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亚六习
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1 太赫兹倍频器的设计与实现徐明明于伟华牟进超陈玲吕昕北京理工大学信息与电子学院, [ 摘要 ] 本文介绍了一种基于 75um 厚石英基片的 110 GHz 倍频器的设计与实现该倍频器主要包括低通滤波器匹配电路变容管和波导 - 微带过渡其中, 反向并联变容管对可以实现三次倍频功能对于低通滤波器波导 - 微带过渡采用有限元分析方法开展设计与优化 ; 在此基础上, 结合谐波平衡法, 设计并优化匹配网络测试结果表明 : 该倍频器在输出频率为 GHz GHz 范围内, 输出功率大于 0 dbm;117 GHz 处得到最大值 2.2 dbm 测试结果与仿真吻合较好, 说明该设计方法的可行性 [ 关键词 ] 太赫兹波 ; 三倍频器 ; 变容二极管 Deign and Realization of a Terahertz Tripler XU Ming-Ming, YU Wei-Hua, MOU Jin-Chao, CHEN Ling, LV Xin School of Information and Electronic, Beijing Intitute of Technology, [ Abtract ] Thi paper introduce a 110 GHz tripler baed on 75 um quartz proce, which conit of a low-pa filter (LPF), matching network, antiparallel varactor and a waveguide-to-microtrip (WG-MS) tranition. LPF and WG-MS tranition wa deigned and analyzed uing finite element method (FEM) baed oftware, ANSYS HFSS. Baed on the FEM imulated reult a well a the harmoniou balance method (HBM), an 110 GHz tripler wa deigned and optimized. The meaured reult how the output power wa larger than 0 dbm from GHz to GHz, with the maximum of 2.2 dbm at 117 GHz. The agreement between the meaured reult and the imulated one indicate the validity of the method. [ Keyword ] Terahertz; Tripler; Varactor 1 前言随着相关技术的不断发展, 太赫兹在雷达通信射电天文和大气遥感等领域具有广阔的市场应用前景 [1-4] 获得性能稳定的太赫兹源对太赫兹应用起着至关重要的作用 ; 其技术指标在很大程度上决定了太赫兹系统的性能通过高质量的微波信号经过多次倍频的方式可以得到太赫兹信号, 因此, 倍频是产生太赫兹信号的一种有效途径一般来说, 各种非线性器件都能实现倍频功能 ; 在太赫兹频段, 通常采用肖特基二极管或者变容管作为

2 非线性倍频器件其中, 肖特基二极管可以实现宽频带倍频, 但效率较低 ; 而变容管虽然频带较窄, 但是效率较高 [5-6] 本文针对大气遥感的应用需求 [4], 采用变容管对实现三次倍频, 利用 75 um 石英工艺, 设计并实现了一个 110 GHz 的三倍频器该倍频器在输出频率为 GHz 至 GHz 范围内, 输出功率大于 0 dbm; 其中, 最大输出功率为 2.2 dbm 2 倍频器的基本原理 2.1 奇次倍频原理本文采用反向并联变容管对实现奇次倍频, 其工作原理如图 1 所示 [5-7] 其中, 两个二极管对反向并联二极管的 I-V 特性为 : αv ( 1) i ( V ) = i e (1) 其中 i 为反向饱和电流,α 只与二极管本身和绝对温度有关对于二极管 D 1 D 2 分别有 : 则反向并联二极管对输出电流为 : αv i = i ( e 1) (2) 1 α i = i ( V e 1) (3) 2 iout = i1 + i2 = 2i inh( αv ) (4) 将输入信号 V = V co( ω t) 代入 (4) 式并进行傅里叶级数展开得 : i = 4i [ I1( αv )co ωt + I3( αv )co 3ωt + L] (5) 从上述分析可知, 该拓扑结构可以实现奇次倍频, 并能有效地抑制偶次谐波 ; 输出的频谱分量比单管倍频减少了一半 2.2 倍频器的基本结构图 1 奇次倍频原理图三倍频器的电路拓扑结如图 2 所示, 主要包括 : 低通滤波器匹配电路反向并联变容管对和波导 - 微带过渡其中, 低通滤波器的主要作用是通过输入的基波信号, 抑制二极管对产生的高次谐波返回输入端 ; 波导 - 微带过渡输出所需频段信号, 同时抑制输入信号 ; 采用反向并联变容管对实现奇次倍频, 同时抑制偶次谐波 ; 匹配网络实现二极管对嵌入阻抗的匹配, 提高倍频效率

图 2 倍频器电路拓扑结构 3 倍频器的设计与仿真本文采用石英作为基片材料, 主要是因为石英具有传输损耗小表面光洁度高硬度高等优点 ; 选用 MA46H146 变容极管作为倍频器件, 其主要参数如表 1 所示本文设计的倍频器输入频率 f in 为 36 GHz 40 GHz, 输出频率 f out 为 108 GHz 120 GHz 根据频率指标, 确定了输入端低通滤波器的截止频率 65

3 图 2 倍频器电路拓扑结构 3 倍频器的设计与仿真本文采用石英作为基片材料, 主要是因为石英具有传输损耗小表面光洁度高硬度高等优点 ; 选用 MA46H146 变容极管作为倍频器件, 其主要参数如表 1 所示本文设计的倍频器输入频率 f in 为 36 GHz 40 GHz, 输出频率 f out 为 108 GHz 120 GHz 根据频率指标, 确定了输入端低通滤波器的截止频率 65 GHz, 阻带从 93 GHz 到 135 GHz 小于 -25 db; 输出端的微带 - 波导过渡中频率为 117 GHz, 带宽为 15 GHz 表 1 MA46H146 的主要参数 3.1 低通滤波器的设计与分析 R /Ohm C j /pf Q C total /pf V p /V I /ma <3.3 <0.063 >15K < 图 3 给出了低通滤波器的结构示意图该滤波器采用高低阻抗线形式优化后的参数如表 2 所示, 频率特性如图 4 所示可以看出, 低通滤波器的截止频率为 65GHz, 通带差损小于 0.05 db, 阻带从 93 GHz 到 135 GHz 小于 -25 db, 能有效的抑制 f in 的三次谐波在实现过程中, 石英微带线采用半导体溅射工艺实现, 其精度为 3 um, 与滤波器高阻线宽度量级一致因此, 需要研究高阻线宽度对滤波器性能的影响图 4 给出了当高阻线的线宽分别偏差 ±3 um 时, 对滤波器性能的影响可以看出, 溅射工艺能有效地保证低通滤波器的性能图 3 低通滤波器结构示意图表 2 高低阻抗线的几何尺寸编号 W/mm L/mm

05 db 由于背短距离对谐振区域的中心频点和带宽有较明显地影响, 因此需要对背短距离的加工与安装误差进行分析图 5(b) 给出了背短长度 ±50 um 的误差分析结果 3.

4 3.2 波导 - 微带探针过渡的设计与分析图 4 低通滤波器频率特性图 5(a) 给出了波导 - 微带过渡结构示意图本文中的过渡转换采用 E 面探针结构, 从微带线过渡到标准波导 WR-8 其性能主要取决于探针插入波导内部的长度 L 1 和宽度 W 1, 探针中心与短路面的距离 L 3 以及波导侧壁的距离 L 2 优化后的结构参数如表 3 所示 ; 频率特性如图 5(b) 所示在 104 GHz-125 GHz 范围内, 回波损耗小于 -20 db, 插损小于 0.05 db 由于背短距离对谐振区域的中心频点和带宽有较明显地影响, 因此需要对背短距离的加工与安装误差进行分析图 5(b) 给出了背短长度 ±50 um 的误差分析结果 3.3 倍频器结构的整体建模仿真图 5 (a) 波导微带过渡结构图 ;(b) 波导探针过渡频率特性表 3 波导 - 微带过渡结构几何尺寸 W 1 /mm L 1 /mm L 2 /mm L 3 /mm 基于上述低通滤波器波导 - 微带过渡的仿真结果, 结合谐波平衡法对倍频器进行整体仿真与优化整体电路的最终优化结构如图 6(a) 所示图 6(b) 给出了输出功率以及倍频效率随输入频率的变化曲线可以看出, 仿真输出功率在 GHz GHz 范围内大于 0 dbm, 最大输出功率 4.0 dbm

;(c) 倍频器结构图图 8 (a) 测试平台 ;(b) 倍频器的功率响应测试输出功率如图 8(b) 所示倍频器的输出功率在

5 图 6(a) 整体优化后的结构示意图 ;(b) 倍频器的仿真输出功率 4 倍频器的实现与测试采用 75um 石英工艺加工电路 ; 图 7 给出了最终实现的电路与封装照片倍频器的测试平台照片如图 8(a) 所示图 7(a) 盒体结构图 ;(b) 倍频器电路图 ;(c) 倍频器结构图图 8 (a) 测试平台 ;(b) 倍频器的功率响应测试输出功率如图 8(b) 所示倍频器的输出功率在 GHz 范围内大于 0 dbm, 最大输出功率 2.2 dbm 可以看出, 测试结果与仿真结果吻合地较好虽然仿真和测

6 试结果存在少许的偏差, 但主要是由于加工工艺装配等原因造成的结果表明, 有限元法与谐波平衡法相结合的设计方法具有可行性 5 结论本文介绍了一种 110 GHz 倍频器的设计方法与实现设计过程中, 低通滤波器波导 - 微带过渡采用有限元分析方法 ; 在此基础上, 结合谐波平衡法, 对整体电路进行优化仿真测试结果表明, 该倍频器在输出频率为 GHz GHz 范围内, 输出功率大于 0 dbm; 117 GHz 处输出功率达到最大值为 2.2 dbm 测试结果与仿真结果吻合地较好, 说明了设计方法的可行性 [ 参考文献 ] [1] Qun Xiao,et al.,a 270-GHz Tuner-Le Heterotructure Barrier Varactor Frequency Tripler,IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 17, NO. 4, APRIL [2] 张勇, 林元根, 185 GHz 固态二倍频器研究, 电子科技大学学报, 第 39 卷, 第 2 期,2010. [3] PORTERFIELD D W. High-efficiency terahertz frequency tripler, Microwave Sympoium, IEEE/MTT-S International. Honolulu, Hawaii: IEEE, [4] 安大伟, 于伟华, 吕昕, 基于石英基片的二毫米频段三倍频器研制, 红外与毫米波学报, 已录用. [5] 杨涛, 向志军, 吴伟, 杨自强, 钱可伟, W 频段宽带倍频器, 红外与毫米波学报, 第 26, 第 3 期,2007. [6] SIEGEL P H. Terahertz technology. IEEE Tranaction on Microwave Theory Technique, 2002, 50(3): [7] Matthew Morgan and Sander Weinreb, a full waveguide band mmic tripler for GHz, 2001 IEEE MTT-S Diget.

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电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路