图4、190 GHz 二倍频器的变容二极管芯片三维电磁模型
2.2 二倍频器建模分析
190 GHz 二倍频器基于平衡二倍频原理,采用矩形波导的主模作为基波输入信号的传播模式,二次谐波以悬置微带的准横电磁波模式传播。这样,在不需要额外滤波器的情况下实现输入和输出信号的隔离。具体的电路结构如图5 所示,电路基片为50 μm 厚的氮化铝(AlN),输入信号从WR10 标准波导馈入,经一段减高波导和介质加载波导后,产生的二次谐波信号以准横电磁波模式沿悬置微带传播,并经探针过渡从WR5 标准波导口输出。输入波导的减高是为了提高输入匹配的性能。主模的输入信号仍可以在经过二极管之后朝输出探针方向传播,所以引入了一段屏蔽腔减宽的悬置微带,这段悬置微带的屏蔽腔可看作为WR10 波导的减宽,这样就能使输入的主模截止,形成一个对输入信号的短路终端。二极管上产生的准横电磁模(TEM)二次谐波不会从输入波导泄漏,因为矩形波导并不支持这样的场型模式传播。二极管的直流偏置通过一个低通滤波器馈入,该滤波器防止输出信号从偏置端口泄漏。输出端的两段减高是为了提高输出匹配性能。由于目前工艺的限制,在AlN 基片上还无法像在石英和砷化镓(GaAs)上那样实现梁式引线,所以在二极管两端的电路基片焊盘上是通过金带键合至腔体上,以此形成接地,使得6个二极管芯构成平衡二倍频所需的连接。
图5 、190 GHz 二倍频器电路结构
2.3 二倍频器的测试
如图6 中所示,实验结果表明:190 GHz 二倍频器的输出频带为190~198 GHz,最大可承受350 mW的输入功率;当输入功率为200 mW时,在193 GHz 处获得最大倍频效率8%,输出功率达到16 mW;在该频点处当输入功率为350 mW 时,输出功率为24.12 mW,倍频效率为6.89% 。表2 展示了本文所研究的二倍频器的结果与其他同类产品的指标对比。实验结果与仿真预测较为一致,验证了变容二极管建模、器件设计和电路优化方法的有效性。同时,我们提出了一套从变容二极管设计到电路优化的系统研究方法,这对实现太赫兹频段的固态源有着重要的意义。