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性，二极管采用阳极直径为 5 m 的 GaAs 肖特基二极管，其模型的主要参数为:零偏结电容 Cj0为30.6 fF;串联电阻 s为 5 W;反向击穿电压 Vbr为7 V;理想因子 n 为 1.1;内建电势 Vj为 0.8 V;反向泄漏电流 Is为 130 fA。通过点支撑空气桥结构、深刻蚀槽结构以及 20 m 薄衬底结构减小寄生电容;通过减小 n层厚度、提高 n+层掺杂浓度以及缩短沟道长度减小了寄生电阻。寄生电容和寄生电阻的减小提高了二极管的截止频率，倍频器获得了较高的转换效率。2二倍频器制备与测试2.1功分器/功合器制备与测试采用黄铜加工装配了 W8 波导功分器与 W4波导功合器，并完成测试，其实物照片及插入损耗高颖:0.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术=614半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月测试结果分别如图 4(a)、(b)所示。对于 W8波导功分器，在 90 110 GHz 内的插入损耗为0.120.35 dB;对于 W4 波导功合器，在 204 218 GHz 内的插入损耗为 0.52 0.89 dB。对具有不同宽度和高度加工误差的 W4 波导功合器传输系数的相位误差进行了仿真分析，结果如图 5 所示，仿真显示1 m 的加工误差会导致波导功合器传输系数的相位最多相差 9o，这是造成输出端功率合成器的损耗较大的主要原因。1 0 09 0 9 2 9 4 9 6 9 81 0 21 0 41 0 61 0 81 1 0I n s e r t i o n l o s s 1 d B3210F r e q u e n c y 1 G H z(a)WR 8 波导功分器2 0 4I n s e r t i o n l o s s 1 d B432102 1 82 0 6 2 0 8 2 1 0 2 1 2 2 1 4 2 1 6F r e q u e n c y 1 G H z(b)WR 4 波导功合器图 4波导功分器/功合器照片和插入损耗测试结果Fig.4Photo and measured insertion losses of waveguidepower divider/combiner相位/()(-1 m,-1 m)(-1 m,0 m)(-1 m,+1 m)(0 m,-1 m)(0 m,0 m)(0 m,+1 m)(+1 m,-1 m)(+1 m,0 m)(+1 m,+1 m)加工误差:相位误差9 1 0 05 00-5 0-1 0 0-1 5 02 1 82 1 42 1 62 1 52 1 7F r e q u e n c y/G H z图 5W4 波导功合器相位误差仿真结果Fig.5Simulation results of phase error of W4 waveguidepower combiner2.2倍频器子模块制备及测试倍频器的功率合成对倍频器子模块转换效率的一致性有较高的要求。图 6(a)所示为 209 216 GHz二倍频器子模块照片。该倍频器采用了肖特基二极管基太赫兹倍频器最常见形式，输入、输出均为矩形波导，制备时沿波导 E 面中心切割腔体分别加工，将倍频芯片安装在 2 个二倍频腔体模块腔体中，通过 SMA 接插件为二倍频器提供偏置电压，并采用高低阻抗带线滤波器对高频信号进行抑制以减小射频信号的泄漏。2 个倍频器子模块A、B 的输出功率(Pout)与转换效率()测试曲线如图 6(b)所示，输入频率为 104.5108 GHz，输入功率为 292380 mW，在该输入功率下，倍频器能够实现较高的转换效率，且工作状态稳定。在209 216 GHz 内，模 块 A 的 输 出 功 率 最 高 为72 mW，转换效率为 21%;模块 B 的输出功率最高为 78 mW，转换效率为 23%，2 个模块有较高的一致性。单片集成式芯片的另一个优势是具有低的热阻，可以降低芯片结温，倍频芯片的结温分布仿真结果显示，在 300 mW 注入功率下，芯片结温约为 133，如图 7 所示。1 0 0 01 0 01 010.15 04 03 02 01 00子模块A子模块BPo u t/m W/%2 0 82 0 92 1 72 1 02 1 12 1 22 1 32 1 42 1 52 1 6F r e q u e n c y/G H z(a)二倍频器子模块照片(b)二倍频器子模块输出功率及转换效率测试曲线图 6二倍频器子模块照片和测试结果Fig.6Photo and measurement results of frequency doublersubmodules高颖:0.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7615阳极结1 3 3.3 8 M a x1 3 01 1 51 0 08 57 05 54 02 0.5 1 9 M i n温度/引线衬底图 7倍频芯片结温分布仿真结果Fig.7Simulated junction temperature distribution of thefrequency doubler chip2.3倍频器合成及测试将 2 个倍频器子模块、输入功分器及输出功合器进行装配，实现外合成式二倍频器，其照片如图8 所示。图 8外合成式二倍频器照片Fig.8Photo of the frequency doubler with exteral powercombining structure采用功率合成结构能够提升倍频器的耐受功率及最大输出功率，图 9(a)所示为外合成式二倍频器的输出功率和转换效率测试结果，输入频率为 104.5108 GHz，输入功率为 612687 mW，输出功率典型值为 90 mW，转换效率典型值为 15%。在 214 GHz 频点下，二倍频器峰值转换效率为 18.5%，输出功率为 117 mW。在 209216 GHz 频带内，二倍频器输出功率大于 60 mW，转换效率大于 9.7%。尽管由于输出功合器损耗较高，对合成效率造成了不利影响，但在 214 GHz 下依然达到了 86.5%的合成效率，带内 合 成 效 率 大 于 69%，峰 值 合 成 效 率 为88.5%(图 9(b)，该结构有效实现了二倍频器的外部合成。表 1 比较了国内外该频段合成式倍频器的输出功率，可以看出本文采用外合成方式实现了更高的输出功率。1 0 0 01 0 01 010.15 04 03 02 01 00Po u t/m W/%2 0 82 0 92 1 72 1 02 1 12 1 22 1 32 1 42 1 52 1 6F r e q u e n c y/G H z(a)输出功率及转换效率2 0 82 0 92 1 72 1 02 1 12 1 22 1 32 1 42 1 52 1 6F r e q u e n c y/G H z(b)合成效率1 2 01 0 08 06 04 0C o m b i n i n g e f f i c i e n c y/%图 9外合成式二倍频器测试结果Fig.9Measurement results of the frequency doubler withexteral power combining structure表 1合成式倍频器输出功率比较Tab.1Output power comparison of frequency multipliers withcombining structures文献倍频系数频率/GHz输出功率/mW合成方式 7320423484.5内合成 8321022545内合成 103210240110内合成本文2209216117外合成3结论本文以 Y 型结结构波导功分器/功合器为基础，提出了一种大功率二倍频器外部功率合成的方法。采用电磁场仿真设计了 Y 型结结构功分器/功合器，实现了低的插入损耗;同时，采用单片集成芯片制备二倍频器，以满足合成子模块高一致性的要求;最后，对二倍频器、功分器及功合器进行组装和测试。测试结果表明，外合成式二倍频器在209216 GHz 内，输出功率最高可达 117 mW，转换效率最高可达 18.5%，合成效率最高可达 88.5%。高颖:0.2 THz 平衡式二倍频器两路功率合成技术=616半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月该方法极大提高了太赫兹倍频器的输出功率，并具有设计灵活、装配简单和适用性强等优势。后续将通过改进波导功合器加工精度及设计鲁棒性，进一步提升合成效率。参考文献:1 SAAD W，BENNIS M，CHEN M Z，et al A vision of6G wireless systems:applications，trends，technologies，and open research problems J IEEE Network，2020，34(3):134142 2 MEHDI I，SILES J V，LEE C，et al THz diodetechnology:status，prospects and applications J Proceedings of the IEEE，2017，105(6):9901007 3 MAESTINI A，MEHDI I，SILES J V，et al Designand characterization of a room temperature all-solid-stateelectronic source tunable from 2.48 to 2.75 THz J IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2012，2(2):177185 4 马春雷，宋旭波，梁士雄，等 200220 GHz 平衡式高效率二倍频器 J 半导体技术，2022，47(10):804808 5 GUO C，SHANG X B，LANCASTE M J，et al A135 150 GHz frequency tripler with waveguide filtermatching J IEEE Transactions on Microwave Theoryand Techniques，2018，66(10):46084616 6 SILES J V，COOPE K，LEE C，et al A compactroom-temperature 510 560 GHz frequency tripler with30-mW output power C Proceedings of the 15thEuropean adar Conference(EuAD)Madrid，Spain，2018:13531356 7 TIAN Y L，HUANG K，HE Y，et al A novel balancedfrequency tripler with improved power capacity forsubmillimeter-wave application J IEEE Microwaveand Wireless Components Letters，2021，31(8):925928 8 毋自贤，郭诚，温潇竹，等 基于片上肖特基二极管的高功率三倍频器设计 J 红外与毫米波学报，2021，40(5):647654 9 SILES J V，MAESTINI A，ALDEMAN B，et al Asingle-waveguidein-phasepower-combinedfrequencydoubler at 190 GHz J IEEE Microwave and WirelessComponents Letters，2011，21(6):332334 10 SILES J V，COOPE K B，LEE C，et al A newgenerationofroom-temperaturefrequency-multipliedsources with up to 10 higher output power in the160 GHz1.6 THz range J IEEE Transactions onTerahertz Science and Technology，2018，8(6):596604 11 VIEGAS C，LIU H，POWELL J，et al A 180-GHzSchottky diode frequency doubler with counter-rotated E-fields to provide in-phase power-combining J IEEEMicrowave and Wireless Components Letters，2018，8(6):518520(收稿日期:20230302)作者简介:高颖(1971)，男，河北石家庄人，硕士，高级工程师，主要研究方向为微波器件、微波电路设计、工艺。=(上接第 604 页)7 刘濮鲲，杜朝海 毫米波回旋行波放大器的发展评述 J 微波学报，2013，29(Z1):3342 8 MOON J，LEBLANCE，LECOUT F，et al 12 W，30%PAE，40 GHz power amplifier MMIC using a com-mercially available GaN/Si process C Proceedingsof IEEE/MTT-SInternationalMicrowaveSymposiumPhiladelphia，USA，2018:14571460 9 OBETSON I，LUCYSZYN S 单片射频微波集成电路技术与设计 M 文光俊，谢甫珍，李家胤，译北京:电子工业出版社，2007:5152 10 Qorvo QPA4446D:37.542.5 GHz 4 Watt GaN ampli-fierDS/OL 20221222 https:cn qorvocom/products/p/QPA4446D(收稿日期:20230113)作者简介:邬佳晟(1990)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士，工程师，主要从事微波电路设计和研究工作。