论文部分内容阅读
太赫兹波处于微波毫米波与红外波段之间、是电子学向光子学的过渡区域。由于太赫兹波具有独特电磁性质,使其在生物、医疗、国防、安检、航空航天等领域具有广阔的应用前景和发展空间,积极开展太赫兹科学技术的研究工作具有重要的战略意义。当前,THz技术研究的难点和热点主要集中在THz波的产生与检测,缺乏体积小、成本低的THz信号源,是制约THz技术商品化的重要因素。可采用微电子学、超快激光技术及非线性光学等方法获得,在各种不同技术中,基于微电子技术的THz波信号源具有体积小、可常温工作、成本低、可靠性高、应用范围广等优点,具有重要的科研价值和应用前景。
左手材料是介电常数和磁导率同为负数的一种人工周期材料。用非线性传输线实现的左手材料具有宽频带、低损耗、高通响应和奇异色散特性,制作工艺与单片集成电路工艺兼容。左手传输线的高通响应特性使其可以工作在很高的频率范围,与右手传输线相比在太赫兹技术领域具有很大的优势和应用前景。本论文首次创新性地将左手材料应用于太赫兹技术中,结合微波单片集成技术进行电学THz源研制。本论文的研究工作围绕基于左手材料的THz源核心器件和单片倍频电路展开,进行THz变容管器件和基于左手非线性传输线(LH-NLTL)THz单片倍频电路的研究工作。本论文主要研究成果如下:
1.成功研制了GaAs基THZ变容管器件。其中阳极面积为160μm2的肖特基变容管零偏电容为0.13pF,变容比为3.6,截止频率为5.94THz,阳极面积49μm2的肖特基变容管零偏电容45.2fF,变容比为2.37,截止频率为64.4THz。目前国际上平面肖特基二极管最高截止频率在2～10THz频率范围内,64.4THz远高于这个频率范围,为THz倍频电路的应用奠定了良好的器件基础;
2.在国际上首次成功研制出基于MMIC技术的K和Ka波段LH-NLTL单片倍频电路。K波段倍频电路谐波工作频段为16-40GHz,在26.4GHz频率处二次谐波输出功率最大为8dBm,转换效率为6.3%,电路面积为6.4mm×0.86mm;Ka波段倍频电路谐波工作频段为24-43GHz,在26.8GHz频率处二次谐波输出功率最大为6.33dBm,转换效率为4.3%,电路面积为5.38mm×0.8mm。
整个电路的外延材料结构、器件制备、模型建立、电路设计和工艺制作均自行研发。该左手倍频器由微电子制造技术获得,一方面验证了左手非线性传输线谐波产生特性,另一方面有利于缩小左手微波倍频器的体积、降低成本、提高可靠性;
3.本论文实现了一种基于MMIC技术的RH-NLTL倍频器,通过与LH-NLTL倍频器的比较验证了LH-NLTL倍频器在电路结构、测试环境、工作频率范围、谐波转换效率和电路尺寸方面均的优异性能,从实验上证明了LH-NLTL倍频器在THz技术领域应用的前景和优势;
4.本论文在国际上首次成功研制出了GaAs基THzLH-NLTL单片倍频电路。其高通截止频率为14.3GHz,二次谐波工作频段为46-82GHz,92-148GHz,在77.6GHz频率处测得的二次谐波输出功率最大为5.33dBm,转换效率为3.4%;电路芯片面积仅为4.8mm×0.78mm。
本论文创新性地将左手概念引入到THz技术领域,在国际上首次基于MMIC技术实现了左手THz倍频器。该THz倍频器的成功研制实验上证明了左手材料在THz领域应用的可行性,打通了基于平面制造技术的THz倍频器制作工艺,有助于THz源缩小体积、降低成本、提高可靠性,并易于推广使用,发挥THz技术在关系国计民生各领域的作用。