毫米波与太赫兹波倍频、检波及电光调制技术研究

摘要

毫米波和太赫兹波具有很多优良的特点和广阔的应用价值。信号的产生、传输和探测等三个方面是毫米波及太赫兹波基本和重要的研究内容。将相对成熟的微波毫米波信号倍频是一种比较理想的产生太赫兹信号的技术手段。对于太赫兹探测技术，直接检波是一种有效且成本低的方式。肖特基势垒二极管由于寄生效应小和截止频率高等优势，十分适合用来制作太赫兹频段的倍频器和检波器。其中的关键技术和难点是二极管在太赫兹频段的精确建模。目前国内外的主要建模方法是采用三维电磁模型配合spice模型，优点是简单便捷。但其缺点也很明显，主要体现在无法深入和定量地研究寄生部分的具体参数以及在太赫兹频段的不准确性。物理基建模法可以实现精确建模，但难以直接用于电路设计，故在太赫兹肖特基势垒二极管的建模领域并未得到广泛应用。另一方面，毫米波和太赫兹波在大气中衰减较大且受天气影响明显，这严重限制了无线传输的远距离应用。一种可代替空间传播的方式是光载射频（radio over fiber,ROF）传输技术，即把毫米波和太赫兹波调制到光波上后通过光纤进行传播，这样便可充分利用光纤的优势。这其中的核心技术是电光调制技术。 针对上述问题，本文主要围绕毫米波与太赫兹波的关键元器件倍频器、检波器及电光调制器所涉及的核心技术展开研究，主要研究内容有： （1）太赫兹肖特基势垒二极管寄生参数快速和准确的提取方法。针对如何深入和定量研究寄生效应的问题，本文提出“单端口三结构参数提取法”，通过二极管的三种辅助结构及其单端口的S参数，结合矩阵运算，可以快速和准确地提取出每一个寄生参数的具体值，并通过实验验证了其准确性。利用该方法，本文定量地研究了二极管的寄生效应，并且用来指导二极管的结构设计。 （2）太赫兹肖特基势垒二极管本征部分精确和通用的建模技术。针对传统建模方法不准确而物理基建模方法难以直接用于电路设计的现状，本文提出一种肖特基势垒二极管的物理基SDD（symbolically defined devices）模型。首先建立包含特殊效应的二极管物理基模型，重点研究二极管的太赫兹非线性结电容特性，然后推导既可以准确描述二极管特性、又可以满足谐波平衡仿真要求的方程，将该方程嵌入到ADS（Advanced Design System）软件中的SDD控件中，成功将物理基模型应用到电路设计中，其他研究人员可以很方便地利用本文的二极管建模技术实现相关的电路设计。将模型应用到太赫兹单片集成三倍频器和太赫兹高效率二倍频的设计中，仿真结果与实测结果的吻合度相比于传统建模方法分别提升了40%和60%左右。本文的建模方法，同时实现了模型的准确性和在电路设计方面的通用性。 （3）太赫兹单片集成技术和高效率倍频技术。针对太赫兹信号源技术发展相对落后的现状，本文基于肖特基势垒二极管，开展对太赫兹倍频技术的研究。本文提出一种简单准确的最优倍频管设计方法，可以根据倍频器的工作指标快速得到最优倍频管的结构和参数。应用本文所提出的最优倍频管设计方法和精确建模技术，研制出一款140GHz高效率二倍频器，测得最高效率为34.3%，达到了与国际顶尖的VDI公司倍频器相当的水平。另一方面，针对在太赫兹频段人工装配二极管误差较大的问题，本文开展对太赫兹单片集成技术的研究，直接将器件与电路集成到一起，从而避免这部分的误差。本文研制了一款太赫兹单片集成三倍频器，可工作于330-500GHz。 （4）太赫兹低成本高性能检波技术。针对太赫兹频段探测技术发展相对落后的现状，本文基于肖特基势垒二极管，开展对太赫兹检波技术的研究。本文研制的InGaAs/InP低势垒肖特基势垒二极管，对比传统的具有相同结构的GaAs二极管，势垒高度从0.78V降到0.26V，并通过改进二极管结构有效地提升了二极管的检波性能。本文研制的500-600GHz零偏置检波器电压灵敏度在500-560GHz范围内的典型值为900V/W，在560-600GHz范围内的典型值为400V/W。相比于采用外差混频方式的探测器，本文的太赫兹检波器具有结构简单和成本低等优势。 （5）高性能电光相位调制技术。针对毫米波和太赫兹波空间无线传输衰减大的问题，本文深入研究光载射频传输技术的核心电光相位调制器，开发出适合于绝缘体上铌酸锂薄膜的低损耗和高功率承受能力的金属电极工艺，使得电光相位调制器在毫米波和太赫兹频段拥有较低的半波电压。达到的指标是：光的传输损耗约为1dB；半波电压在30GHz处为4.4V，在5-40GHz的频带内，半波电压的变化仅为28%，具有很高的平坦性。本文的电光相位调制器在实验中成功地将毫米波信号调制到光波上。查新结果表明：国内外均未见光损耗低于1dB、半波电压（30GHz）低于4.4V的铌酸锂电光相位调制器的文献报道。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外技术发展动态

1.2.1 太赫兹肖特基势垒二极管的建模技术

1.2.2 倍频和检波技术

1.2.3 电光相位调制技术

1.3 本文的研究内容

第二章 太赫兹肖特基势垒二极管的理论基础与模型研究

2.1 引言

2.2 肖特基势垒二极管的基础理论

2.3 太赫兹肖特基势垒二极管的模型研究

2.3.1 寄生部分的模型研究

2.3.2 本征部分的模型研究

2.4 本章小结

第三章 基于肖特基势垒二极管的太赫兹倍频技术研究

3.1 引言

3.2 倍频技术的基础理论

3.3 330-500 GHz太赫兹单片集成三倍频器

3.3.1 总体方案

3.3.2 二极管的设计与建模

3.3.3 电路的设计与仿真

3.3.4 太赫兹单片集成电路的工艺实现

3.3.5 测试结果与分析

3.4 140 GHz高效率二倍频器

3.4.1 总体方案

3.4.2 二极管的设计与建模

3.4.3 电路的设计与仿真

3.4.4 倍频器的加工与制作

3.4.5 测试结果与分析

3.5 本章小结

第四章 基于肖特基势垒二极管的太赫兹检波技术研究

4.1 引言

4.2 检波技术的基础理论

4.3 340-400 GHz零偏置检波器

4.4 500-600 GHz零偏置检波器

4.5 本章小结

第五章 高性能毫米波电光相位调制技术研究

5.1 引言

5.2 铌酸锂的电光效应

5.3 电光相位调制的基本理论

5.4 设计与仿真

5.5 工艺研究

5.6 测试与分析

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作和创新点

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果