基于肖特基二极管的220GHz次谐波混频器研究

【摘要】：太赫兹(Terahertz,THz)波在频谱中处于红外光波和毫米波之间,通常其频率范围是100GHz~10THz。在全固态太赫兹通信系统中,太赫兹混频器作为接受前端的关键技术,它完成频率的搬迁工作,将太赫兹频段的射频信号下变频到微波频段的中频信号。此外,用于基波混频的太赫兹频段的本振源由于要求功率高,目前难以获得,而次谐波混频器由于需要的本振频率低,只需基波混频一半的频率,能够很好地解决这一问题。本文首先介绍了基于肖特基二极管的固态太赫兹混频器的国内外发展动态,详细描述了肖特基二极管的工作机理和基于平面肖特基势垒二极管的次谐波混频器工作原理和独特优势,并讨论了用于220GHz次谐波混频器设计的完整二极管模型,主要是通过肖特基二极管芯片的3D模型建立内部端口,提取其S参数来表征肖特基二极管的高频寄生效应。以此为基础,分别对220GHz混频器的拓扑结构、无源电路仿真设计和混频整体性能优化进行了系统介绍,并对加工装配的220GHz次谐波混频器进行了测试。第一版的测试结果显示,在以220GHz为中心近20GHz的频带范围内,平均变频损耗约为12dB,最优变频损耗为6.7dB。但是,测试结果和仿真结果差距较大。本文在详细分析第一版容差性和模型准确性基础上,改进了二极管模型,主要是结合HFSS仿真软件的特点对模型中内部端口的位置进行了调整,重新设计了第二版220GHz次谐波混频器。测试结果显示,第二版的变频性能相对第一版有较大幅度的提升,缩小了测试结果和仿真结果之间的差距,在近20GHz的带宽内实现了平均变频损耗约10dB的变频性能,最低变频损耗为6.4dB,说明了模型改进方法的准确性和可行性。本文的研究成果将为未来研究更加优良和更高频段的分谐波混频器提供参考。