一种频率可调节、功率可调谐的太赫兹雪崩振荡器

摘要

一种频率可调节、功率可调谐的太赫兹雪崩振荡器，雪崩振荡器的振荡腔由上腔体与下腔体组合而成，下腔体的腔体顶面加工有波导槽，波导槽与上腔体组合构成了标准波导腔；雪崩二极管通过管座装配顶针装配在下腔体顶面中心的波导腔中，且通过旋转管座装配顶针能够调整雪崩二极管在波导腔中的高低位置，调整到位后通过锁紧螺母固定；调谐活塞中自上而下依次安装弹簧顶针、弹簧和调谐帽盘，装配有调谐帽盘、弹簧、弹簧顶针的调谐活塞从上腔压块中旋入直达波导腔，由弹簧保证调谐帽盘在雪崩二极管不同的高低位置时始终保持与雪崩二极管物理接触；调谐活塞的位置通过活塞锁紧螺母固定。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹电路技术领域，特别涉及工作在太赫兹频段的可调谐式 雪崩振荡器腔体电路。

背景技术

太赫兹技术是当前学术研究的热点，能够被应用于物体成像、环境监测、 医疗诊断、射电天文、安全检查、反恐探测、卫星通信和雷达探测等与国民经 济和社会发展密切相关的领域。

太赫兹上述应用中，太赫兹频率源的实现是太赫兹系统应用的前提和关键， 雪崩二极管作为传统的固态功率器件，能够稳定工作在太赫兹频段低端，具有 良好的功率和频率特性。因此利用雪崩二极管实现太赫兹频段的固态振荡器是 获取太赫兹信号的有效方式。然而，雪崩二极管封装为立体封装结构，因而雪 崩振荡器的电路也采用波导腔体的这种立体电路结构。在太赫兹频段，与平面 电路相比，基于波导腔体结构的电路具有以下特点：

（1）在电路设计方法方面，平面电路主要基于电路理论的方法进行设计优 化，可利用仿真软件进行电路的较精确仿真优化；而波导腔体电路则主要基于 电磁场分布的理论和方法进行设计优化，主要依靠波导电路内部的电磁场分布 与传播特性，进行电路的指导性设计。

（2）在电路结构的实现方面，波导腔体电路对精密机械加工的精度要求极 高，加工精度的误差范围达到了微米量级。因此，腔体电路设计的结构尺寸与 实际加工的结构尺寸必然存在一定的偏差，会影响整个电路的性能。所以通常 在腔体电路的设计中，要求电路自身存在一定的可调谐性。对于振荡器其主要 参数为输出频率和输出功率，保证对输出频率和输出功率的可调谐性，可以降 低对加工精度和二极管参数一致性的依赖，保证产品成功率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种频率可调节、 功率可调谐的太赫兹雪崩振荡器。

本发明的技术方案是：一种频率可调节、功率可调谐的太赫兹雪崩振荡器， 包括上腔压块、馈电正极金属膜片、绝缘垫片、馈电负极金属垫片固定螺钉、 馈电负极金属垫片、上腔体、下腔体；还包括调谐活塞、活塞锁紧螺母、管座 装配顶针锁紧螺母、管座装配顶针、弹簧顶针、弹簧、调谐帽盘、雪崩二极管；

雪崩振荡器的振荡腔由上腔体与下腔体组合而成，下腔体的腔体顶面加工 有波导槽，波导槽与上腔体组合构成了标准波导腔；雪崩二极管通过管座装配 顶针装配在下腔体顶面中心的波导腔中，且通过旋转管座装配顶针能够调整雪 崩二极管在波导腔中的高低位置，调整到位后通过锁紧螺母固定；调谐活塞中 自上而下依次安装弹簧顶针、弹簧和调谐帽盘，装配有调谐帽盘、弹簧、弹簧 顶针的调谐活塞从上腔压块中旋入直达波导腔，由弹簧保证调谐帽盘在雪崩二 极管不同的高低位置时始终保持与雪崩二极管物理接触；调谐活塞的位置通过 活塞锁紧螺母固定。

所述的调谐帽盘包括帽盘固定轴和帽盘；帽盘固定轴在调谐活塞中与弹簧 接触，帽盘固定轴的下端安装帽盘，所述的帽盘为椭圆形。

所述的椭圆形帽盘的设计步骤如下：

（1）将要求或预定输出的频率作为中心频率f₀，根据加工工艺确定一个频 率范围，所述的频率范围设置为中心频率左右3GHz；

（2）根据有源帽盘谐振腔体谐振频率公式计算出f₀-3GHz频率对应的帽盘 直径D，然后计算出f₀+3GHz频率对应的帽盘直径d；

（3）将D作为长轴，d作为短轴设计椭圆帽盘。

通过旋转调谐活塞改变椭圆帽盘的侧面投影尺寸，实现频率覆盖。

本发明的原理是：

为了实现振荡器输出频率和输出功率的调谐特性，首先对传统的圆形帽盘 结构的振荡器的电磁特性进行了研究，圆形帽盘与有源器件的紧密结合构成了 一种开放式的径向腔结构，有源器件在开放式径向腔中激励起的电场和磁场可 以表示为：

$H=-\frac{j}{\mathrm{\omega \mu }}{\hat{i}}_z\times ▿E_z---(1-b)$

其中J为激励电流，为激励电流形成的电磁场的波函数，可以看到， 一般情况下，径向腔内的场是无穷个模式的总和，仅当激励源与某一固有模式 的谐振频率相近时，该模式的场强趋于无限大，腔内的场才能用这一模式的电 磁分布近似单独表示，从而实现单模工作。（1-a）（1-b）式还表明，对于某一 固定模式而言，被激励场的幅度直接与激励电流J的位置有关；如果J所在位置， 最大，则被激励的场最强；如果J所在位置，为零，则该模式的 场亦为零。因此，对于有源器件安装在帽结构中心处的情况，只有激励起TM₀₁₀谐振模式，建立稳定的电磁分布，才能向波导输出方向高效辐射电磁能量，激 励起传输模式。同时，有源器件与帽盘所形成的径向腔中TM010模式所形成的等 效磁流源对输出波导方向TE10模的激励系数可表示为：

$A_{{\mathrm{TM}}_{010}}^{+}=\frac{\underset{V}{\int }[(-\hat{x}/Z_{10})\sin (\mathrm{\pi x}/a)+\widehat{z\cos }(\mathrm{\pi x}/a)]\mathrm{dv}}{2\underset{S_0}{\int }\frac{{\sin }^2(\mathrm{\pi x}/a)}{Z_{10}}\mathrm{ds}}\underset{}{---\left(2\right)}$

式中，V为有源器件与帽盘所构成的径向腔内部体积，S₀为上下底面及等 效侧面构成的封闭曲面。利用（2）式可计算分析有源器件所激励起的谐振模式 对输出波导方向的激励，从而评判波导输出方向输出功率的大小。

对于有源器件安装在帽结构中心处的情况，有源器件在帽结构匹配情况下 激励起TM₀₁₀谐振模式，其谐振波长可表示为：

${\lambda }_c=\frac{2\pi \sqrt{{\mu }_r{ϵ}_r·a}}{u_{01}}---\left(3\right)$

式中u₀₁为第一类0阶Bessel函数，λ_c为谐振波长，a为帽盘的半径。由（3） 可知，TM₀₁₀谐振模式的频率可由帽盘的半径a决定，帽盘半径a连续变化，则 会引起输出频率的连续变化，若实际设计输出频率为f0，则设计振荡器输出频 率为某一范围f₁≤f₀≤f₂，则对应帽盘半径a也有一定范围。考虑到椭圆具有长短 半轴，侧视投影尺寸会随角度变化而变化，按照（3）式设计长轴对应f₁，短轴 对应f₂便可通过调整椭圆帽盘的侧视角度实现频率覆盖，有效地消除了机械加 工和管子个性差异带来的影响，实现预定的频率输出。

本发明具有以下优点：

（1）该振荡器电路的可调谐性强（对频率和功率的可调谐性！），具体体现 在：

1）雪崩二极管在振荡腔中高度位置可调谐。在振荡腔中，可以调节调谐活 塞与管座装配顶针的位置，从而实现对雪崩二极管与调谐帽盘位置高低进行调 谐，增加输出功率的调谐范围，实现电路性能的最优。

2）装配在振荡腔中的调谐帽盘便于更换。在电路调谐过程中，可以将调谐 活塞从腔体中旋出之后，更换不同直径的调谐帽盘，在帽盘更换完成之后，又 可将调谐活塞旋入振荡腔体中，进行电路性能的调谐。更换不同直径的调谐帽 盘可以增大振荡器输出频率的调谐范围，扩宽振荡器输出的频带宽度。调谐活 塞的这种结构设计增加了电路调谐的灵活度。

3）装配在振荡腔中的雪崩二极管便于更换。由于雪崩二极管装配在管座装 配顶针顶部，因此可以通过从下腔体底部中心直接旋转取出管座装配顶针的方 式而实现雪崩二极管的更换，利于使用同一腔体对不同雪崩二极管特性进行调 谐观察，选取性能最优的器件，有利于实现电路性能的最优。

（2）电路结构尺寸小，利用腔体结构实现了对雪崩二极管的直流馈电，无 需单独设计馈电电路。

附图说明

图1为本发明提供的振荡器正面结构图；

图2为本发明提供的振荡器侧面剖视结构图；

图3为本发明提供的振荡器背面结构图；

图4为本发明提供的振荡器侧面结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，具体如下：

本发明提出了一种基于椭圆帽盘结构的频率和功率可调谐宽带太赫兹雪崩 振荡器，利用椭圆帽盘结构实现了雪崩二极管与波导腔体之间的电路匹配，确 保雪崩二极管振荡产生的信号能够有效从输出波导输出。同时通过雪崩二极管 管座安装结构和帽盘调谐结构的巧妙设计，使雪崩二极管在振荡腔内部的高度 位置可调谐，促使雪崩二极管沿波导输出口方向输出的功率实现最大化。

本发明的谐振器电路包括：调谐活塞1、活塞锁紧螺母2、上腔压块3、馈 电正极金属膜片4、绝缘垫片5、馈电负极金属垫片固定螺钉6、馈电负极金属 垫片7、上腔体8、下腔体9、管座装配顶针锁紧螺母10、管座装配顶针11、 弹簧顶针12、弹簧13、调谐帽盘14、雪崩二极管15，具体结构如图1-4所示， 本发明下述方案为110GHz频段实现的特例，其他频段采用类似结构更改电路 参数可实现。

雪崩振荡器中的振荡腔由上腔体8与下腔体9组合而成，下腔体9的腔体 顶面加工有标准尺寸的波导槽19，与上腔体8组合，构成了标准的WR10 （2.54*1.27mm）波导腔。雪崩二极管15封装为立体同轴封装结构，二极管底 部有装配螺孔。管座装配顶针11上侧为直径为M2的螺杆，下侧则为直径M5 的螺杆，底面为一个旋钮圆盘。雪崩二极管15通过管座装配顶针11装配在下 腔体9顶面中心的波导腔中，且通过旋转管座装配顶针11能够调整雪崩二极管 15在波导腔中的高低位置，调整到位后通过锁紧螺母10固定。

调谐活塞1中，弹簧顶针12通过螺纹连接在调谐活塞1的内螺孔中，谐 调帽盘14的帽盘固定轴上设置键，与调谐活塞1内壁的键槽配合，限制帽盘 固定轴与调谐活塞1之间的相对旋转，通过旋转调谐活塞1带动帽盘旋转，从 而改变帽盘的侧视投影尺寸。同时调谐帽盘14与弹簧顶针12在弹簧13作用 下紧密接触，实现了雪崩二极管15高度调谐的过程中对雪崩二极管的直流馈 电。

装配有调谐帽盘14、弹簧13、弹簧顶针12的调谐活塞从上腔压块3中心 M4螺孔旋入，实现调谐帽盘14与装配在下腔体9中心的雪崩二极管管芯的良 好物理接触。调谐帽盘14与雪崩二极管15紧密接触所构成的帽盘结构电路所 形成的开放式径向腔对波导中的传输模式具有良好的辐射激励效果，能够形成 有效激励波导中传输模式的谐振模式，将雪崩二极管产生的功率有效转换至输 出波导口，从而利用调谐帽盘实现雪崩二极管与输出波导之间的良好匹配。

图2中，旋转下腔体9中管座装配顶针11底部的旋钮圆盘，可以旋转调 谐管座装配顶针的高低，从而调谐管座装配顶针顶部雪崩二极管的位置高低。 与之相匹配的是，上腔中的调谐帽盘14通过上方的弹簧的伸缩，确保在雪崩 二极管15位置高低的调谐过程中，调谐帽盘14与雪崩二极管15的紧密接触。 通过管座装配顶针与调谐活塞二者之间相匹配位置调谐，最终实现雪崩二极管 在振荡腔中位置高低的调谐，促使雪崩二极管沿波导输出口方向输出的功率实 现最大化。同时保证调谐帽盘与雪崩二极管紧密接触，实现直流馈电与电路匹 配的功能。

各部分具体装配过程如下：

（1）雪崩二极管15与管座装配顶针11的装配

如图2所示，雪崩二极管15封装为立体同轴结构，雪崩二极管15底部有 直径为M2的装配螺孔。管座装配顶针11上侧为直径为M2的螺杆，下侧则为 直径M5的螺杆，底面为一个直径为8mm的旋钮圆盘。管座装配顶针11首先 将上侧直径M2的螺杆旋转进入雪崩二极管15底部M2的螺孔中，并旋紧。实 现将雪崩二极管15固定在管座装配顶针11的顶部。

（2）调谐活塞1的装配

如图2所示，将调谐帽盘14从调谐活塞1螺杆底面M1.6的内螺孔旋入， 直至调谐帽盘14上侧直径M1.6的螺杆全部旋入至调谐活塞1螺杆内部中侧直 径1.6mm的内通孔中。接着，在调谐活塞1顶部M2的内螺孔中先放置直径 1.6mm的弹簧13。放入弹簧13后，再将弹簧顶针12从顶部M2的内螺孔旋 入，调谐弹簧顶针12的旋入深度，确保弹簧顶针12、弹簧13、调谐帽盘14 之间紧密的物理接触。

（3）振荡器上下腔的装配

如图1、图3所示，从上至下将上腔压块3、馈电正极金属膜片4、绝缘垫 片5、上腔体8、下腔体9依次叠放。如图3所示，并在上腔压块3中2个腔 体固定装配螺钉安放孔中首先放置2块装配固定螺钉绝缘垫片17，然后将2根 腔体装配固定螺钉16从上腔压块3的固定螺钉安放孔中穿入，通过馈电正极 金属膜片4、绝缘垫片5、上腔体8中的螺钉装配通孔，并最终旋入下腔体9 中的装配螺孔。将2根腔体装配固定螺钉16旋紧，最终实现了上腔压块3、馈 电正极金属膜片4、绝缘垫片5、上腔体8、下腔体9之间物理结构的装配，构 成了雪崩振荡器的主腔体。接着如图4所示，将馈电负极金属垫片7穿入馈电 负极金属垫片固定螺钉6的螺杆中，并将馈电负极金属垫片固定螺钉6旋入至 馈电负极金属垫片固定螺钉安装螺孔18之中，并旋紧，最终实现振荡腔体两 侧的馈电负极金属垫片7的固定安装，安装完成之后结构如图3所示。

（4）振荡器的整体装配

如图2所示，装配有雪崩二极管15的管座装配顶针11从下腔体9底面中 心的M5的螺孔中旋入至顶，并最终将雪崩二极管15装配在下腔体9顶面中心 的波导腔中。同时，装配有调谐帽盘14、弹簧13、弹簧顶针12的调谐活塞1 从上腔压块3中心M4螺孔旋入，穿过馈电正极金属膜片4中心直径4mm的 通孔、绝缘垫片5中心直径4.2mm的通孔、上腔体8的中心直径4.2mm的通 孔，最终实现调谐帽盘14与装配在下腔体9中心的雪崩二极管15管芯的良好 物理接触。在此基础上，如图1所示，直流馈电正极与馈电正极金属膜片4连 接，负极与馈电负极金属膜片7连接，并最终实现对雪崩二极管的馈电功能， 实现对雪崩振荡器电路性能的调谐观察。

（5）利用调谐帽盘的电路调谐

实现振荡器的整体装配之后，本发明中的调谐帽盘14采用了一种椭圆形 式的调谐帽盘。根据公式（3）可知，当雪崩二极管15位于帽盘中心位置时， 激励起的TM₀₁₀模式的谐振频率与帽盘半径有关。而采用椭圆形式的调谐帽盘， 由于椭圆具有长半轴和短半轴，因此对激励起来的TM₀₁₀模式的谐振频率具有一 定的调谐能力，从而具有更宽的输出频率调谐范围。

椭圆形帽盘的设计步骤如下：

（1）将要求或预定输出的频率作为中心频率f₀，根据加工工艺确定一个频 率范围，所述的频率范围一般设置为中心频率左右3GHz；

（2）根据有源帽盘谐振腔体谐振频率公式计算出f₀-3GHz频率对应的帽盘 直径D，然后计算出f₀+3GHz频率对应的帽盘直径d；

（3）将D作为长轴，d作为短轴设计椭圆帽盘。

以工作中心频率为110GHz，波导尺寸为WR10（2.54*1.27mm）的雪崩 振荡腔为例，椭圆形式的调谐帽盘结构尺寸如表1所示。

表1椭圆形式的调谐帽盘尺寸

结构尺寸（mm） 谐振频率（GHz） 长半轴 1.1 107 短半轴 0.96 113

表1中，椭圆帽盘的长半轴为1.1mm，对应的TM₀₁₀模式谐振频率为 107GHz，短半轴为0.96mm，对应的TM₀₁₀模式谐振频率为113GHz。由于椭 圆调谐帽盘的长半轴和短半轴不同，在调谐旋转帽盘的过程中，沿波导输出方 向的帽盘半径会连续变化，对应的雪崩二极管激励的谐振模式的频率也会在一 定的范围内改变，从而最终实现振荡器输出频率的调谐。

（6）雪崩二极管与帽盘位置的调谐

本发明中，雪崩二极管15与调谐帽盘14和下腔体9中的波导槽底面，构 成了一个开放式的径向谐振腔，雪崩二极管15在波导腔中的位置高度可以调 谐。雪崩二极管15的高度越低，则调谐帽盘14与下腔体9中波导槽底面的距 离越小，越接近于径向谐振腔的结构，利于雪崩管激励并建立稳定的谐振模式； 但当雪崩二极管15的高度过低时，调谐帽盘14沿波导输出方向的激励效率也 会相应降低，从而影响输出功率。以工作中心频率为110GHz，波导尺寸为 WR10（2.54*1.27mm）的雪崩振荡腔为例，在调谐帽盘14采用表1结构尺寸 的条件下，雪崩二极管15的调谐高度对输出功率的影响如表2所示。

表2雪崩二极管高度对输出功率的影响

距离波导地面高度（mm） 输出频率（GHz） 输出功率（mW） 0.1 110 1.3 0.3 110 2.5 0.5 110 3 0.7 110 1.8 0.9 110 0.6

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。