专利名称：左手材料非线性传输线谐波产生器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波/毫米波器件技术领域，尤其涉及一种左手材料非 线性传输线谐波产生器电路。
背景技术：
太赫兹波(Terahertz Wave)，即频率在0.1至10THz范围内的电 磁波(lTHz=1012Hz)，其波长位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间 GOpm至3mm，所以亦有文献称其为亚毫米波)，是电子学技术与 光子学技术、宏观与微观的过渡区域。
太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但有待研究开发的电 磁波频段。上个世纪20年代就有人提出对太赫兹波进行研究，但长期 以来太赫兹波产生和探测的技术与十分成熟的微波、光频技术相比十 分落后，科研工作者难以找到高能量、高效率、低造价、且能在室温 下稳定运行的太赫兹波辐射源，这也是限制当代太赫兹技术发展的最 主要原因。所以直到上个世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电 磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的"太赫兹空白 隙"(Terahertz Gap)。
近二十年来，随着半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性 光学频率变换技术的发展，与太赫兹辐射相关的THz波技术逐渐成为 国际研究的热点。由于物质在THz波频段的发射、反射和透射光谱中 包含有丰富的物理和化学信息，并且THz波辐射源与传统光源相比，
具有高穿透性、高分辨率、低损伤性等独特、优异的特性，所以它在 物理、化学、天文学、生物学、医学、安全检査、环境监测、食品检 验、卫星通信和武器制导等领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的 应用前景。目前，包括美国、西欧和日本等发达国家在内的众多国家都对太 赫兹波技术给予高度的重视，并投入了大量的人力物力，开展了一系 列相关领域的THz波技术研究[3]。研制出高功率、高能量、高效率且 能在室温下稳定运行、宽带可调的THz辐射源，成为当前研究所急需
的问题。
THz波辐射源是THz技术中的关键部件。THz波辐射源可以分别 利用电子技术和光学技术两种方法来产生。光学方法目前主要有THz 波气体激光器，与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒THz辐射的 光整流、光电导和等离子体混频等方法。
然而，光学方法实现的THz源不能在室温使用，需要超低温冷却 技术。电子学方法产生THz波的进步主要依赖于微电子制造技术的发 展。电子学技术产生THz信号源的方法涵盖了微电子技术、半导体技 术和真空电子学技术。基于半导体技术的THz激光器，如量子级联激 光器是目前发展较为迅速、且被认为是一种较为有发展前途的THz相 干辐射源，但仍有一些技术瓶颈有待解决。
属于真空电子学范畴的自由电子激光器，理论上可以产生从远红 外到X射线全波段的相干辐射，具有频谱范围宽、峰值功率和平均功 率高、可连续调谐以及相干性好等优点，但它体积过于巨大、能耗高、 运行和维护费用较为昂贵，因此难以广泛普及。
与以上的产生方法相比，电子技术产生THz源具有体积小，结构 紧凑，可在常温下使用等优点，主要方法有耿氏(Gimn)振荡器、反 向波(BWO)振荡器、布洛赫(Bloch)振荡器等。
由于有良好的噪声性能，耿氏二极管振荡器广泛应用于本振和驱 动。但是，耿氏振荡器的振荡频率受器件材料的限制， 一般砷化镓耿 氏振荡器小于0.1THz，而磷化铟耿氏振荡器小于0.2THz。为了进一步 提高信号源输出信号频率，常利用非线性传输线对耿氏振荡器的输出 信号两倍频或三倍频。非线性传输线可以由若干段负载电容和电感的 传输线实现。传统的非线性传输线由右手材料构成，在THz频率范围 内，谐波产生效率过低，通常小于5%。
左手材料是一种介电常数s和磁导率p均为负数的人造材料。之所以称它们为左手材料，是因为电场强度E、磁场强度H和波矢k构 成左手规律，而不同于传统材料构成的右手规律。如图1所示。通常， 左手材料由金属线和分叉环状共鸣器的排列构成。这种材料有独特的 电动学特性，包括表现出与斯涅尔折射定律、多普勒效应、切尔雪夫 辐射等相反的规律，折射系数为负，相速度和群速度方向相反。这种 独特的电动学特性使左手材料在射频/微波的新用途研究中非常吸引 人。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种左手材料非线性传输 线谐波产生器电路，以提高输出三次谐波的转换效率，拓宽频率范围。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种左手材料非线性传输线谐波 产生器电路，该电路利用负载了变容二极管的传输线单元实现电容随 电压变化的非线性，产生几倍于输入信号频率的高次谐波，由若干相 同的传输线单元周期串联排列构成。
上述方案中，所述传输线单元由串联电容CLHM、并联电感LLHM， 以及传输线损耗引起的电阻串联构成。
上述方案中，所述串联电容QHM由串联电容Q和传输线寄生电
感Lxd串联构成，所述并联电感LlHM由并联电感Lo和传输线寄生电容
Cxd并联构成。
上述方案中，该电路在输入端进一步包含与所述传输线单元串联
的电源Vmp、电源内阻Rg以及隔直电容2C」0，在输出端进一步包含与
所述传输线单元串联的负载电阻Rl和隔直电容2Cjo。
(三) 有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下技术效果
1、本发明提供的这种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，利用负载的可变电容实现非线性传输线，从而产生几倍于输入信号频率 的高次谐波。
2、 本发明提供的这种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，在 高频下，并联的电感可以用传输线代替。
3、 本发明提供的这种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，不 但能够得到THz信号源，而且，由于利用了介电常数和磁导率均为负 数的左手材料，还可以有效提高从基波到三次谐波的转换效率，在保 证频率的前提下，可以将目前不到5%的输出效率提高到20%,并拓宽 了频率范围。
图1是左手材料与右手材料中波动特性的比较示意图，E代表电 场方向，H代表磁场方向，k代表波矢的方向，P代表能量传播方向； 图2是左手材料和右手材料非线性传输线谐波产生效率的对比； 图3是本发明提供的左手材料非线性传输线谐波产生器 (LH—NLTL)的电路结构图4是右手材料非线性传输线(RH—NLTL)的电路结构图； 图5是单位长度传输线单元等效电路图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
目前，由周期负载串联电容和并联电感的传输线构成左手材料的 方法被提出，因电场强度E、磁场强度H和波矢k构成左手规律称之 为左手材料非线性传输线(LH—NLTL)，相对于E、 H和k构成右手规 律的右手材料非线性传输线(RH—NLTL)。 LH_NLTL中波具有反常的 色散，这种现象导致了谐波产生效率更高且有效工作频率范围更宽， 如图2所示。以耿氏振荡器产生的信号源为输入信号，利用左手材料 非线性传输线产生输入信号的三次谐波，实现更高频率的输出信号。
本发明提供的这种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，利用负载了变容二极管的传输线单元实现电容随电压变化的非线性，产生 几倍于输入信号频率的高次谐波，由若干相同的传输线单元周期串联 排列构成。
如图3所示，其中虚线方框内的电路为传输线单元，每个传输线 单元包含串联电容和并联电感，其中的电阻表示传输线的损耗。传输 线单元由串联电容(^HM、并联电感L^M，以及传输线损耗引起的电阻 串联构成。串联电容CLHM由串联电容C。和传输线寄生电感Lxd串联构
成，并联电感LLHM由并联电感L。和传输线寄生电容Cxd并联构成。 在该电路中，由于.'y'coM^Z:^^)L^-; (2)
y'co& = y = => & =——^~ (3) 其中，p表示磁导率，s,表示电导率。
由式(2)、 (3)可见，介电常数和磁导率都为负数。LH—NLTL与 图4所示的RH_NLTL相比，电容和电感的位置正好相反。由于电导 率和磁导率均为负，该传输线表现为左手特性。
在实际制作时，可变电容通过变容二极管实现，而电感通过四分 之一波长传输线实现。
除此之外，该电路在输入端进一步包含与所述传输线单元串联的
电源V^、电源内阻Rg以及隔直电容2Cj0，在输出端进一步包含与所
述传输线单元串联的负载电阻!^和隔直电容2C,
由于传输线本身引入寄生电容和电感，在考虑了传输线单位长度 电容和电感的影响后，单位长度传输线等效电路如图5所示。其中，Lxd和Cxd是单位传输线引入的寄生电感及电容，Q和Lo是负载串联电
容值和并联电感值。1^画是由并联电感Lo和传输线寄生电容Cxd通过 并联组成的电感，CLHM是由串联电容Co和传输线寄生电感Lxd通过串 联构成的电容。即LH—NLTL的传输线单元由串联电容Cu^和并联电
感LLHM以及传输线损耗引起的电阻共同构成。设计时要考虑单位长度
传输线对电容和电感的贡献。传输线的长度必须足够小以保证分布参 数不会取代负载电容和电感。
以输入50GHz的信号为例，经过LH—NLTL后，三次谐波的输出 频率为150GHz。将传输线的布拉格频率(单位传输线周期频率)设为 150 GHz。则电容、电感满足(1)式。
力腦=~^= 1=150G/fe (4) 7rV丄丄柳* C丄舰
为保证传输效率高，大信号输入阻抗应该等于50n。在设计传输 线时，应该使串联电容值和并联电感值满足(2)式。
下面介绍变容二极管的设计方法。Cc是变容二极管的大信号电容，
可以表示如下
其中，Cjo为零偏结电容，VA为二极管两端的偏置电压，O为内建
电压，y在一定频率范围内保持为常数。根据(3)式，可以设计PIN 变容二极管的本征层掺杂浓度分布。在(4)式中，ND (x)表示本征 层浓度分布，x从p"-层与i-层的界面为零点。^为本征层介电常数。结合式(3)和(4),即可得到本征层浓度分布。
<formula>formula see original document page 9</formula>
相对于变容管的大电容，传输线的寄生电容Cxd应该是可以忽略
的，在设计时，使传输线的特征阻抗Z。2 75Q。
<formula>formula see original document page 9</formula>通过设计传输线的宽度和长度使特征阻抗达到要求。同时，设计 优化传输线单元的个数，使输出的三次谐波转换效率最高。理论计算
表明，当单位传输线个数为N。pt时，三次谐波转换效率最高。 Nor^li^,"(U2，3… (9)
本发明提供的这种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，不但 能够得到THz信号源，而且还可以有效提高从基波到三次谐波的转换 效率，在保证频率的前提下，可以将目前不到5%的输出效率提高到 20%。
定义三次谐波的转换效率为第n个结点处的三次谐波电压与基 波电压的幅度平方之比^ 。左手材料非线性传输线的三次谐波转换 效率n,(")为[l]:
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，<formula>formula see original document page 9</formula>(j),一3(3i)"W,o^,o(l-e-,Kn为非线性系数，(3为单位长度的相移，oc是单位长度的衰减。右手材料非线性传输线的三次谐波转换效率的表达式结构与左手.2卩3材料相同，但是其中，A((3,，p3卜F/、p,，p3)-(^ 2 )、sin2 ~^__sin2 L 2 2比较左手材料与右手材料非线性传输线的三次谐波转换效率，如 图2所示，在三倍布拉格频率coa (单位传输线周期频率)附近，左手 材料非线性传输线三次谐波转换效率接近20%，而右手三次谐波转换 效率却<5%。同时，从图2中可见，右手材料非线性传输线的三次谐 波产生频率0^o^3coB;而对于左手材料，co>cob。所以，在相同条件 下，左手材料三次谐波产生的频率范围更宽。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体 实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，其特征在于，该电路利用负载了变容二极管的传输线单元实现电容随电压变化的非线性，产生几倍于输入信号频率的高次谐波，由若干相同的传输线单元周期串联排列构成。
2、 根据权利要求1所述的左手材料非线性传输线谐波产生器电路，其特征在于，所述传输线单元由串联电容Cu^、并联电感LLHM，以及 传输线损耗引起的电阻串联构成。
3、 根据权利要求2所述的左手材料非线性传输线谐波产生器电路， 其特征在于，所述串联电容CLHM由串联电容C。和传输线寄生电感Lxd串联构成，所述并联电感LLHM由并联电感Lo和传输线寄生电容Cxd并联构成。
4、 根据权利要求1所述的左手材料非线性传输线谐波产生器电路， 其特征在于，该电路在输入端进一步包含与所述传输线单元串联的电源V^、电源内阻Rg以及隔直电容2Cj0，在输出端进一步包含与所述传输线单元牵联的负载电阻RL和隔直电容2Cjo。
全文摘要
本发明公开了一种左手材料非线性传输线谐波产生器电路，该电路利用负载了变容二极管的传输线单元实现电容随电压变化的非线性，产生几倍于输入信号频率的高次谐波，由若干相同的传输线单元周期串联排列构成。该谐波产生器电路由于利用了介电常数和磁导率均为负数的左手材料，在保证频率的前提下，能够大幅度提高输出三次谐波的转换效率，同时拓宽了频率范围。
文档编号H03B19/05GK101521485SQ20081010095
公开日2009年9月2日 申请日期2008年2月27日 优先权日2008年2月27日
发明者吴茹菲, 尹军舰, 张海英 申请人:中国科学院微电子研究所