一种新型的平衡式肖特基二倍频结构及其使用方法

技术领域

本发明属于倍频器技术领域，尤其涉及一种新型的平衡式肖特基二倍频结构及其使用方法。

背景技术

基于肖特基二极管的太赫兹倍频源已经成为各种亚毫米波系统应用中至关重要的器件，在星载辐射计、成像接收机以及矢网中的频率扩展件等器件中得到了广泛的应用。随着各类应用的高频化以及阵列化，对500GHz以上的倍频源也提出了更高的需求。从80年代开始，人们对基于肖特基二极管的倍频器设计理论进行了逐步的完善，在此基础上，具备奇次或偶次谐波本征抑制功能的平衡式倍频电路原型在电路设计中受到偏爱，也表现出了极佳的性能。其中，加载直流偏压的平衡式倍频电路由于可以通过调节变容二极管的阻抗，相对于无法加载偏置电压的倍频电路具备更高的阻抗匹配效果和变频效率，这类平衡式变频电路中最具代表性的电路之一就是Erickson平衡式二倍频结构，Erickson式倍频电路结构是最常用的一种三端口的平衡式二倍频电路原型，在过去二十余年间得到了广泛的发展，然而这种平衡式二倍频电路在功率容量的扩展上需要采用多通道合成的方式进行，这种多通道合成的扩展方式会引入冗余的外围合成网络，外围合成网络的传输损耗会对电路整体倍频效率造成极大地衰减。

目前通用的Erickson平衡式二倍频电路的原理图如图1所示，图1中的电路能够实现对奇次谐波的本征抑制，并且通过输入波导和输出微带线之间的模式隔离，能够在不加载任何额外滤波网络的前提下实现二次谐波的平衡输出，但是如图1所示，该二倍频电路的输出总谐波电流I中包含二次谐波和四次谐波等分量，并且四次谐波无法通过二次谐波的输出波导截止，此时四次谐波的阻抗匹配会对二倍频电路的整体效率造成巨大影响。

基于Erickson是平衡式二倍频电路的双通道扩展电路的典型电路结构如图2所示，在基本的Erickson平衡式二倍频单元基础上，利用特定的输入输出功分/合成网络实现通道间的功率合成，通过舍弃部分倍频效率来增加电路功率容量，其中最为符合平衡式二倍频电路基波和二次谐波相位关系的组合形式为输入90°和输出180°的相位差关系，其输入端通常采用波导3dB定向耦合器向不同的倍频单元提供相位差为90°的信号，其输出端则通常采用波导E面Y/T型结构实现双路偶次谐波的差分输出。这种多通道合成的扩展方式会引入冗余的外围合成网络，其传输损耗会对电路整体倍频效率造成极大地衰减；另外，通道路数越多代表着不同时空下的装配次数越多，导致每个通道之间的幅相不一致性会更加明显，进一步降低合成效率，假设采用二进制的合成形式，由于传输损耗和装配不一致性造成的双通道合成效率为γ(小于1)，那么2N通道合成电路的倍频器效率将会下降至单路倍频电路效率的γ

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种新型的平衡式肖特基二倍频结构及其使用方法，该结构利用对称镜像分布的两对肖特基二极管对，能够实现奇次谐波和2N次谐波(N为偶数)的本征抑制，使得该结构具备高效率、带宽较宽、电路集成度高和寄生损耗小的特点，其功率容量和倍频效率相比现有的平衡式肖特基二倍频结构均得到提升。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种新型的平衡式肖特基二倍频结构，所述结构包括：输入波导定向耦合器、肖特基二极管对、直流馈电网络和三端口差分输出探针；

所述输入波导定向耦合器具有一个输入端、一个隔离端口和两个输出端，所述输入波导定向耦合器提供两路幅度相等、相位差为90°的输入信号；

所述肖特基二极管对有两对，两对肖特基二极管对分别连接在输入波导定向耦合器的两个输出端，且两对肖特基二极管对关于输入波导定向耦合器的两个输出端连线中心镜像对称设置；

所述直流馈电网络有两个，分别与两对肖特基二极管对通过微带传输线连接；

所述三端口差分输出探针通过其两个端口连接在微带传输线上，另一个端口用于电流输出。

优选的，所述输入波导定向耦合器为铝或铜加工而成。

优选的，所述输入波导定向耦合器为TE模式。

优选的，所述微带传输线采用石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷薄膜基板加工而成。

优选的，所述微带传输线为TEM模式。

优选的，每组肖特基二极管对中的两个肖特基二极管反向串联。

一种新型的平衡式肖特基二倍频结构的使用方法，所述方法包括：

S1：在输入波导定向耦合器中输入信号S，输入波导定向耦合器将信号S划分为幅度相同、相位差为90°的两路输入信号S

S2：输入信号S

I(0°)＝I

其中：I

相对相位为90°的信号激励另一对肖特基二极管对产生的电流为：

I(90°)＝I

其中：

S3：两对肖特基二极管对产生的差分电流通过三端口差分输出探针的两个端口同向合成，得到负载总电流I为：

I＝I(0°)-I(90°)＝4b

上述，b

本发明的有益效果是：(1)利用本发明公开的平衡式肖特基二倍频结构能够实现奇次谐波和2N次谐波(N为偶数)的本征抑制，二次谐波的临近一次、三次、四次和五次谐波均能够在输出端本征抑制，并且被困在二级管结所构成的空闲回路中，其中奇次谐波被困在左右两对肖特基二极管构成的空闲回路中，2N次谐波(N为偶数)则被困在两对肖特基二极管对构成的空闲回路中，使得本发明的二倍频电路结构具备高效率、宽带的特点；(2)本发明的二倍频结构中输入波导定向耦合器为TE模式，微带传输线为TEM模式，两者能够实现本征隔离，这将使得电路中的二次和四次谐波不会反向泄露至输入波导定向耦合器中，因此该结构无需将输出端二次谐波的选频和输入端高次谐波进行滤除的复杂滤波选频网络，电路集成度高，寄生损耗小；(3)由于本发明的倍频电路具备外加直流偏置电压的端口，能够通过加载负偏置调节变容管阻抗，相对于无法加载偏置电压的电路结构具备更高的倍频效率，并且通过偏压端口可以添加管结自偏保护，提高二极管的承受功率；(4)由于采用了两对肖特基二极管构建的平衡网络，能够在保证高效率的条件下将功率容量提升为传统平衡二倍频结构的两倍，其倍频效率和最大输出功率均高于现有的双通道平衡式二倍频电路。

附图说明

图1为现有技术中通用的Erickson式平衡式二倍频电路的原理图；

图2为现有技术中基于Erickson是平衡式二倍频电路的双通道扩展电路的典型电路结构；

图3为本发明实施例中新型的平衡式肖特基二倍频结构的电路结构原理图；

图4为本发明实施例中新型的平衡式肖特基二倍频结构的结构示意图；

图5为本发明实施例中新型的平衡式肖特基二倍频结构的的局部结构放大图；

图6为本发明实施例中输入波导定向耦合器的结构示意图；

图7为本发明实施例中三端口差分输出结构示意图；

图8为输入波导定向耦合器一个输入端(S(1，1))和两个输出端(S(3，1)和S(2，1))的参数曲线；

图9为输入波导定向耦合器的第一输出端口102(S(2，1))和第二输出端口103(S(3，1))的相位关系；

图10为三端口差分输出探针的第二端口502(S(2，1))和第三端口503(S(3，1))的幅度关系；

图11为三端口差分输出探针的第二端口502(S(2，1))和第三端口503(S(3，1))的相位关系；

图中：1.输入波导定向耦合器 2.肖特基二极管对 3.直流馈电网络 4.微带传输线 5.三端口差分输出探针 101.输入端 102.第一输出端 103.第二输出端 104.隔离端口501.第一端口 502.第二端口 503.第三端口。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种如图4所示的新型的平衡式肖特基二倍频结构，该结构包括：输入波导定向耦合器1、肖特基二极管对2、直流馈电网络3和三端口差分输出探针5；

如图6所示，输入波导定向耦合器1具有一个输入端101、第一输出端102和第二输出端103以及隔离端口104，输入波导定向耦合器1提供两路幅度相等、相位差90°的输入信号，输入波导定向耦合器1可采用铝或铜等金属加工而成且输入波导定向耦合器1为TE模式。

如局部放大图图5所示，上述肖特基二极管对2有两对，分别连接在输入波导定向耦合器的第一输出端102和第二输出端103上，且两对肖特基二极管对2关于输入波导定向耦合器l的两个输出端的连线中心镜像对称设置；每组肖特基二极管对2中的两个肖特基二极管反向连接。

如图5所示，直流馈电网络3也有两个，分别与两对肖特基二极管对2通过微带传输线4连接；直流馈电网络3能够在不影响主路的前提下提供稳定的直流馈电回路；

如图7所示，三端口差分输出探针5包括第一端口501、第二端口502和第三端口503，其通过第二端口502和第三端口503连接在微带传输线上，第一端口501用于将电流输出，三端口差分输出探针5能够实现两对肖特基二极管对2激励的谐波电流的差分输出，并耦合至输出波导中。

上述微带传输线4采用石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷薄膜基板加工而成，微带传输线4为TEM模式。

本发明提供的二倍频结构的工作原理如下：输入信号在波导中经过E面90°示输入波导定向耦合器后，将被分割为一对等幅度信号，且其相位差为90°，并且工作于波导的TE10模式，这一组等幅信号将通过阶梯波导匹配网络后分别作用于两个镜像对称的倍频单元。位于输入波导定向耦合器1的两个输出端的连线中心的对称面两侧肖特基二极管对从直流上来看应当是同极性的，如图8所示，这样的二极管对布局不仅能够保证整个电路偏置电压的同一性(不会出现正负两种偏压)，还能够保证对称面两侧的二极管对非线性作用后的谐波分量方向的一致性，由于二极管对的非线性作用，每个二极管对构成的Erickson倍频单元能够实现奇次谐波的抑制，并且在此基础上，输出的三端口E面探针网络将对2N次谐波(N为偶数)进行抑制。

一种新型的平衡式肖特基二倍频结构的使用方法，该新型的平衡式肖特基二倍频结构的电路原理图如图3所示，图3中V

首先，如图3所示，在输入波导定向耦合器中输入信号S，输入波导定向耦合器将信号S划分为幅度相同、相位差为90°的两路输入信号S

接着：输入信号S

I(0°)＝I

其中：I

相对相位为90°的信号激励另一对肖特基二极管对产生的电流为：

I(90°)＝I

其中：

最后，两对肖特基二极管对产生的差分电流通过三端口差分输出探针的两个端口同向合成，得到负载总电流I为：

I＝I(0°)-I(90°)＝4b

上述，b

图8和图9分别表示输入波导定向耦合器1的散射参数曲线以及输出端口102和103的相位关系，根据这两个图可以看出输入波导定向耦合器1两个输出端口的信号幅度相同，相位相差90°。

图10和图11分别表示三端口差分输出探针5的端口502和503的幅度和相位关系，根据这两个图可以看出该结构的两个输出端口的信号幅度相同，相位相差180°。