太赫兹辐射计前端关键技术研究

【摘要】：太赫兹波在电磁波谱中处于微波和光波之间,同时具有微波和光波的部分优点,具有巨大发展前景。欧美各国纷纷将太赫兹技术列为重点发展计划,目前固态太赫兹技术的最高应用频段已经接近5THz。太赫兹辐射计是用于测量物体电磁辐射能量的接收机,具有良好的保密性和高分辨率、高灵敏度等优点,是太赫兹技术的重要应用之一。本文从肖特基二极管模型研究为出发点,自主研发二极管,并将其应用于330GHz和420GHz分谐波混频器中。为实现系统小型化,本文对单片集成技术进行研究,并成功研制330GHz砷化镓单片集成电路和420GHz基于石英基片的异质集成电路。本文基于混频器电路性能来优化关键器件二极管。从理论上分析肖特基二极管的非线性特性及其物理机理,对半导体结构以及二极管主要参数进行研究,深入分析二极管变频机制,建立精确三维模型。根据混频器变频损耗要求来优化二极管设计,提出垂直沟道结构减小二极管寄生参数,研制平面肖特基二极管。这种从二极管到电路的综合设计方法可以最大限度的提升混频电路的变频效率。二极管I-V曲线特性研究表明,实验结果与仿真结果吻合良好。本文基于自主研发二极管研究330GHz以及420GHz混合集成分谐波混频器,阐述分谐波混频器优化仿真方法,详细分析影响混频器性能的主要因素,并进行容差分析;仿真与实验研究吻合较好,为太赫兹频段分谐波混频器的实现提供理论依据。为了进一步提高系统集成度,向太赫兹更高频段发展,本文对太赫兹砷化镓单片技术和异质集成单片技术开展研究。基于12μm砷化镓基片的330GHz单片集成分谐波混频器,最佳变频损耗为12dB。为了减小电路基片损耗,采用介电常数较小的50μm石英基片研制新型的420GHz异质集成分谐波混频器。基于石英基片的420GHz异质集成分谐波混频器在国内尚属首次,实验研究最佳变频损耗10dB。在成功实现太赫兹接收机关键电路——分谐波混频器的基础上,本文开展辐射计温度灵敏度实验方法研究。基于330GHz分谐波混频器搭建噪声测试系统和超外差式辐射计系统,通过Y因子测试法,得到太赫兹超外差接收机噪声温度为3112K;在积分时间20ms,检波前带宽150MHz时,得到辐射计温度灵敏度为1.96K。