毫米波及太赫兹混频技术研究

【摘要】：与微波相比,毫米波具有波长短、频带宽、信息容量大等优势,随着微波频谱的日益拥挤,各种电子系统的工作频率已逐渐从微波频段扩展到毫米波频段,毫米波技术具有重要的实际应用价值,深入开展对毫米波器件的精确设计研究具有重要意义。太赫兹波作为电磁波中唯一尚未完全开发利用的频谱资源,其长、短波段分别与微波毫米波、红外线相重合,兼具微波毫米波和光波的部分优点,在宽带通信、精确制导、物体成像、环境监测及医疗诊断等领域应用前景广阔,掌握太赫兹尖端技术对我国国防建设和民用事业具有十分重要的意义。混频器作为收发前端的核心器件,广泛应用于通信、雷达等近乎所有的毫米波与太赫兹应用系统,是毫米波与太赫兹技术的关键研究方向之一。本文在对毫米波与太赫兹平面肖特基二极管精确建模的基础上,采用线性与非线性相结合的电路仿真方法,系统地研究了基波、分谐波和四次谐波混频技术,研制了多款毫米波基波混频器、两款220GHz分谐波混频器以及两款330GHz四次谐波混频器,并构建了基于220GHz分谐波混频器的太赫兹收发前端。主要研究工作包括:(1)毫米波与太赫兹平面肖特基二极管模型研究。在对平面肖特基二极管物理机理、结构特性和工艺制作研究的基础上,针对当工作频率提高到毫米波与太赫兹频段时,二极管本征SPICE模型无法表征结构和封装所带来的寄生效应问题,对该模型进行扩展,建立了基于二极管寄生效应的毫米波等效电路模型;针对鳍线混频器不能较好地应用二极管等效电路模型和CAD软件进行电路仿真的问题,提出了基于二极管工作阻抗的替代模型,并研究了基于二极管替代模型的鳍线混频器电路仿真优化方法;进一步建立了更为通用和准确的二极管三维全波电磁模型,总结出了建立三维电磁模型的三种建模方法,实现了毫米波与太赫兹平面肖特基二极管的精确建模。(2)混频器电路仿真设计方法研究。研究了线性与非线性仿真相结合的场-路联合仿真方法,提出了完善的基于混频器单元电路性能的分部设计方法和基于混频器总体性能的综合设计方法,并在具体的混频器研制工作中,完成了基于上述两种设计方法的混频器电路的准确设计。(3)毫米波基波混频器研究。在60GHz鳍线混频器的研制中,采用了二极管替代模型,提出了一种鳍线凹槽匹配电路对混频器电路进行仿真优化设计,解决了鳍线混频器不能较好地应用CAD软件进行电路仿真的问题;在94GHz鳍线混频器的研制中,通过建立二极管三维电磁模型分别研制了基于双面耦合带通滤波器、平行三线带通滤波器和无本振带通滤波器三种不同结构的94GHz鳍线混频器,得到了相对于二极管替代模型更为准确的混频器设计结果;提出了一种改进型交叉杆电桥,相比于传统交叉杆结构,具有可作为单元电路设计、二极管搭载位置尺寸可控以及引入鳍线平滑过渡减少损耗等优势,并将其应用在了94GHz交叉杆混频器的研制中;采用微带五端口环形电桥结构研制了94GHz环形电桥混频器,避免了传统四端口环形电桥混频器的跳线结构,减少了电磁串扰,提高了电路稳定性。研究结果表明,所研制的毫米波混频器测试结果与仿真结果较为吻合,器件性能优良,验证了二极管模型和电路仿真设计方法的可行性和准确性,完成了毫米波混频器的精确设计研究,为更高频段的太赫兹混频器的研制工作打下坚实基础。(4)太赫兹分谐波和四次谐波混频器研究。由于太赫兹混频器的工作波长非常短、电路尺寸非常小,会引起二极管复杂的高频寄生效应以及导致混频器电路匹配设计优化空间有限。针对上述问题,通过建立精确的太赫兹平面肖特基二极管三维电磁模型和采用适合于太赫兹混频器电路设计的综合设计方法,研制了220GHz分谐波混频器,测试结果显示,设计制作的220GHz分谐波混频器的单边带变频损耗在射频212~226GHz频率范围内小于9dB,带内最小值为6.9dB,器件性能优良,达到了与国际同类研究器件相当的水平;采用综合设计方法分别研制了基于二极管三维电磁模型的窄带和宽带两种工作带宽的330GHz四次谐波混频器,测试结果表明,设计制作的窄带和宽带四次谐波混频器均取得了较好的性能;并对太赫兹收发前端技术进行了前期探索,开展了基于220GHz分谐波混频器的太赫兹收发前端的研制和实验,完成了太赫兹信号自由空间传输的太赫兹上下变频系统的实验验证。