论文部分内容阅读
太赫兹技术在信息科学、空间科学、医学以及材料科学等学科上都有极高的开发空间和应用前景。尤其是长波波段(100GHz-300GHz),在雷达、通信和安检等系统中都体现出了极高的实用价值。目前太赫兹应用系统的发展主要受限于太赫兹波的产生,其中基于半导体器件由低频微波向太赫兹频段发展的倍频源具备高稳定性、高集成度、低成本等优势而备受关注。220GHz为大气传输窗口,国内已有多家研究机构进行该频段处的通信或雷达系统验证研究,其中固态倍频源是收发系统中最重要的部分之一。本文基于肖特基二极管研究倍频链路,该系统可为220GHz收发系统提供射频源,也可以为440GHz收发系统提供本振源。基于GaAs肖特基二极管研制出了220GHz二倍频器,首先建立二极管芯片三维电磁模型并提取其特性参数,然后分步研究二倍频器各无源模块,利用谐波平衡法对倍频器整体电路进行优化,最终对该二倍频器进行实验研究。仿真结果表明,当驱动功率为150mW时,二倍频器工作状态达到最佳,在210GHz-230GHz频带内倍频效率都大于15%,在211GHz处达到最大为41%;测试结果表明,当驱动功率为30mW的宽带稳幅源时,倍频效率在197-230GHz内都大于10%,在218GHz处输出功率最高,为7.13mW,对应效率为24%,与同等情况下的仿真结果吻合;若具备更大功率驱动源,该二倍频器工作性能会进一步提升。基于GaN肖特基二极管研制出了110GHz三倍频器,分析GaN材料的特点以及GaN二极管的可行性,并参考GaAs二极管研究GaN基平面肖特基二极管芯片,利用场路结合的办法建立二极管三维电磁模型,最终对110GHz三倍频器进行试验研究。仿真结果表明,当驱动功率为1.5W时,倍频器工作状态最佳,倍频效率为7%;测试结果表明,当驱动功率为200mW时,最大输出功率为2.7mW,倍频器效率会随着驱动功率增加而进一步提升。本文研制的220GHz二倍频器工作性能在国内同频段内处于领先地位,联合研制的GaN基平面肖特基二极管对在国内也属于开创性工作,为高功率太赫兹倍频器设计积累了一定经验。