一种太赫兹倍频源及其工作方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种太赫兹倍频源及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

0.75THz～1.1THz频段高效信号发生，对该频段通讯、雷达、气象遥感、深空探测等领域技术研究和应用开发具有重要的意义。基于固态倍频技术路线的0.75THz～1.1THz频段信号发生，具有体积小和频率可调谐等特点，得到了众多学者的广泛关注与研究。该技术路线目前急需解决的问题主要包括以下几个方面：

第一，是在无功率放大器的情况下，解决驱动级倍频链路的高功率输出问题；

第二，是末级倍频器宽频带和高效率相互制约的技术问题。

上述两种技术问题相互制约。通过提高0.75THz～1.1THz倍频器的谐波次数，可以降低前级驱动级链路的频率，进而降低前级驱动链路高功率产生的难度，然而由于末级倍频器谐波次数的提升，将会导致倍频效率的下降，无法满足0.75THz～1.1THz频段宽带高功率信号产生，采用变容器件倍频的方式，能够提升整个链路的变频效率，但难以实现宽频带。

目前存在的倍频源能够将频率拓展至0.75THz以上主要技术路径有两种，一是采用变容器件实现的窄带高效倍频链路，该技术路线利用变容器件的高变频效率特性，和通过外加偏置电压调节变容器件的工作点，可以实现驱动级高功率信号的产生，以及末级倍频器高倍频效率的实现，进而可以产生较高功率的太赫兹信号，但带宽相对较窄，无法满足宽带的测试需求。另一种技术路线是高次谐波倍频，通过提高末级倍频器的谐波次数，降低驱动级链路的频率，整体上能够实现宽频带，但输出功率相对较小。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种太赫兹倍频源及其工作方法；

第一方面，本发明提供了一种太赫兹倍频源；

一种太赫兹倍频源，包括：倍频链路；

其中，倍频链路，包括：依次连接的第一级倍频单元、第二级倍频单元、第三级倍频单元和第四级倍频单元；

其中，第一级倍频单元，用于从微波信号输入接口获取微波信号；

第四级倍频单元，用于将处理后得到的信号经由输出端口输出。

第二方面，本发明提供了一种太赫兹倍频源的工作方法；

一种太赫兹倍频源的工作方法，包括：

获取频段微波输入信号；对微波输入信号通过第一级倍频单元进行二倍频处理，得到了第二频段信号；对第二频段信号通过第二级倍频单元进行三倍频处理，得到了第三频段信号；对第三频段信号通过第三级倍频单元进行三倍频处理，得到了第四频段信号；对第四频段信号通过第四级倍频单元进行四倍频处理，得到了第五频段信号；对第五频段信号进行输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用波导功分和双层倍频合成相结合的方法，提高倍频器的压缩点，通过功率放大器合成，提高驱动级放大器的输出功率，解决了在无功率放大器的情况下，驱动级倍频链路高功率输出的问题。

采用基于无介质匹配的四次倍频电路结构，解决了介质匹配带来的太赫兹信号传输损耗大的问题，提高了0.75THz～1.1THz频段四次倍频器的倍频效率，综合上述技术有效的提高了0.75THz～1.1THz频段倍频源输出功率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例的0.75THz-1.1THz倍频源方案；

图2为第一个实施例的驱动级高频、高功率三倍频器电路结构示意图；

图3为第一个实施例的0.75THz～1.1THz宽带高效四次倍频器电路结构示意图；

其中，101表示微波信号输入接口；102表示第一级倍频单元；103表示第二级倍频单元；104表示第三级倍频单元；105表示第四级倍频单元；106表示输出端口；107表示USB接口；108表示15V电源；109表示主板；

1041表示第三级倍频单元的输入端；1042表示第一级波导功分器；1043表示三倍频器；1044表示第二级波导功分器；1045表示第三级倍频单元的输出端口；

1051表示第四级倍频单元的输入端口；1052表示波导腔；1053表示波导探针；1054表示串联二极管；1055表示渐变型波导；1056表示第四级倍频单元的输出端口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种太赫兹倍频源；

如图1所示，一种太赫兹倍频源，包括：倍频链路；

其中，倍频链路，包括：依次连接的第一级倍频单元102、第二级倍频单元103、第三级倍频单元104和第四级倍频单元105；

其中，第一级倍频单元，用于从微波信号输入接口101获取微波信号；

第四级倍频单元，用于将处理后得到的信号经由输出端口106输出。

进一步地，所述第一级倍频单元102，包括：

依次连接的放大器F1、二倍频器、放大器F2和滤波器L1。

其中，放大器F1，用于对输入的微波信号进行放大处理；

其中，二倍频器，用于对放大器F1放大后的信号进行二倍频处理；

其中，放大器F2，用于对二倍频器处理后的信号进行放大处理；

其中，滤波器L1，用于对放大器F2处理后的信号进行滤波处理。

进一步地，所述第二级倍频单元103，包括：

依次连接的三倍频器、放大器并联电路和滤波器L2；

其中，放大器并联电路，包括：并联的放大器F3、放大器F4、放大器F5和放大器F6；

其中，三倍频器，用于对第一级倍频单元102的滤波器L1的输出值进行三倍频处理；

其中，放大器并联电路，用于对三倍频信号功率分配成若干路，然后对每路信号进行放大处理，最后将放大后的所有路信号合成输出；

其中，滤波器L2，用于对放大器并联电路输出的信号进行滤波处理。

进一步地，所述第一级倍频单元102和第二级倍频单元103，均与主板109连接，所述主板109分别与USB接口107和15V电源108连接。

进一步地，如图2所示，所述第三级倍频单元104，包括：第三级倍频单元的输入端1041；

第三级倍频单元的输入端1041的一端与第二级倍频单元的滤波器L2连接，第三级倍频单元的输入端1041的另外一端与第一级波导功分器1042连接；

第一级波导功分器1042功分成两条支路，所述两条支路的其中一条支路与并联的三倍频器1043连接；所述两条支路的另外一条支路也与并联的三倍频器连接；

两条支路的输出端均与第二级波导功分器1044的两条功分支路连接，第二级波导功分器1044合成的信号经第三级倍频单元的输出端口1045输出。

其中，所述第一级波导功分器1042，用于将一路信号等幅同相的分配成两路处理；

其中，所述三倍频器1043，用于将第一级波导功分器1042输出的信号，进行三倍频处理；

其中，所述第二级波导功分器1044，用于将两路三倍频器1043三倍频信号功率合成处理；

其中，第三级倍频单元的输出端口1045，用于将第二级波导功分器1044合成信号的输出。

进一步地，如图3所示，所述第四级倍频单元105，包括：四次倍频电路；

第四级倍频单元的输入端口1051，用于连接第三级倍频单元的输出端口，接收三倍频输出；

波导腔1052，采用无介质匹配，用于对输入信号匹配处理；

波导探针1053，用于从波导腔内耦合输入信号，并传输至串联二极管1054处；

串联二极管1054，用于产生四倍频信号；

渐变型波导1055，用于输出匹配，完成串联二极管1054处波导渐变成标准波导；

第四级倍频单元的输出端口1056，用于作为四倍频信号输出接口。

本发明提出的0.75THz～1.1THz倍频源总体方案，如图1所示，包括：微波信号输入接口101、第一级倍频单元102、第二级倍频单元103、第三级倍频单元104和第四级倍频单元105，整个倍频链路倍频次数为2×3×3×4等于72次。

示例性的，微波信号10.41GHz～15.27GHz经微波信号输入接口101输入，经第一级倍频单元102的二倍频、放大和滤波，产生高杂波抑制的20.82GHz～30.54GHz频段信号，该信号经第二级倍频单元103的三倍频产生62.46GHz～91.62GHz频段信号，同时经该频段功率合成放大器放大产生62.46GHz～91.62GHz频段高功率的信号，该信号驱动第三级倍频单元104的驱动级高频、高功率三倍频器，产生187.38GHz～274.86GHz频段高功率信号，该信号直接驱动第四级倍频单元105的四倍频器，产生0.75THz～1.1THz频段的太赫兹信号，经输出端口106输出。USB接口107，用于倍频源模块的控制，15V电源108经主板109控制与主板稳压和滤波等处理，为倍频链路中各个单元提供直流偏置。

0.75THz～1.1THz倍频源中的第一级倍频单元102、第二级倍频单元103、第三级倍频单元104和第四级倍频单元105为核心单元，决定了0.75THz～1.1THz信号的质量、功率等。

第一级倍频单元102输入信号的10.41GHz～15.27GHz三倍频信号带宽为31.23GHz～45.81GHz，31.23GHz与二倍频的上边带信号30.54GHz相距较近，因此无法通过滤波器滤除，因此二倍频器自身的谐波抑制就变得尤为重要，本专利二倍频采用了平衡式二倍频器，有效的提高了三次谐波抑制，降低了三次谐波对于第二级倍频单元103的倍频放大器的影响，提高了信号质量，第二级倍频单元103的三倍频器同样采用多平衡结构，同时放大器采用功率合成的技术路线，提高62.46GHz～91.62GHz的输出功率，满足第三级倍频单元104的四个三层倍频器对高驱动功率的需求。

平衡式二倍频器，是在倍频器件管芯处加接地隔离环，提高隔离度，同时输入输出为多耦合线结构，最终构成了多平衡二倍频，具有良好的谐波抑制能力。

第三级倍频单元104驱动级高频、高功率三倍频器电路结构示意图如图2所示，采用波导功分和双层倍频合成(在一个波导腔内)相结合的方法，可以实现4路187.38GHz～274.86GHz频段三倍频器的合成，解决了单个倍频器压缩点低，以及187.38GHz～274.86GHz频段无功率放大器，难以产生高功率的局限。

第四级倍频单元105是0.75THz～1.1THz频段信号产生的关键，需要解决宽频带和高效率相互制约的技术问题。

第三级倍频单元104(166.68GHz～250GHz)，主要解决两个方面的技术问题，一是高功率输出的问题，特别是第三级倍频单元104(166.68GHz～250GHz)，因为这一频段缺少放大器，另外一个方面就是要提高其杂波抑止的能力，本专利中三倍频器1043采用的是，正交耦合结构与空间倍频合成结构相结合的技术路线，不仅提高了166.68GHz～250GHz频段的输出功率，同时也减小了杂散信号的输出功率，有效地保证了整个0.5THz～0.75THz宽带、高功率和高信号质量的产生，同时克服了缺少高频段功率放大器的问题。

提出了如图3所示的空间匹配的四次倍频电路结构，其中1051为第四级倍频单元的输入端口，具体，解决了介质匹配带来的太赫兹信号传输损耗大的问题，提高了0.75THz～1.1THz频段四次倍频器的倍频效率，配合前级的驱动链路，实现了0.75THz～1.1THz频段高功率信号发生。

本发明针对目前0.75THz～1.1THz源的技术路线中存在的宽频带和高效率无法有效解决的技术问题，重点解决驱动级倍频链路的高功率输出和末级倍频器宽带高效倍频两类技术问题。采用基于波导功分和双层倍频合成相结合的方法，提高倍频器的压缩点，通过功率放大器合成，提高驱动级放大器的输出功率，解决了在无功率放大器的情况下，驱动级倍频链路高功率输出的问题。采用基于空间匹配的四次倍频电路结构，解决了介质匹配带来的太赫兹信号传输损耗大的问题，提高了0.75THz～1.1THz频段四次倍频器的倍频效率，综合上述技术有效的提高了0.75THz～1.1THz频段倍频源输出功率。

本发明的关键点有如下几项：

(1)本专利提出了0.75THz～1.1THz倍频源实现方案和实现方法，提出了×2×3×3×4 72次倍频技术路线。

(2)链路中0.75THz～1.1THz倍频器采用基于空间匹配的四次倍频电路结构，解决了介质匹配带来的太赫兹信号传输损耗大的问题，提高了0.75THz～1.1THz频段四次倍频器的倍频效率。

(3)链路中0.75THz～1.1THz倍频器驱动链路，采用基于波导功分和双层倍频合成相结合的方法，提高倍频器的压缩点，通过功率放大器合成，提高驱动级放大器的输出功率，解决了在无功率放大器的情况下，驱动级倍频链路高功率输出的问题。

(4)链路中第一级二倍频单元中二倍频器采用平衡式二倍频器，第二级三倍频放大单元多平衡三倍频电路结构，提高了驱动级链路的信号质量，降低了谐杂波的影响。

实施例二

本实施例提供了一种太赫兹倍频源的工作方法；

一种太赫兹倍频源的工作方法，包括：

获取频段微波输入信号；

对微波输入信号通过第一级倍频单元进行二倍频处理，得到了第二频段信号；

对第二频段信号通过第二级倍频单元进行三倍频处理，得到了第三频段信号；

对第三频段信号通过第三级倍频单元进行三倍频处理，得到了第四频段信号；

对第四频段信号通过第四级倍频单元进行四倍频处理，得到了第五频段信号；

对第五频段信号进行输出。

进一步地，所述第一频段为10.41GHz～15.27GHz。

进一步地，所述第二频段为20.82GHz～30.54GHz。

进一步地，所述第三频段为62.46GHz～91.62GHz。

进一步地，所述第四频段为187.38GHz～274.86GHz。

进一步地，所述第五频段为0.75THz-1.1THz。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。