基于肖特基二极管的0.14THz次谐波混频器研究

【摘要】：太赫兹（Terahertz,THz）波一般是指频率在100GHz~10THz范围内，频谱位于红外与毫米波之间的电磁波。在太赫兹电路与系统的应用中，频率变换是其关键模块之一。而太赫兹混频器是频率变换的核心器件，它的性能好坏直接影响整个太赫兹电路与系统的性能。 本文首先介绍了太赫兹混频器的国内外研究现状，系统讨论了基于肖特基势垒二极管的混频器原理。由于在太赫兹频段，很难获得足够大功率的太赫兹本振信号源，因此本文主要研究太赫兹次谐波混频器，其本振频率仅为射频频率的一半。通过研究肖特基势垒二极管的特性，选取平衡式混频器电路拓扑结构后，分别利用HFSS和ADS仿真软件仿真了混频器无源电路部分和混频非线性特性，采用了两种不同方案实现了0.14THz的次谐波混频器。其中第一种方案采用的是MA4E2039二极管对芯片，其测试结果显示在140-160GHz频率范围内平均变频损耗约为26dB，最低为13dB；第二种方案采用VDI R23C15二极管对芯片，测试结果显示，在138-153GHz频段内单边带变频损耗低于20dB，平均约为15dB，最低约为9.3dB，从公开发表的文献来看，该混频器测试结果处于国内较高水平。 作为扩展研究，同时设计了0.14THz二倍频器和0.22THz次谐波混频器。0.14THz二倍频器测试得到输出功率最大约为1.1mW，倍频效率最高约2.4%。0.22THz混频器仿真结果显示在193-240GHz范围内变频损耗都低于10dB，在223.5GHz处获得的最佳变频损耗约为7.3dB。 本文的研究方法以及结果可为后续固态太赫兹混频器研究提供一定的参考。