固態(tài)太赫茲前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、太赫茲（THz）技術(shù)是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，能夠被應(yīng)用于物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文、安全檢查、反恐探測(cè)、衛(wèi)星通信和雷達(dá)探測(cè)等與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的領(lǐng)域。
　　目前，我國(guó)太赫茲技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)還未突破。本文旨在以太赫茲半導(dǎo)體器件理論、電路建模方法、仿真技術(shù)和實(shí)現(xiàn)手段為切入點(diǎn)，開展太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用中的核心電路研究，突破太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)；為太赫茲關(guān)鍵電路的研制奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)推動(dòng)太

2、赫茲系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)研究。
　　太赫茲頻段倍頻器和混頻器是太赫茲系統(tǒng)前端的關(guān)鍵電路，它們的性能決定了太赫茲收發(fā)系統(tǒng)的性能。本文對(duì)太赫茲頻段低損耗分諧波混頻器和高效倍頻器展開了研究，突破了太赫茲二極管封裝寄生參數(shù)分析、二極管封裝三維電磁模型構(gòu)建等核心技術(shù)，研制出高性能太赫茲分諧波混頻器和太赫茲固態(tài)二倍頻器，為太赫茲系統(tǒng)應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。另外，本文還對(duì)空間映射算法在毫米波太赫茲濾波器快速設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開研究，并研制了相關(guān)電路，為

3、將空間映射算法應(yīng)用到太赫茲無(wú)源電路設(shè)計(jì)中奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　本文主要展開了以下方面的工作，其研究成果主要體現(xiàn)在：
　　1.在太赫茲分諧波混頻器研究中，提出了一種快速且準(zhǔn)確分析二極管封裝寄生參數(shù)的方法，構(gòu)建了較為準(zhǔn)確的肖特基二極管電路模型。在太赫茲頻段，準(zhǔn)確的肖特基二極管建模對(duì)高性能混頻器的研制至關(guān)重要。由于肖特基二極管封裝寄生參數(shù)對(duì)太赫茲混頻器性能的影響已經(jīng)非常明顯，為了考慮封裝寄生參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)混頻器的精確設(shè)計(jì)，本文提

4、出了一種快速且準(zhǔn)確分析二極管封裝寄生參數(shù)的方法。采用VDI公司的W波段肖特基反向并聯(lián)二極管對(duì)，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的分析，建立了較為準(zhǔn)確的二極管電路模型，最后基于該電路模型研制了W波段二次分諧波混頻器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，最終驗(yàn)證了基于參數(shù)分析方法建立的二極管電路模型的準(zhǔn)確性和合理性，并為太赫茲分諧波混頻器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)提供了一種有效方法。
　　2.在太赫茲二倍頻器研究中，構(gòu)建了基于二極管物理結(jié)構(gòu)的封裝三維電磁模型，進(jìn)而建立了較為準(zhǔn)確的變?nèi)莨?/p>

5、非線性模型。太赫茲高性能倍頻器的研制關(guān)鍵在于太赫茲倍頻管的精確建模和合理的電路結(jié)構(gòu)。在倍頻器輸入端將輸入電磁波信號(hào)通過(guò)空間耦合的方式饋入至倍頻二極管中能夠?qū)崿F(xiàn)高性能二倍頻器，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工實(shí)現(xiàn)。該電路結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要基于變?nèi)荻O管陣列封裝的精確三維電磁模型，因此首先重點(diǎn)介紹了二極管內(nèi)部半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和材料信息的獲取方法及肖特基變?nèi)莨芊蔷€性模型的建模方法。在此基礎(chǔ)上，基于肖特基變?nèi)莨艿木€性和非線性模型提出了170GHz、190GHz和

6、220GHz二倍頻器技術(shù)方案，并針對(duì)這三個(gè)頻段的二倍頻器電路進(jìn)行了精確仿真優(yōu)化，最終研制了190GHz和220GHz二倍頻器，并展開220GHz二倍頻器實(shí)驗(yàn)研究。該倍頻器獲得最大3.2mW倍頻輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該太赫茲變?nèi)荻O管封裝三維電磁模型的正確性及二倍頻器電路的合理性，為太赫茲頻段二倍頻器的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　3.采用等比縮放模型（Scale Model）理論，將空間映射算法應(yīng)用到毫米波太赫茲頻段高性能濾波器電路

7、設(shè)計(jì)中。本文采用等比縮放模型的方法，將毫米波和太赫茲頻段電路等比例放大至微波頻段，利用ADS模型庫(kù)構(gòu)建毫米波太赫茲濾波器電路模型，并通過(guò)在ADS中創(chuàng)建優(yōu)化和參數(shù)提取電路來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波太赫茲頻段濾波器的快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)?；诖朔椒ǎ疚囊愿倪M(jìn)型錘頭濾波器和微帶緊湊諧振單元（CMRC）濾波器的研制過(guò)程為例，詳細(xì)說(shuō)明了空間映射算法在毫米波太赫茲濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路。通過(guò)空間映射算法優(yōu)化結(jié)果與直接采用電磁仿真軟件的優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比，證明了空間映射算法