毫米波及太赫茲混頻技術(shù)研究.pdf

1、與微波相比，毫米波具有波長短、頻帶寬、信息容量大等優(yōu)勢，隨著微波頻譜的日益擁擠，各種電子系統(tǒng)的工作頻率已逐漸從微波頻段擴展到毫米波頻段，毫米波技術(shù)具有重要的實際應用價值，深入開展對毫米波器件的精確設(shè)計研究具有重要意義。太赫茲波作為電磁波中唯一尚未完全開發(fā)利用的頻譜資源，其長、短波段分別與微波毫米波、紅外線相重合，兼具微波毫米波和光波的部分優(yōu)點，在寬帶通信、精確制導、物體成像、環(huán)境監(jiān)測及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域應用前景廣闊，掌握太赫茲尖端技術(shù)對我國

2、國防建設(shè)和民用事業(yè)具有十分重要的意義。混頻器作為收發(fā)前端的核心器件，廣泛應用于通信、雷達等近乎所有的毫米波與太赫茲應用系統(tǒng)，是毫米波與太赫茲技術(shù)的關(guān)鍵研究方向之一。
　　本文在對毫米波與太赫茲平面肖特基二極管精確建模的基礎(chǔ)上，采用線性與非線性相結(jié)合的電路仿真方法，系統(tǒng)地研究了基波、分諧波和四次諧波混頻技術(shù)，研制了多款毫米波基波混頻器、兩款220GHz分諧波混頻器以及兩款330GHz四次諧波混頻器，并構(gòu)建了基于220GHz分諧波混頻

3、器的太赫茲收發(fā)前端。主要研究工作包括：
　?。?）毫米波與太赫茲平面肖特基二極管模型研究。在對平面肖特基二極管物理機理、結(jié)構(gòu)特性和工藝制作研究的基礎(chǔ)上，針對當工作頻率提高到毫米波與太赫茲頻段時，二極管本征SPICE模型無法表征結(jié)構(gòu)和封裝所帶來的寄生效應問題，對該模型進行擴展，建立了基于二極管寄生效應的毫米波等效電路模型；針對鰭線混頻器不能較好地應用二極管等效電路模型和 CAD軟件進行電路仿真的問題，提出了基于二極管工作阻抗的替代模

4、型，并研究了基于二極管替代模型的鰭線混頻器電路仿真優(yōu)化方法；進一步建立了更為通用和準確的二極管三維全波電磁模型，總結(jié)出了建立三維電磁模型的三種建模方法，實現(xiàn)了毫米波與太赫茲平面肖特基二極管的精確建模。
　?。?）混頻器電路仿真設(shè)計方法研究。研究了線性與非線性仿真相結(jié)合的場-路聯(lián)合仿真方法，提出了完善的基于混頻器單元電路性能的分部設(shè)計方法和基于混頻器總體性能的綜合設(shè)計方法，并在具體的混頻器研制工作中，完成了基于上述兩種設(shè)計方法的混頻

5、器電路的準確設(shè)計。
　?。?）毫米波基波混頻器研究。在60GHz鰭線混頻器的研制中，采用了二極管替代模型，提出了一種鰭線凹槽匹配電路對混頻器電路進行仿真優(yōu)化設(shè)計，解決了鰭線混頻器不能較好地應用 CAD軟件進行電路仿真的問題；在94GHz鰭線混頻器的研制中，通過建立二極管三維電磁模型分別研制了基于雙面耦合帶通濾波器、平行三線帶通濾波器和無本振帶通濾波器三種不同結(jié)構(gòu)的94GHz鰭線混頻器，得到了相對于二極管替代模型更為準確的混頻器設(shè)計

6、結(jié)果；提出了一種改進型交叉桿電橋，相比于傳統(tǒng)交叉桿結(jié)構(gòu)，具有可作為單元電路設(shè)計、二極管搭載位置尺寸可控以及引入鰭線平滑過渡減少損耗等優(yōu)勢，并將其應用在了94GHz交叉桿混頻器的研制中；采用微帶五端口環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)研制了94GHz環(huán)形電橋混頻器，避免了傳統(tǒng)四端口環(huán)形電橋混頻器的跳線結(jié)構(gòu)，減少了電磁串擾，提高了電路穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，所研制的毫米波混頻器測試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，器件性能優(yōu)良，驗證了二極管模型和電路仿真設(shè)計方法的可行性和準

7、確性，完成了毫米波混頻器的精確設(shè)計研究，為更高頻段的太赫茲混頻器的研制工作打下堅實基礎(chǔ)。
　?。?）太赫茲分諧波和四次諧波混頻器研究。由于太赫茲混頻器的工作波長非常短、電路尺寸非常小，會引起二極管復雜的高頻寄生效應以及導致混頻器電路匹配設(shè)計優(yōu)化空間有限。針對上述問題，通過建立精確的太赫茲平面肖特基二極管三維電磁模型和采用適合于太赫茲混頻器電路設(shè)計的綜合設(shè)計方法，研制了220GHz分諧波混頻器，測試結(jié)果顯示，設(shè)計制作的220GHz分

8、諧波混頻器的單邊帶變頻損耗在射頻212~226GHz頻率范圍內(nèi)小于9dB，帶內(nèi)最小值為6.9dB，器件性能優(yōu)良，達到了與國際同類研究器件相當?shù)乃?；采用綜合設(shè)計方法分別研制了基于二極管三維電磁模型的窄帶和寬帶兩種工作帶寬的330GHz四次諧波混頻器，測試結(jié)果表明，設(shè)計制作的窄帶和寬帶四次諧波混頻器均取得了較好的性能；并對太赫茲收發(fā)前端技術(shù)進行了前期探索，開展了基于220GHz分諧波混頻器的太赫茲收發(fā)前端的研制和實驗，完成了太赫茲信號自由