0.2THz平衡式二倍频器两路功率合成技术_高颖.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307010July2023Semiconductor Technology Vol48 No76110.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术高颖(中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051)摘要:针对 GaAs 肖特基二极管基倍频器输出功率低的问题，采用 Y 型结结构的波导功分器/功合器在倍频器子模块外部进行信号的合成，实现了输出功率的提升。设计实现了插入损耗低、幅度/相位一致性良好的 Y 型结结构的波导功分器/功合器。基于 GaAs 肖特基二极管单片工艺，研制了二倍频器子模块，以提高子模块的一致性并降低芯片结温。对波导功分器/功合器及二倍频子模块进行了装配和测试，测试结果表明，该外合成式二倍频器的工作频率为 209 216 GHz，当输入功率大于 600 mW 时，在 214 GHz 频率下，峰值输出功率可达 117 mW，转换效率达到 18.5%，合成效率达 86.5%。关键词:太赫兹(THz);倍频器;功率合成器;Y 型结;波导中图分类号:TN771文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)07061106Two-Way Power Combining Technology for 0.2 THz BanlancedFrequency DoublerGao Ying(The 13thesearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:To address the low output power issue of the GaAs Schottky diode-based doubler，Y-junction waveguide power divider/combiner were adopted to synthesize the signal outside the frequencydoubler submodules to improve the output power Y-junction waveguide power divider/combiner with lowinsertion loss and good amplitude/phase consistency were designed and realized The frequency doublersubmodules were fabricated based on GaAs Schottky diode monolithic process to improve the consistencyof submodules and reduce the chip junction temperature The waveguide power divider/combiner andfrequency doubler submodules were assembled and tested The test results show that the externalsynthesis type frequency doubler can operate in 209216 GHz When the input power is above 600 mW，the peak output power can reach 117 mW with a conversion efficiency of 18.5%and a synthesisefficiency of 86.5%at the frequency of 214 GHzKeywords:terahertz(THz);frequency doubler;power combiner;Y-junction;waveguideEEACC:12500引言太赫兹波是指 0.110 THz 的电磁波，具有非常丰富的频谱资源，被认为是下一代移动通信的关键技术之一1。高功率太赫兹倍频源能够使信号传输到更远距离，是开展太赫兹通信技术研究的重要基础之一，近年来成为国际电磁领域研究的热点25。基于肖特基二极管的太赫兹倍频器具有常温工作、转换效率高、模块体积小以及频率稳定等优点。但是，由于倍频损耗的原因，难以实现大的功率输出。通过将多个倍频器进行功率合成，可以实高颖:0.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术=612半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月现输出功率成倍数提升611。2018 年，美国 JPL实验室的 J V Siles 等人6 采用输入端 Y 型结结构波导功分器结合输出端片上功率合成技术，实现了 510 560 GHz 三倍频器，最大输出功率为30 mW。2021 年，中国工程物理研究院 Y L Tian等人7 采 用 镜 像 对 称 式 结 构，实 现 了 204 234 GHz 三 倍 频 器 功 率 合 成，最 大 输 出 功 率84.5 mW。2021 年，西安交通大学与中国电子科技集团公司第十三研究所合作采用输入端片上功率分配结合输出端 Y 型结结构波导功率合成技术，实现了109 GHz下输出功率 140 mW，217 GHz 下输出功率 45 mW 的三倍频器8。与三倍频器相比，二倍频器的功率合成面临更多挑战，目前技术路线主要包括以下 3 种:2011 年，美国 JPL 实验室的J V Siles 等人9 采用一种单波导中双单片结构，实现了 190 GHz 二倍频器功率合成，190 GHz 下转换效率为 8%;2018 年，美国 JPL 实验室的 J VSiles 等人10 采用输入端 90o耦合器结合输出端 Y型结结构功率合成技术，实现了 180 GHz 下输出功率最高为800 mW 的二倍频器;2018 年，卢瑟福阿普尔顿实验室的 C Viegas 等人11 采用电磁逆转技术实现波导 E 面至 H 面转换，进行功率合成，实现 了 180 GHz 下 转 换 效 率 37%和 输 出 功 率130 mW。然而，以上的报道都是在倍频器内部进行功率合成，将倍频与功率合成结构作为一个整体进行设计，虽然具有结构紧凑的优势，但是设计难度大、装配误差高、实用性不强。在二倍频器外部进行功率合成具有设计简单、装配容易、实用性强的优势，但是相关研究的报道非常少见。本文采用二倍频器外部功率合成的方法，设计实现了低损耗 W8 波导的 Y 型结结构波导功分器和具有较低损耗的 W4 波导的 Y 型结结构波导功合器。输入信号通过 W8 波导功分器，分配给 2个倍频器进行 2 倍频，输出信号通过 W4 波导功合器实现倍频器的外部功率合成。将倍频器、波导功分器以及波导功合器进行了装配与测试，验证了太赫兹二倍频器的外部功率合成的可行性，有利于未来开展更灵活的系统设计。1二倍频器电路结构对于倍频器而言，输出功率是一个很重要的特性参数，当单个模块的输出功率无法满足使用需求时，通常通过功率合成提高总输出功率。然而，对于波导结构的太赫兹倍频器，采用功率合成结构时需要根据输入及输出信号的相位特点设计功率合成结构。图 1 所示为倍频器外部功率合成结构示意图，包括 Y 型结结构波导功分器、倍频器 A、倍频器B，以及 Y 型结结构波导功合器，图中 LPF 为低通滤波器。输入波导选用 W8 波导，波导口尺寸为2.032 mm1.016 mm，适用频率为 90 140 GHz。输出 波 导 选 用 W4 波 导，波 导 口 尺 寸 为1.092 mm0.546 mm，适用频率为 170260 GHz。倍频器 A、B 为同款单片式倍频器，具有相同的外观和良好的一致性，便于功率合成。Y 型结结构功分器将输入电磁波分为电场方向相同的两路信号，分别进入倍频器 A 与倍频器 B。倍频器 A 与倍频器B 沿垂直方向平移重合，使进入倍频器 A 和倍频器B 的电磁波电场方向相同且由倍频器 A 和倍频器 B输出的电磁波电场方向相同。Y 型结结构波导功合器能够把电场方向相同的两路输出信号进行合成。倍频器AL P FD CL P F输出输入倍频器B输入波导Y型功分器D C输出波导Y型功合器图 1二倍频器外部功率合成结构示意图Fig.1Schematic diagram of the external power combiningstructure for the frequency doubler1.1波导功分器/功合器设计E 面 Y 型结结构波导功分器/功合器具有宽频带、低损耗以及端口幅度与相位一致性好的特点，在太赫兹频段被广泛采用。在三维电磁场仿真软件中，在 90 140 GHz 频率范围内，进行波导功分器设计。图 2(a)所示为输入 Y 型结结构波导功分器电磁场仿真模型，该结构镜像对称，Y 型结的锲入式结构可以提高端口 2、端口 3之间的隔离度。高颖:0.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术=July2023Semiconductor Technology Vol48 No76131 端口l2l12 端口d13 端口d2-1.0 0-2.0 0-3.0 0-4.0 01 0 09 01 1 01 2 01 3 01 4 0插入损耗/d B1-2 通道1-3 通道(a)功分器电磁场仿真模型(b)功分器插入损耗仿真结果F r e q u e n c y/G H z3 0 02 0 01 0 00-1 0 0-2 0 01 0 09 01 1 01 2 01 3 01 4 0相位/()2 端口3 端口F r e q u e n c y/G H z(c)功分器输出端口相位一致性仿真结果图 2输入功分器电磁场仿真模型及仿真结果Fig.2Electromagneticfieldsimulationmodelandsimulation results of the input power divider设计时重点优化了锲入式结构的垂直尺寸 l2以及水平尺寸 l1，在保证端口 2、3 之间的隔离度(带内隔离度6 dB)的同时，减小插入损耗并提高端口相位一致性。由于波导功分器采用全金属加工，为减小加工误差的影响，设计过程中，最大限度地减小了 l1及 l2。通过仿真获得 l1、l2的优化值分别为2.2 mm和3.6 mm。按照装配要求，将输出端口2、3中心轴间距 d1以及端口 1 与端口 2、3 的间距 d2分别设置为40 mm 和14 mm。该波导功分器的插入损耗及输出端口相位一致性的仿真结果分别如图 2(b)、(c)所示，在90140 GHz 内，插入损耗接近理论极限3 dB，且具有较好的幅度一致性和相位一致性。采用与输入 Y 型结结构波导功分器相同的方法，设计了输出 Y 型结结构波导功合器，如图 3 所示，l1、l2优化值分别为 1.1 mm 和 1.8 mm，d1、d2与输入 Y 型结结构波导功分器保持一致，设置为40 mm和14 mm。仿真结果显示该结构波导功合器同样具有较低的插入损耗、较好的幅度和相位一致性。1 端口l2l12 端口d13 端口d2-1.0 0-2.0 0-3.0 0-4.0 01 7 0插入损耗/d B1-2 通道1-3 通道1 9 02 1 02 3 02 5 0(b)功合器插入损耗仿真结果F r e q u e n c y/G H z(a)功合器电磁场仿真模型1 7 0相位/()2 端口3 端口1 9 02 1 02 3 02 5 0F r e q u e n c y/G H z3 0 02 0 01 0 00-1 0 0-2 0 0(c)功合器输出端口相位一致性仿真结果图 3输出功合器电磁场仿真模型及仿真结果Fig.3Electromagneticfieldsimulationmodelandsimulation results of the output power combiner1.2倍频器芯片结构本文中倍频芯片采用单片集成形式以保证一致