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《电子科技大学》 2012年
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基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器研究

杨晓帆  
【摘要】:太赫兹(THz)科学技术是近二十年来迅速发展的一个新兴交叉学科和研究热点,涉及电磁学、光电子学、光学、半导体物理学、材料科学、生物、医学等多门科学。太赫兹频段覆盖电磁频谱的0.1THz~10THz频率范围,是一个蕴含着丰富物理内涵的宽频段电磁辐射区域,两端分别连接微波毫米波和红外可见光。长期以来,由于缺乏有效的太赫兹源和检测方法,形成了电磁波谱中的太赫兹应用“空隙”。 在近乎所有的太赫兹技术应用系统中,太赫兹接收前端是系统的最核心技术,它完成太赫兹信号的频率变换。太赫兹分谐波混频器是太赫兹接收前端的关键部件。目前,在仅有的几类可工作于太赫兹频段的混频器中,只有基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器可工作于室温,无需提供如液氦等以实现苛刻的低温环境。因此,本论文将重点研究并解决基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器的相关科学技术问题。 太赫兹平面肖特基二极管作为太赫兹混频器的核心器件,论文首先对其进行了理论分析及实验测试,开展了二极管建模研究:包括基于HFSS实现的太赫兹平面肖特基二极管静态3D电磁建模,基于载流子扩散的肖特基势垒结动态SILVACO建模,以及反向并联混频管对的等效电路建模;其次对本研究所用的太赫兹反向并联肖特基二极管对进行了I-V曲线测试,并通过理论分析,推导得到了管对性能参数。在归纳了太赫兹平面肖特基二极管的发展趋势后,本论文对改进型太赫兹平面肖特基混频管进行了性能分析。 在对太赫兹平面肖特基二极管进行精确建模研究之后,提出了太赫兹分谐波混频器系统级精确建模方法,以0.38THz分谐波混频器设计为例,对太赫兹分谐波混频器的仿真优化方法进行了详细分析。在建立了分谐波混频器的非线性/线性整体模型、ADS分布式模型以及整体电路模型后,分析了分谐波混频器在射频及本振理想匹配下的最优工作性能及二极管阻抗;继而对太赫兹分谐波混频器的屏蔽封装腔体进行了三维建模,并基于系统级精确建模对太赫兹分谐波混频的加工及装配误差进行了量化容差分析。 对比传统的分谐波混频器测试方法,本论文通过搭建基于加载可控开关式噪声源中频链路的太赫兹噪声测试接收系统,采用Y因子冷热负载法,同时实现了对太赫兹分谐波混频器变频损耗及等效噪声温度的测量。此外,构建的太赫兹噪声测试接收系统可直接应用于太赫兹接收前端系统。 在对0.38THz分谐波混频器进行测试,并量化对比分析仿真结果后,本论文还开展了太赫兹系统若干无源电路研究。首先进行了可作为太赫兹功分器/合成器的平面介质加载波导(PPDW)太赫兹混合环研究,研究了基于正弦波导和正弦基片集成波导技术的毫米波带通滤波器;提出了改进紧凑微带谐振单元结构,并优化仿真了微波毫米波低通及带通滤波器,最终应用于本论文分谐波混频器,得到了良好效果。 本论文的研究工作是在电子科技大学极高频复杂系统国防重点学科实验室,以及英国卢瑟福阿普尔顿国家实验室,英国太空总署联合培养下完成。它将有助于提高我国太赫兹固态器件技术的基础研究水平和自主创新能力,并将有力推动太赫兹半导体材料和器件技术的发展。从而为实现高性能太赫兹信号接收机,提高我国太赫兹技术的应用水平奠定坚实基础。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN773

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【引证文献】
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【参考文献】
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