而基于全金属结构的二倍频电路能在220GHz-
325GHz全波导带宽内实现高效率倍频，但其难以增加偏置电路，对倍频器的输入功率要求较高，同时其电路结构复杂、加工精度要求高，因此加工实现难度大。

发明内容

[0008] 本发明提出了220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频，不但可以实现220GHz-325GHz全波导带宽，同时具有较高的效率，突破了现有的基于介质的二倍频电路带宽和效率不可兼顾的问题，同时解决了全金属结构220GHz-325GHz二倍频电路无法增加直流偏置电路，以及电路结构复杂、实现难度大的难题。

[0009] 本发明在220GHz-325GHz整个波导带宽内实现二次高效倍频，通过合理的增加偏置电路，使得用于倍频的肖特基二极管工作在合适的静态工作点，降低对倍频器输入功率的要求，提高倍频器的效率，利用圆环谐振器配合环间连接电感和互耦电容，以较小的电路尺寸实现倍频器输入信号谐波的宽带滤波。

[0010] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0011] 220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频，利用直流偏置低通滤波器和宽带双圆环滤波器构成直流偏置和倍频器输出和输入的双工器，宽带双圆环滤波器配合波导探针滤波的同时进行匹配，基波输入采用脊波导实现输入基波的平衡结构，配合二极管的寄生参数完成输入基波的匹配，同时在输入脊波导处增加一个单面镀金的介质板片，该介质板片无镀金的一面直接与脊波导接触。

[0012] 上述毫米波二倍频器，包括：上腔体1、下腔体2、直流输入端口3和倍频电路4，输入波导接口形式为WR6.5，输出波导接口形式为WR3.4；

[0013] 上腔体1和下腔体2配合，一方面构建波导传输线，另一方面与倍频电路4配合，形成外加偏置的二倍频电路。

[0014] 可选地，上腔体中输入波导组件上102配合下腔体2中的输入波导组件下204形成倍频器输入波导接口，接口形式为WR6.5；

[0015] 上腔体1中的输出波导组件上103配合下腔体2中的输出波导组件下205形成倍频器的输出波导接口，接口形式为WR3.4；

[0016] 上腔体1中的输入等高渐变波导组件上104配合下腔体2中的输入等高渐变波导组件下208形成输入端的等高渐变波导；

[0017] 上腔体1中的输出等高渐变波导组件上105配合下腔体2中的输出等高渐变波导组件下207形成倍频器输出端的等高渐变波导。

[0018] 可选地，倍频器输入波导接口、输出波导接口中心线在同一条直线上。

[0019] 可选地，下腔体2中的第一腔体沉槽201、第二腔体沉槽203以及第三腔体沉槽206，相对于波导接口平面202下沉0.1mm。

[0020] 可选地，倍频电路4装配在下腔体2上，包括：平衡式脊波导401、反向串联二极管402、输入基波信号匹配单元403、宽带双圆环滤波器404、输出信号匹配单元405、输出信号探针406、偏置电路低通滤波器407和单面镀金的介质板408。

[0021] 可选地，平衡式脊波导401采用平衡式对脊线，将等幅反向的场加到二极管402处，实现输入基波信号的宽频带匹配和基波二次谐波共面波导场模式转变成微带场模式。

[0022] 可选地，输入基波信号匹配单元403，实现宽带双圆环滤波器404与二极管402宽频带匹配。

[0023] 可选地，宽带双圆环滤波器404的通带为220GHz-325GHz，一方面用于220GHz-325GHz带外杂散的抑制，同时将输入的基波信号反射到二极管处重新参与倍频。

[0024] 可选地，单面镀金介质板片408用于220GHz-325GHz信号单向传输。

[0025] 本发明的有益效果是：

[0026] (1)本发明提出的毫米波二倍频器增加了直流偏置电路，电路不改变倍频器的宽带特性，弥补了现在的全金属结构220GHz-325GHz倍频器的缺陷，有效的改善了倍频器的静态工作点，提高了倍频器效率。

[0027] (2)本发明提出的毫米波二倍频器采用小尺寸双环滤波器，相对于现有的倍频电路，电路尺寸小插损小，同时带宽宽。

[0028] (3)本发明提出的毫米波二倍频器采用平衡对鳍线实现基波(110GHz-170GHz)输入和基波二次谐波(220GHz-325GHz)谐波输出的宽频带匹配，同时实现基波二次谐波(220GHz-325GHz)谐波输出共面线至微带线模式的转换，相对于现有的二倍频电路采用的模式转换电路和匹配电路，带宽宽和传输损耗小，有效的解决了带宽和效率双重问题。

[0029] (4)本发明提出的毫米波二倍频器，通过在输入端脊波导处增加一个单面传输的介质板片，改善倍频器宽带匹配，同时保证220GHz-325GHz信号单向传输，提高倍频器的效率。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0031] 图1为现有的1mm二倍频器的整体结构图；

[0032] 图2为本发明220GHz-325GHz二倍频器的整体结构图；

[0033] 图3为本发明220GHz-325GHz二倍频器的上腔体结构图；

[0034] 图4为本发明1mm二倍频器的整体结构图；

[0035] 图5为本发明1mm二倍频器的分离结构图。

具体实施方式

[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 220GHz～325GHz频段固态倍频源由于具有体积小、价格低廉、易于集成及使用寿命长等优点，已成为很多系统的首选，特别是220GHz～325GHz频段的测试仪器。如何实现220GHz～325GHz频段宽带高效大功率信号的发生，直接决定了220GHz～325GHz频段信号源、矢量网络分析仪和天线/RCS测试系统端口功率和动态范围等关键性能指标。提高
220GHz～325GHz频段输出功率需要解决的核心问题，是提高220GHz～325GHz倍频器的效率。

[0038] 基于肖特基二极管的平衡式二倍频方案，由于可消除奇次谐波，同时由于倍频次数较低，具有较高的倍频效率，是固态倍频器的首选。由于220GHz～325GHz二倍频器带宽宽和频率高，因此为提高其倍频效率，相对于现有的毫米波窄带二倍频器，需要设计一种新型的电路拓扑结构，一是电路能实现输入的基波(110GHz～162.5GHz)和输出二次谐波(220GHz～325GHz)的宽带匹配，二是实现输入输出之间的反向隔离，三是用于倍频的非线性肖特基二极管能工作在合适的工作点。

[0039] 本发明提出了一种新的毫米波二倍频器，利用直流偏置低通滤波器和双环宽带带通滤波器构成了直流偏置和倍频器输出和输入的双工器，宽带双环滤波器配合220GHz～325GHz频段波导探针滤波的同时进行匹配，基波输入采用脊波导实现输入基波的平衡结构，配合二极管的寄生参数完成110GHz～162.5GHz输入基波的匹配，同时在输入脊波导处增加一个单面镀金的介质板片，该板片无镀金的一面直接与脊波导接触，使得220GHz～
325GHz信号单向传输。该电路通过设计直流偏置，调节肖特级二极管的静态工作点，配合输入的基波功率，使得肖特基二极管工作在最佳状态。本发明提出的毫米波二倍频器，解决了现有倍频器难以在220GHz-325GHz带频带内实现高效率的问题。

[0040] 下面结合附图对本发明的毫米波二倍频器的结构进行详细说明。

[0041] 本发明提出了220GHz-325GHz外加偏置宽带高效二倍频，其输入频率范围为110GHz-162.5GHz，输出频率范围为220GHz-325GHz，该倍频器的输入波导接口形式为WR6.5，输出波导接口形式为WR3.4。本发明的毫米波二倍频器的输入频率范围并不限制为
110GHz-162.5GHz，输出频率范围也不限制为220GHz-325GHz。

[0042] 图2为本发明提出的220GHz-325GHz二倍频器的整体结构图，其包括：上腔体1、下腔体2、直流输入端口3和倍频电路4，倍频电路4的结构在图4中示出。

[0043] 上腔体1和下腔体2配合，一方面用于构建波导传输线，另一方面是与倍频电路4配合，形成外加偏置的220GHz-325GHz二倍频电路。

[0044] 如图3所示，上腔体1中输入波导组件上102配合下腔体4中的输入波导组件下204形成倍频器输入波导接口，接口形式为WR6.5，接口尺寸为1.651mm×0.826mm；上腔体1中的输出波导组件上103配合下腔体2中的输出波导组件下205形成倍频器的输出波导接口，接口形式为WR3.4，接口尺寸为0.864mm×0.432mm；上腔体1中的输入等高渐变波导组件上104配合下腔体2中的输入等高渐变波导组件下208形成输入端的等高渐变波导，最终由WR6.5、1.651mm×0.826mm渐变形成的波导接口尺寸为1.651mm×0.4mm，上腔体1中的输出等高渐变波导组件上105配合下腔体2中的输出等高渐变波导组件下207形成倍频器输出端的等高渐变波导，最终由WR3.4渐变形成的波导接口尺寸为0.864mm×0.432mm。倍频器输入输出波导口中心线在同一条直线上。下腔体2中的第一腔体沉槽201、第二腔体沉槽203以及第三腔体沉槽206，相对于波导口平面202下沉0.1mm，使得上腔体1和下腔体2形成的波导传输线小面积接触无缝隙，减少信号传输过程中的插损。

[0045] 倍频电路4装配在下腔体2上，包括：平衡式脊波导401、反向串联二极管402、输入基波信号110GHz-162.5GHz匹配单元403、宽带双圆环滤波器404、输出信号(220GHz-325GHz)匹配单元405、输出信号(220GHz-325GHz)探针406、偏置电路低通滤波器407和单面镀金的介质板408。

[0046] 平衡式脊波导401采用平衡式对脊线，用于完成等幅反向的场加到二极管处，实现输入基波信号(110GHz-162.5GHz)的宽频带匹配和基波二次谐波(220GHz-325GHz)共面波导场模式转变成微带场模式。

[0047] 输入基波信号110GHz-162.5GHz匹配单元403，实现宽带双圆环滤波器404与二极管402宽频带匹配，宽带双圆环滤波器404的通带为220GHz-325GHz，该滤波器一方面用于220GHz-325GHz带外杂散的抑制，同时将输入的基波信号反射到二极管处重新参与倍频，提高倍频器的效率。单面镀金介质板片408用于220GHz-325GHz信号单向传输。

[0048] 本发明提出的220GHz-325GHz毫米波二倍频器，通过增加直流偏置调节二极管的静态工作点，降低了倍频器对输入基波功率的要求，解决了现有220GHz-325GHz倍频器无法增加直流偏置网络的弊端；通过小尺寸的双环滤波器实现了220GHz-325GHz宽频带同滤波器，将基波信号反射到二极管重新参与倍频，提高了倍频效率，同时提高了220GHz-325GHz信号的带内谐杂波抑制，提高了信号纯度；同时双环滤波器尺寸小，传输损耗小，有效的提高了倍频器的效率，相对于目前二倍频电路采用的滤波电路，其具有宽频带、易匹配和插损小的特性，通过采用平衡对鳍线实现基波(110GHz-170GHz)输入和基波二次谐波(220GHz-325GHz)谐波输出的宽频带匹配，同时实现基波二次谐波(220GHz-325GHz)谐波输出共面线至微带线模式的转换；相对于现有的二倍频电路采用的模式转换电路和匹配电路，带宽宽和传输损耗小，有效的解决了带宽和效率双重问题。

[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。