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固态太赫兹前端关键技术研究

钟富群  
【摘要】:太赫兹(THz)技术是当前学术研究的热点,能够被应用于物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、安全检查、反恐探测、卫星通信和雷达探测等与国民经济和社会发展密切相关的领域。 目前,我国太赫兹技术应用还处于起步阶段,尚有很多关键技术还未突破。本文旨在以太赫兹半导体器件理论、电路建模方法、仿真技术和实现手段为切入点,开展太赫兹系统应用中的核心电路研究,突破太赫兹系统应用的关键技术;为太赫兹关键电路的研制奠定理论和技术基础,同时推动太赫兹系统应用和系统研究。 太赫兹频段倍频器和混频器是太赫兹系统前端的关键电路,它们的性能决定了太赫兹收发系统的性能。本文对太赫兹频段低损耗分谐波混频器和高效倍频器展开了研究,突破了太赫兹二极管封装寄生参数分析、二极管封装三维电磁模型构建等核心技术,研制出高性能太赫兹分谐波混频器和太赫兹固态二倍频器,为太赫兹系统应用奠定了理论和技术基础。另外,本文还对空间映射算法在毫米波太赫兹滤波器快速设计中的应用展开研究,并研制了相关电路,为将空间映射算法应用到太赫兹无源电路设计中奠定了技术基础。 本文主要展开了以下方面的工作,其研究成果主要体现在: 1.在太赫兹分谐波混频器研究中,提出了一种快速且准确分析二极管封装寄生参数的方法,构建了较为准确的肖特基二极管电路模型。在太赫兹频段,准确的肖特基二极管建模对高性能混频器的研制至关重要。由于肖特基二极管封装寄生参数对太赫兹混频器性能的影响已经非常明显,为了考虑封装寄生参数的影响,实现混频器的精确设计,本文提出了一种快速且准确分析二极管封装寄生参数的方法。采用VDI公司的W波段肖特基反向并联二极管对,对其进行了相关参数的分析,建立了较为准确的二极管电路模型,最后基于该电路模型研制了W波段二次分谐波混频器。通过实验研究,最终验证了基于参数分析方法建立的二极管电路模型的准确性和合理性,并为太赫兹分谐波混频器的准确设计提供了一种有效方法。 2.在太赫兹二倍频器研究中,构建了基于二极管物理结构的封装三维电磁模型,进而建立了较为准确的变容管非线性模型。太赫兹高性能倍频器的研制关键在于太赫兹倍频管的精确建模和合理的电路结构。在倍频器输入端将输入电磁波信号通过空间耦合的方式馈入至倍频二极管中能够实现高性能二倍频器,此电路结构简单,易于加工实现。该电路结构的实现需要基于变容二极管阵列封装的精确三维电磁模型,因此首先重点介绍了二极管内部半导体结构和材料信息的获取方法及肖特基变容管非线性模型的建模方法。在此基础上,基于肖特基变容管的线性和非线性模型提出了170GHz、190GHz和220GHz二倍频器技术方案,并针对这三个频段的二倍频器电路进行了精确仿真优化,最终研制了190GHz和220GHz二倍频器,并展开220GHz二倍频器实验研究。该倍频器获得最大3.2mW倍频输出功率。实验结果证明了该太赫兹变容二极管封装三维电磁模型的正确性及二倍频器电路的合理性,为太赫兹频段二倍频器的研究奠定了技术基础。 3.采用等比缩放模型(Scale Model)理论,将空间映射算法应用到毫米波太赫兹频段高性能滤波器电路设计中。本文采用等比缩放模型的方法,将毫米波和太赫兹频段电路等比例放大至微波频段,利用ADS模型库构建毫米波太赫兹滤波器电路模型,并通过在ADS中创建优化和参数提取电路来实现毫米波太赫兹频段滤波器的快速准确设计。基于此方法,本文以改进型锤头滤波器和微带紧凑谐振单元(CMRC)滤波器的研制过程为例,详细说明了空间映射算法在毫米波太赫兹滤波器设计中的应用思路。通过空间映射算法优化结果与直接采用电磁仿真软件的优化结果的对比,证明了空间映射算法在保证精度的情况下,大大提高了设计效率,同时也证明了空间映射算法可以应用到更高频段的毫米波太赫兹无源电路的研制中。


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