1、第 13 卷 第 4 期 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào) Vo1.13，No.4 2015 年 8 月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Aug.，2015 文章編號：2095-4980(2015)04-0540-04 0.45 THz 次諧波混頻器優(yōu)化設(shè)計(jì) 蔣長宏 a,b，張德海a,b，趙 鑫a,b (中國科學(xué)院 a.微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190) 摘 要：采用 ACST 公司準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)混頻二極管對 0.45 THz 次諧波混頻器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。提 出一種電路

2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電路結(jié)構(gòu)緊湊且易于匹配。在對二極管結(jié)構(gòu)分析與建模的基礎(chǔ)上，利 用射頻電路仿真軟件 ADS 及電磁場仿真軟件 HFSS 對混頻器電路及結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到 理想情況下單邊帶變頻損耗最小值 6 dB，三分貝帶寬大于 30 GHz，所需本振驅(qū)動功率 3.8 mW。 仿真結(jié)果表明，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于采用反向并聯(lián)肖特基二極管對實(shí)現(xiàn)次諧波混頻器設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：太赫茲；混頻器；優(yōu)化設(shè)計(jì) 中圖分類號：TN454 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.11805/TKYDA201504.0540 Optimization and design of a subOptimization and de

3、sign of a sub-harmonic 0.45 THz mixer harmonic 0.45 THz mixer JIANG Changhong a,b，ZHANG Dehaia,b，ZHAO Xina,b (a.Microwave Remote Sensing Technology Laboratory；b.Space Science and Applied Research Center， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) Abstract：Abstract：A sub-harmonic 0.45 THz mixe

4、r is optimized and designed with quasi-vertical Schottky mixer diodes of ACST. A circuit topology which is compact and easily to be matched is proposed. Based on the diode structure analysis and modeling, the mixer circuits and structure are optimized as a whole by using an RF circuits simulation so

5、ftware(ADS) and an electromagnetic field simulation software(HFSS). The simulation results reveal that minimum Single Side Band(SSB) conversion loss is about 6 dB with 3.8 mW of local oscillator power, and -3 dB bandwidth is more than 30 GHz. The circuit topology is suitable for the use of anti-para

6、llel Schottky diodes to achieve sub-harmonic mixer designs. Key words：Key words：terahertz；mixer；optimization and design 毫米波/亞毫米波技術(shù)最先在射電天文觀測領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，探測頻率不斷爬升，最新研究 表明，宇宙射線主要能量譜集中在太赫茲頻段(0.1 THz10 THz)。大氣中的水分子、氧氣以及溫室氣體等氣體分 子對電磁波的諧振衰減使得太赫茲波可用于大氣遙感。太赫茲波具有波長短及易獲得大瞬時(shí)帶寬等特點(diǎn)，可用 于超寬帶通信、超分辨率雷達(dá)等領(lǐng)域。 超外差式接收機(jī)具

7、有較高的室溫下信號檢測靈敏度，其關(guān)鍵器件是混頻器，用于將射頻信號變換到中頻信 號。超外差式接收機(jī)的靈敏度主要取決于第一級部件，通常為低噪聲放大器。在太赫茲頻段尤其是 200 GHz 以 上，目前還沒有商用的低噪聲放大器可供選擇，因此，工作在此頻段的超外差式接收機(jī)第一級部件通常是混頻 器，它的性能直接決定了接收機(jī)的靈敏度。 混頻器利用肖特基二極管的非線性區(qū)間進(jìn)行頻率變換，非線性器件的分析是比較復(fù)雜的，借助于射頻仿真 軟件 ADS 的諧波平衡仿真器可方便地對非線性器件進(jìn)行分析。太赫茲頻段波長短，器件的幾何尺寸已經(jīng)與工作 波長相近，因此需要對混頻管芯進(jìn)行精確建模。利用電磁場仿真軟件對管芯及混頻器無源

8、部分進(jìn)行建模提取 S 參數(shù)，然后導(dǎo)入 ADS 進(jìn)行優(yōu)化。次諧波混頻器主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是采用反向串聯(lián)肖特基二極管對1； 另一種是采用反向并聯(lián)肖特基二極管對2。受器件限制，國內(nèi) 300 GHz 以上混頻器報(bào)道較少，文獻(xiàn)3采用了英 國盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室(Rutherford Appleton Laboratory，RAL)一款反向并聯(lián)肖特基二極管對設(shè)計(jì) 380 GHz 次 諧波混頻器。本文采用 ACST 公司反向并聯(lián)肖特基二極管優(yōu)化設(shè)計(jì)工作頻率為 0.45 THz 的次諧波混頻器。 收稿日期：2014-10-30；修回日期：2014-12-15 第 4 期 蔣長宏等：0.45 THz 次諧

9、波混頻器優(yōu)化設(shè)計(jì) 541 1 直流參數(shù)分析 混頻管選用 ACST 公司的 2MAF1p5，廠家提供的直流參數(shù)為：等效串聯(lián)電阻 Rs9.8 11.7 ；理想因子 n1.21；1 A 壓降 U1A 732 mV743 mV；總電容 CT 6.2 fF6.8 fF，在 ADS 二極管模型 SPICE 參數(shù)中還 缺少反向飽和電流 Is，禁帶寬度 Eg，內(nèi)建電勢 Uj等參數(shù)。根據(jù)肖特基結(jié)的材質(zhì)由 GaAs 組成確定 Eg=1.43 eV， Uj 0.74 V，反向飽和電流可由公式(1)計(jì)算得出： ()() sT ( )exp/II UUnU= (1) 式中：I(U)在 IU 曲線 1 A10 A 范圍選

10、取，這里選 1 A 對應(yīng)電壓值 U740 mV；n 為理想因子；UT為肖特 基結(jié)熱電壓，室溫下約為 25.8 mV。根據(jù)廠家提供的參數(shù)計(jì)算得 Is510 -17 A。 2 理想性能預(yù)估 由于在太赫茲頻段很難獲取較大功率，因此 0.45 THz 混頻器擬采用二次諧波混頻的電路結(jié)構(gòu)，本振頻率只 需要基波混頻頻率的一半即 0.225 THz，降低本振鏈路的研制難度，電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 按照圖 1 在 ADS 中建立電路模型，二極管模型 SPICE 參數(shù)設(shè)置為：Rs =10.5 ,n=1.21,Cj0=2.2 fF, Is=510-17 A,Eg=1.43 eV,Uj=0.74 V，利用諧波平衡

11、仿真器仿真，初步得到理想情況下混頻器的性能如圖 2 所示。 同時(shí)得到本振功率為 2.6 mW 時(shí)管芯對本振頻率呈現(xiàn)的阻抗 ZLO=(56j109) ，對射頻頻率呈現(xiàn)阻抗 ZRF=(35j42) ， 其中，j 為復(fù)數(shù)中的虛數(shù)單位。 3 管芯建模 早期的亞毫米波及太赫茲肖特基二極管是晶須接觸結(jié)構(gòu)的，可靠性較差。美國 VDI 公司與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (Jet Propulsion Laboratory，JPL)最先將 肖特基二極管設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，提高 了可靠性并且易于集成。此后英國盧 瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室(RAL)、法國光子 與納米結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Laboratory for Photonics and

12、 Nanostructures，LPN)4 等也先后開展基于平面結(jié)構(gòu)的太赫茲 肖特基二極管。與 VDI 等平面結(jié)構(gòu)不 同，ACST 公司的混頻管是基于準(zhǔn)垂直 結(jié)構(gòu)的，Oleg Cojocari5詳細(xì)描述了準(zhǔn) 垂直結(jié)構(gòu)肖特基結(jié)(見圖 3)。 顯微鏡下觀察混頻管照片如圖 4(a)所示，廠家給出管芯本體尺寸為 70 m35 m9 m，在電磁場仿真軟件 HFSS 里建立管芯的仿真模型，見圖 4(b)。 Fig.3 Quasi-vertical Schottky junction 圖 3 準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)肖特基結(jié) LO port RF port LO filter RF filter IF filter IF

13、 port Fig.1 Circuit of sub-harmonic mixer 圖 1 二次諧波混頻器電路結(jié)構(gòu) Fig.2 Ideal conversion loss of mixer and optimum local oscillator drive power 圖 2 理想情況下混頻器變頻損耗及最優(yōu)本振驅(qū)動功率 1.01.52.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.55.0 -25 -20 -15 -10 -30 -5 PLO/mW PCL/dBm m1 m1 PLO=2.600 mW PCL=-5.972 dBm Max 542 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào) 第 13 卷 (a

14、) optical picture (b) HFSS model Fig.4 Mixer diode 2MAF1p5 圖 4 混頻管 2MAF1p5 4 整體仿真優(yōu)化 首先根據(jù)工作頻率選定射頻端口波導(dǎo)型號 WR2.2、本振端口波導(dǎo)型號 WR4.3，中間溝道選取的原則是截止 頻率大于最高工作頻率，這里設(shè)為 0.5 THz。電路基板選為介電常數(shù)小、溫度穩(wěn)定性高的石英基板，為盡量避免 激勵起高次模引起額外損耗，石英基板減薄到 50 m 厚。 混頻器是典型的非線性器件，射頻電路仿真軟件 ADS 的諧波平衡仿真器可以方便地分析非線性電路，因此 將混頻器分為兩部分，即：非線性部分和線性部分。非線性部分是指

15、肖特基結(jié)，線性部分是指除肖特基 PN 結(jié) 以外的所有部分。借助于電磁場仿真軟件 HFSS，可以很容易得到 任意無源結(jié)構(gòu)(即線性部分)的 S 參數(shù)。 姚常飛6及 Steve Marsh7詳細(xì)介紹了利用 CAD 軟件進(jìn)行二次 諧波混頻器設(shè)計(jì)流程，Peter Sobis8討論了若干電路優(yōu)化方法。在 此基礎(chǔ)上，提出一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖 5，混頻器分為：中頻 濾波器、本振濾波器、本振耦合、射頻耦合、射頻/中頻接地及混 頻管等部分。混頻管射頻端焊盤采用一段低阻抗線，射頻探針到 RF/IF 地微帶線長度、射頻探針到混頻管低阻焊盤長度、混頻管本 振端焊盤到本振濾波器微帶線長度、射頻減高波導(dǎo)短路面到微帶 線

16、腔體長度以及射頻減高波導(dǎo)過渡面到微帶線腔體長度等作為混 頻管射頻阻抗匹配的優(yōu)化參數(shù)。本振探針到本振濾波器微帶線長 度、本振探針到中頻濾波器微帶線長度、本振減高波導(dǎo)短路面到 微帶線腔體長度以及本振減高波導(dǎo)過渡到微帶線腔體長度作為混 頻管本振阻抗匹配的優(yōu)化參數(shù)。 在 HFSS 仿真模型里，射頻波導(dǎo)口、本振波導(dǎo)口及中頻微帶 輸出端設(shè)置波端口(wave port)，在兩 PN 結(jié)處設(shè)置集總端口(lumped port)，仿真得到五端口 S 參數(shù)包，然后導(dǎo)入 ADS 預(yù)估混頻器性能。最終仿真得到的混頻器性能見圖 6，其中圖 6(a)是射頻端口頻率特性，圖 6(b)是本振端 口頻率特性，圖 6(c)是最優(yōu)

17、本振功率。由圖 6 可以看出本振在 225 GHz3.8 mW 時(shí)，射頻端口單邊帶最小變頻 損耗大約 6 dB，-3 dB 帶寬大于 30 GHz，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 Fig.6 Mixer performance prediction 圖 6 混頻器性能預(yù)估 425 430 435 440 445 450 455 420 460 8 10 12 14 6 16 f/GHz m1 m1 f = 451.000 GHz PCL = 6.110 mW Min PCL/mW (a) RF port performance 215220225230235210240 10 20 30 40 50 60 7

18、0 0 80 m1 f/GHz PCL/mW m1 f = 225.000 GHz PCL= 6.111 mW (b) LO port performance 1 2 3 4 5 6 789010 20 40 60 0 80 m1 m1 PLO=3.800 W PCL=6.105 mW Min PLO/W PCL/mW (c) optimum LO power Fig.5 Simulation model of mixer 圖 5 混頻器整體仿真模型 LO filter RF probe RF/IF ground IF filter LO probe diode S 第 4 期 蔣長宏等：0.

19、45 THz 次諧波混頻器優(yōu)化設(shè)計(jì) 543 5 結(jié)論 通過對 0.45 THz 次諧波混頻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于反向并聯(lián)肖特基二極管對實(shí)現(xiàn)次 諧波混頻器，達(dá)到了電路結(jié)構(gòu)緊湊、易于匹配的目的。借助 CAD 軟件可以快速地對二次諧波混頻器進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)與仿真。為了進(jìn)行快速的仿真，模型里所有金屬材料均設(shè)置為完美導(dǎo)體(PEC)，如果設(shè)為實(shí)際金屬材料還會增 加歐姆損耗。此外，粘接二極管的導(dǎo)電膠阻抗、射頻/中頻接地導(dǎo)電膠阻抗也會帶來一定的損耗。因此，實(shí)際混 頻器變頻損耗將比仿真結(jié)果惡化。 參考文獻(xiàn)： 1 ZHANG Bo,Alderman Byron,CHEN Zhe,et al. Th

20、e design of a 200-240-GHz sub-harmonic mixer based on RALs planar Schottky diodesJ. Terahertz Science and Technology, 2011,4(3):90-94. 2 Peter J Sobis,Anders Emrich,Jan Stake. A low VSWR 2SB Schottky receiverJ. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2011,1(2):403-411. 3 YANG Xiaofan,

21、WANG Guoyu,WANG Liandong,et al. 380 GHz sub-harmonically pumped mixer based on anti-parallel planar Schottky diodeJ. Progress in Electromagnetics Research Letters, 2014,46:1-6. 4 唐海林. 太赫茲肖特基二極管技術(shù)研究進(jìn)展J. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2013,11(6):847-852. (TANG Hailin. Research progress of terahertz Schottky diodesJ. J

22、ournal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2013,11(6):847-852.) 5 Cojocari O,Mottet B,Rodriguez-Girones M,et al. Whisker-device-based optimization of fabrication process for planar THz Schottky diodesR. Helsinki:European Space Agency(ESA), 2003. 6 YAO Changfei,ZHOU Ming,LUO Yunsheng,et al. Millimeter-wave fixed tuned sub harmonic mixers with P