一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器

摘要

本发明公开了一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器，包括输入输出GSG探针、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路，输入输出GSG探针、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路之间均通过传输线连接，传输线均为CPW；本发明采用CPW的混频电路结构针对GaAs这样高介电常数的厚基板可避免复杂的减薄工艺以及减少安装的复杂度，设计灵活性高；采用CPW扇形分支，可得到基波和谐波的双带短路结构；利用双层极相近金属，可设计短小的中频滤波匹配电路，而分离组件难以控制面积，这对阵列检测并不利。

说明书

技术领域

本发明涉及在厚基板情况下使用CPW集成电路技术，特别是一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器。

背景技术

GaAs二极管从上世纪70年代就开始发展，至今基于GaAs肖特基二极管的分离混频技术已经应用非常广泛，尤其是在太赫兹领域，但主要集中在分离器件结合石英薄膜为主，由于器件和电路分离该种方式对电路设计有极大的约束，电路必须服从器件特性才能有机会实现期望功能。肖特基集成电路近十年有所发展，但是无论从哪个方面看，当前电路发展趋势是向着薄膜电路方向（石英薄膜厚度<50um，GaAs电路厚度<10um），对工艺和装配要求都极为苛刻，成功率存在极大问题，只能成为少数国外实验室的实验用品，结合金属腔体集成度较低的特性，对于阵列不具备阵列使用条件。

目前已经具备低寄生参数的二极管，截止频率超过数THz，这项技术已经可以支持完成太赫兹集成混频倍频电路设计。另外，GaAs基板介电常数为13，射频信号传输具有极大的损耗，如果没有小于10um就会在基板中形成介质波导场，难以实现微带线传输，更难实现RF低损传输，性能将受到极大影响。

发明内容

本发明为克服上述技术缺陷，提供了一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器，结合GaAs肖特基二极管和集成电路的优势，针对GaAs厚基板条件下，为了避免高射频传输损耗和介质波导场，增加中频带宽，提出基于厚GaAs基板CPW方式平衡基波混频的电路结构，可运用于太赫兹相干检测。

本发明的技术方案如下：

一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器，其特征在于：包括输入输出GSG探针（GSG探针为地-信号-地分布的传输探针，用于探针平台上标准的信号溃入输出）、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路，输入输出GSG探针、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路之间均通过传输线连接，传输线均为共面波导传输线CPW，用于降低对基板厚度要求。

所述基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器采用的基板为厚度大于200um的厚基板。

所述中频LC电路为滤波器和中频匹配同时使用。

所述基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器的宽带性适用于固定中频，同时扫描本振和射频，带宽比可大于2/7（=带宽/中心频率=f_BW/f₀）。

所述基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器的具体工作原理和各部分之间的功能按信号顺序描述如下：

1、射频和本振GSG：RF input和LO input的GSG探针用于溃入太赫兹本振和射频信号；

2、Lange coupler：该电路是基波电路，可以实现零中频，所以原理上RF和LO频率相差可以很小，为了避免输入信号RF和LO相互干扰，在分别GSG溃入信号后，经过第二部分为一个Lange耦合器，其作用为提高RF和LO隔离度以及将信号分别溃入两个二极管支路，最终实现单平衡和差分结构；

3、Match：经过Lange coupler后，信号会分别灌入匹配网络中，该网络主要实现两大功能，第一，匹配输入RF和LO信号，减少信号浪费；第二，匹配网络中包含一个接地半波长分支线，用于混频直流回路接地；

4、肖特基二极管：肖特基二极管是混频电路核心器件，信号从匹配网络溃入肖特基二极管中，通过混频器的强非线性效应实现基波混频加减的功能；

5、LO&2LO Sector：通过二极管混频效应过后，信号分成了LO和RF各次谐波（包括基波信号）以及混频后的IF信号，为了实现双支路的隔离，在二极管中间插入短路扇形枝节，该短路扇形枝节是通过CPW实现LO和2LO双带短路；

6、IF filter& IF match：经过二极管混频后，LO和2LO被短路扇形枝节短路，IF信号则通过IF滤波和匹配电路结构溃入GSG，完成整个电路信号传输。该电路最大特点是利用LC滤波结构，简化中频电路；

7、电路布局上，为了避免CPW奇偶模式变化，每隔一定距离（20~30um）以及结构变化处均有空气桥。

上述描述中，RF input为射频输入，LO input为本振输入，Lange Coupler为朗格耦合器，Schottky diode为肖特基二极管，Match为匹配段，IF filter&IF match为中频滤波匹配，IF input为中频输出，Sector为短路扇形枝节。

本发明利用Lange耦合器实现基于GaAs肖特基二极管90°平衡结构基波混频代替单平衡结构，从以往单路混频电路变化到双路，提高混频器工作质量；利用集成电路的CPW结构，调节扇形大小和CPW中的Gap尺寸(GaP为CPW信号线与地之间缝隙)，实现双通带短路，在工作频段为f_LO的情况下，可以同时对基波和二次谐波进行抑制，这对微带线电路单一分支线同时实现基波和二次谐波短路时很难实现的；利用集成电路中，可以打孔实现双层金属的特性（CPW走表层金属，第二层金属位于0.5um以下，只有特殊时候才会使用），在利用第二层金属和第一层金属小厚度，可以轻易实现电容，从而利用LC谐振单元实现小尺寸的低通滤波器功能；本电路大量采用了空气桥将CPW的GND互联以及下层金属横穿CPW，实现Lange耦合器以及低通滤波器电容等。

本发明的有益效果如下：

1、采用CPW的混频电路结构针对GaAs这样高介电常数的厚基板可以避免复杂的减薄工艺以及减少安装的复杂度；

2、采用自行开发工艺，集成电路设计，相比分离组件可以提高设计灵活性；

3、采用CPW扇形分支，可以得到基波和谐波的双带短路结构，相比之下，当前薄膜微带电路很难实现；

4、利用双层极相近金属，可以设计短小的中频滤波匹配电路（厚度<0.5um），而分离组件难以控制面积，这对阵列检测并不利。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路布局图；

图3为本发明具体实施方式中双金属层工艺流程结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于厚基板肖特基二极管CPW集成单平衡混频器，包括输入输出GSG探针、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路，输入输出GSG探针、射频本振匹配、两个独立的肖特基二极管、中频处高频短路扇形块以及中频LC电路之间均通过传输线连接，传输线均为CPW。

所述基于GaAs肖特基二极管90°平衡基波混频器CPW集成电路采用的基板为厚度大于200um的厚基板。

所述中频LC电路为滤波器和中频匹配同时使用。

所述基于GaAs肖特基二极管90°平衡基波混频器CPW集成电路的宽带性适用于固定中频，同时扫描本振和射频，带宽比可大于2/7（=带宽/中心频率=f_BW/f₀）。

根据图1所示，F input为射频输入，LO input为本振输入，Lange Coupler为朗格耦合器，Schottky diode为肖特基二极管，Match为匹配段，IF filter&IF match为中频滤波匹配，IF input为中频输出，Sector为短路扇形枝节。所述基于GaAs肖特基二极管90°平衡基波混频器CPW集成电路的具体工作原理和各部分之间的功能按信号顺序描述如下：

1、射频和本振GSG：RF input和LO input的GSG探针用于溃入太赫兹本振和射频信号；

2、Lange coupler：该电路是基波电路，可以实现零中频，所以原理上RF和LO频率相差可以很小，为了避免输入信号RF和LO相互干扰，在分别GSG溃入信号后，经过第二部分为一个Lange耦合器，其作用为提高RF和LO隔离度以及将信号分别溃入两个二极管支路，最终实现单平衡和差分结构；

3、Match：经过Lange coupler后，信号会分别灌入匹配网络中，该网络主要实现两大功能，第一，匹配输入RF和LO信号，减少信号浪费；第二，匹配网络中包含一个接地半波长分支线，用于混频直流回路接地；

4、Schottky diode：肖特基二极管是混频电路核心器件，信号从匹配网络溃入肖特基二极管中，通过混频器的强非线性效应实现基波混频加减的功能；

5、LO&2LO Sector：通过二极管混频效应过后，信号分成了LO和RF各次谐波（包括基波信号）以及混频后的IF信号，为了实现双支路的隔离，在二极管中间插入短路扇形枝节，该短路扇形枝节是通过CPW实现LO和2LO双带短路；

6、IF滤波和匹配电路：经过二极管混频后，LO和2LO被短路扇形枝节短路，IF信号则通过IF滤波和匹配电路结构溃入GSG，完成整个电路信号传输。该电路最大特点是利用LC滤波结构，简化中频电路；

7、电路布局如图2所示，为了避免CPW奇偶模式变化，每隔一定距离（20~30um）以及结构变化处均有空气桥。

本发明利用Lange耦合器实现基于GaAs肖特基二极管90°平衡结构基波混频代替单平衡结构，从以往单路混频电路变化到双路，提高混频器工作质量；利用集成电路的CPW结构，调节扇形大小和CPW中的Gap尺寸，实现双通带短路，在工作频段为f_LO的情况下，可以同时对基波和二次谐波进行抑制，这对微带线电路单一分支线同时实现基波和二次谐波短路时很难实现的；利用集成电路中，可以打孔实现双层金属的特性（CPW走表层金属，第二层金属位于0.5um以下，只有特殊时候才会使用），在利用第二层金属和第一层金属小厚度，可以轻易实现电容，从而利用LC谐振单元实现小尺寸的低通滤波器功能；本电路大量采用了空气桥将CPW的GND互联以及下层金属横穿CPW，实现Lange耦合器以及低通滤波器电容等，这些都采用了双金属层工艺流程，其流程和结构示意图，如图3所示。