一种低损耗太赫兹正交混频器

本发明涉及太赫兹，尤其涉及一种低损耗太赫兹正交混频器。

背景技术：

1、太赫兹波通常是指频率在0.1~10thz范围内，波长在0.003~3mm之间的电磁波，是电场和磁场周期性变化相互耦合产生。太赫兹波左侧波长偏向长波方向，属于微波范围，适用于电子学理论；右侧波长偏向短波方向，属于红外线与可见光范围，适用于光子学理论。太赫兹波位于微波与红外之间的一段电磁波谱过渡区域，兼具了宏观经典理论和微观量子理论，结合了光电子学、半导体学和材料学等多学科，是目前极力研究开发的一个领域。与其他频段的波相比，太赫兹波有着高频率、短波长、大带宽、低光子能量、强穿透性和指纹谱性等特点，使其在大气环境监测、通信、雷达等领域具有重要应用价值。

2、在太赫兹通信系统中，太赫兹镜像抑制混频器可将镜频信号和有用信号产生的中频信号分开，具有非常重要的抗干扰作用。而太赫兹镜像抑制混频器由太赫兹正交混频器和中频混合耦合器构成，其中正交混频器的性能直接影响着镜像抑制混频器的整体性能。太赫兹正交混频器输出的两路中频信号（i路与q路，i路是in-phase同相分量，q路是quadrature正交分量），它们具有相位正交、幅度相等的特性。在基于零中频体制的连续波多普勒雷达中，观测正交混频器两路中频信号的相位相对关系，可判断物体的运动轨迹。在fmcw（frequency modulated continuous wave，连续调频波）雷达泄露对消系统中，把发射信号作为正交混频器的本振信号，泄露信号为射频信号，通过处理输出的两路中频信号为矢量调制器提供控制信号，实现对消信号的功能。在仪器测量中，将正交混频器与待测元件串联，通过对两路中频信号处理可得到待测器件的幅度和相位信息。在通信系统中，正交混频器用于发射端可实现单边带上变频，用于零中频可实现基带信号的i/q调制。

3、在太赫兹频段，由于工作频率高，传输线的传输损耗变的不能忽视，常采用具有屏蔽腔的悬置微带线、微带线、共面波导等作为导波系统。太赫兹正交谐波混频器电路由腔体、石英基片和混频器二极管组成。混频单元的整体电路生长在石英基片上。射频信号的馈电输入使用标准波导，先通过射频耦合器分配成幅度值相同、相位相差90°的两路输入信号，再经过射频探针悬置微带过渡结构，将波导传输te模输入信号能量转化为微带线的准tem模信号，经匹配网络加载到混频二极管进行混频。本振信号输入采用标准波导，经过本振耦合器分为等幅、正交的两路本振信号，经二极管混频作用产生的中频信号。

4、在太赫兹混频电路中，由于工作频率较高，电路尺寸很小，对腔体、基片以及传输线的加工精度要求变的很高。电路基片作为混频器中传输信号的媒介，就要求其在工作频段有较小的损耗角正切，以减小混频电路的传输损耗。石英材料不仅损耗角正切比较小，还可以采用掩膜溅射工艺加工高精度的传输线（加工精度为10μm），是太赫兹较低频段比较理想的基片材料。但石英材料质地较脆，小尺寸下，只能切割出矩形基片且不能打孔。太赫兹频段微带线结构虽然可以传输电磁场，但损耗较高，为了实现低损耗，基片常采用石英玻璃，这就导致基片不能过长，也无法设计扭转等结构，否则石英玻璃会发生碎裂，限制了谐波混频器电路的设计，影响了太赫兹技术应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低损耗太赫兹正交混频器，以解决现有技术中存在的太赫兹频段正交混频器的微带线结构损耗较高，石英玻璃基片常限制了正交混频器电路的设计，影响了太赫兹技术应用的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供的一种低损耗太赫兹正交混频器，所述正交混频器采用矩形微同轴线进行信号传输；包括两个微同轴分谐波混频器、本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器，两个所述微同轴分谐波混频器均与所述本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器连接，并对称布置；所述本振微同轴耦合器用于将原始本振信号分为等幅、正交的两路本振信号，所述射频微同轴耦合器用于将原始射频信号分为等幅、正交的两路射频信号，所述微同轴分谐波混频器对两路本振信号、两路射频信号进行混频，得到两路相位正交、幅度相等的中频信号。

4、优选的，所述本振微同轴耦合器包括第一耦合器、本振连接波导；所述第一耦合器与所述本振连接波导连接，并设置有多个第一分支结构；所述本振连接波导与两个所述微同轴分谐波混频器均连接。

5、优选的，所述第一耦合器设置有本振隔离端口、本振输入端口，所述本振隔离端口、本振输入端口相对设置。

6、优选的，所述射频微同轴耦合器包括第二耦合器、射频连接波导，所述第二耦合器与所述射频连接波导连接，并设置有多个第二分支结构；所述射频连接波导与两个所述微同轴分谐波混频器均连接。

7、优选的，所述第二耦合器设置有射频隔离端口、射频输入端口，所述射频隔离端口、射频输入端口相对设置。

8、优选的，所述本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器在两个所述微同轴分谐波混频器的两侧设置，所述太赫兹正交混频器呈十字形结构。

9、优选的，所述微同轴分谐波混频器包括本振电路、射频电路以及sma电路；所述本振电路与所述射频电路、sma电路均连接；所述本振电路用于进行本振信号输入，所述射频电路用于进行射频信号输入；所述sma电路将矩形波导结构转换为圆形，将混频后的本振信号、射频信号进行输出。

10、优选的，本振电路包括本振低通滤波器、本振波导、本振探针，所述本振低通滤波器设置有矩形分支，所述本振波导为矩形波导，所述本振探针与所述本振波导、sma电路、本振低通滤波器连接；所述本振探针的内导体延伸至所述本振波导内，并进行阻抗匹配。

11、优选的，所述射频电路包括射频波导、射频探针，所述射频波导为矩形波导，所述射频探针与所述射频波导、匹配电路连接；所述射频探针的内导体延伸至所述射频波导内，并进行阻抗匹配。

12、优选的，所述谐波混频器还包括二极管对，所述二极管对的两端分别与所述射频探针、本振低通滤波器连接；所述二极管对为两个反向并联的肖特基二极管。

13、实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

14、本发明的矩形微同轴线具有低色散，低损耗的优点，因此可以工作在非常宽的频率范围内，互相干扰极小，可以彼此很接近地布线；传输线的性能不受弯曲和交叉耦合的影响，便于构造复杂的电路和器件，从而实现电路系统的高度集成。正交混频器不仅降低了基片引入的损耗，由于微同轴滤波器的使用，也降低了整个电路的尺寸，实现了小型化。同时，由于中频端口采用微同轴结构，也可以直接与外部sma同轴线相连接，避免了传统混频器的复杂变换，进一步降低了电路损耗。

技术特征：

1.一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述正交混频器采用矩形微同轴线进行信号传输；包括两个微同轴分谐波混频器、本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器，两个所述微同轴分谐波混频器均与所述本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器连接，并对称布置；所述本振微同轴耦合器用于将原始本振信号分为等幅、正交的两路本振信号，所述射频微同轴耦合器用于将原始射频信号分为等幅、正交的两路射频信号，所述微同轴分谐波混频器对两路本振信号、两路射频信号进行混频，得到两路相位正交、幅度相等的中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述本振微同轴耦合器包括第一耦合器、本振连接波导；所述第一耦合器与所述本振连接波导连接，并设置有多个第一分支结构；所述本振连接波导与两个所述微同轴分谐波混频器均连接。

3.根据权利要求2所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述第一耦合器设置有本振隔离端口、本振输入端口，所述本振隔离端口、本振输入端口相对设置。

4.根据权利要求1所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述射频微同轴耦合器包括第二耦合器、射频连接波导，所述第二耦合器与所述射频连接波导连接，并设置有多个第二分支结构；所述射频连接波导与两个所述微同轴分谐波混频器均连接。

5.根据权利要求4所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述第二耦合器设置有射频隔离端口、射频输入端口，所述射频隔离端口、射频输入端口相对设置。

6.根据权利要求1所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器在两个所述微同轴分谐波混频器的两侧设置，所述太赫兹正交混频器呈十字形结构。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述微同轴分谐波混频器包括本振电路、射频电路以及sma电路；所述本振电路与所述射频电路、sma电路均连接；所述本振电路用于进行本振信号输入，所述射频电路用于进行射频信号输入；所述sma电路将矩形波导结构转换为圆形，将混频后的本振信号、射频信号进行输出。

8.根据权利要求7所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，本振电路包括本振低通滤波器、本振波导、本振探针，所述本振低通滤波器设置有矩形分支，所述本振波导为矩形波导，所述本振探针与所述本振波导、sma电路、本振低通滤波器连接；所述本振探针的内导体延伸至所述本振波导内，并进行阻抗匹配。

9.根据权利要求7所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述射频电路包括射频波导、射频探针，所述射频波导为矩形波导，所述射频探针与所述射频波导、匹配电路连接；所述射频探针的内导体延伸至所述射频波导内，并进行阻抗匹配。

10.根据权利要求7所述的一种低损耗太赫兹正交混频器，其特征在于，所述谐波混频器还包括二极管对，所述二极管对的两端分别与所述射频探针、本振低通滤波器连接；所述二极管对为两个反向并联的肖特基二极管。

技术总结本发明公开一种低损耗太赫兹正交混频器，涉及太赫兹技术领域，解决了太赫兹频段正交混频器的微带线结构损耗较高，限制了正交混频器电路设计的技术问题。该正交混频器采用矩形微同轴线进行信号传输；包括两个微同轴分谐波混频器、本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器，两个微同轴分谐波混频器均与本振微同轴耦合器、射频微同轴耦合器连接，并对称布置；本振微同轴耦合器用于将原始本振信号分为等幅、正交的两路本振信号，射频微同轴耦合器用于将原始射频信号分为等幅、正交的两路射频信号，微同轴分谐波混频器对两路本振信号、两路射频信号进行混频，得到两路相位正交、幅度相等的中频信号。本发明采用矩形微同轴线降低电路损耗，实现小型化。技术研发人员：张波,牛中乾,丰益年,杨刚,李晋,赵陶受保护的技术使用者：电子科技大学（深圳）高等研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/16