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太赫兹成像系统前端技术

杨益林  
【摘要】:太赫兹波泛指频率在100GHz到10THz之间的电磁波,又称为亚毫米波或者远红外光。其电磁频谱处于传统电子学向光子学的过渡区,因此具有频带宽、量子能量低、透射性好等优点。太赫兹技术在高速通信、生物医疗、射电天文、空间探测、安全检测等领域具有广泛的应用前景。在众多应用中,成像技术一直是太赫兹科学领域的前沿课题和研究热点,受到了各国政府和科研机构的高度重视。太赫兹成像系统可以实现高分辨率成像、微小目标探测、复杂环境下的目标探测以及隐身目标探测,可用于战场环境侦察、公共场所安全检查、医学疾病诊断、无损探伤等领域。太赫兹成像前端的研究水平,包括高稳定度太赫兹波源和高灵敏度探测器的性能指标,一直是决定太赫兹成像技术发展水平的关键因素。本文基于固态太赫兹技术,从半导体器件机理和建模入手,对太赫兹成像系统中的关键电路(倍频器和混频器)开展深入研究,旨在打破国外的技术垄断,开发出具有自主知识产权的太赫兹肖特基二极管、高性能太赫兹关键电路和太赫兹成像前端,推动太赫兹成像系统的全面国产化。本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)太赫兹混频技术。混频器是太赫兹接收机的核心电路,决定了接收机的整体性能。本文自肖特基二极管建模与参数分析入手,提出二极管“场–路”结合的建模方法。为了提升混频二极管性能从而提升太赫兹混频器的整体性能,分析了二极管寄生参量对混频器变频损耗和噪声温度的影响,并提出了低寄生参量混频二极管的设计方法,该研究成果可以在未来指导国产太赫兹混频二极管结构和工艺参数的进一步优化。基于混频二极管理论,利用国产混频二极管研制了220GHz和330GHz混合集成分谐波混频器,性能均接近国际先进水平。此外,结合单片集成电路的发展,利用国产二极管工艺研制了220GHz砷化镓单片集成混频器。通过将肖特基混频二极管集成在电路基片上提升电路集成度。同时优化二极管结构尺寸,减小二极管寄生参量,从而降低混频器的变频损耗和噪声温度。实验结果与仿真预测吻合较好,验证了二极管建模准确性和电路优化方法的有效性。(2)太赫兹高效率倍频技术。固态倍频链路是当前太赫兹雷达发射前端的主要实现形式。本文针对220GHz视频合成孔径雷达的应用需求,利用国产肖特基变容二极管开展高效率220GHz三倍频器研究。首先从变容二极管的工作机理和建模方法入手,建立了二极管的精确三维电磁仿真模型。考虑肖特基二极管热效应对二极管和电路性能的影响,本文将“电–热”分析方法引入倍频器研究中。通过建立倍频二极管“电–热”仿真模型,将二极管阳极结温度纳入倍频器的电路仿真中,以此提高电路分析的准确性;这种方法的使用在国内尚属首次。基于倍频器热仿真分析,本文选用具有高热导率的Al N基板进行220GHz三倍频器设计。实验结果表明本文中的220GHz三倍频器峰值输出功率为38.2m W,峰值倍频效率为17.8%,为当前所有公开文献中同频段三倍频器之最。同时,基于“电–热”分析的仿真方法与传统的仿真方法相比,仿真结果与实测结果更为一致,验证了本文使用的“电–热”分析法的有效性。(3)太赫兹集成接收前端研究。小型化和集成化已成为当前太赫兹前端和系统发展的必然趋势。本文开展220GHz宽带集成接收前端研究,在研究中发现本振倍频器与太赫兹混频器不经匹配直接相连会导致混频器和宽带接收机前端性能的恶化。为了解决这一问题,本文总结了基于负载牵引阻抗提取方法和谐波平衡仿真法的太赫兹接收机前端中混频器与本振倍频器的级间匹配方法。利用该方法研制的220GHz集成接收前端性能优于220GHz混频器与110GHz倍频器直接级联得到的接收机前端,同时,模块整体尺寸减小了50%,在保证前端性能的同时实现了接收机前端的小型化。(4)太赫兹成像前端系统验证。在完成太赫兹成像前端关键电路的基础上,本文继续开展太赫兹成像系统实验研究,通过太赫兹成像结果检验太赫兹成像前端的性能。首先利用220GHz和330GHz低噪声混频器搭建了辐射计实验系统。实验结果表明,220GHz辐射计和330GHz辐射计的亮温灵敏度分别为0.46K和0.33K。随后利用两个频段的辐射计搭建了太赫兹机械扫描被动成像系统。系统成像效果良好,验证了太赫兹被动成像前端的良好性能。除此之外,本文同时开展了330GHz逆合成孔径雷达和220GHz视频合成孔径雷达的实验研究。本文中报道的330GHz混合集成混频器、220GHz混合集成混频器和220GHz高效率倍频器为这两套主动成像系统的核心模块。这两套高分辨雷达系统的成像结果进一步验证了太赫兹主动成像前端的性能。


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