220GHz辐射计前端关键技术研究

摘要

随着太赫兹技术的发展，太赫兹辐射计已被广泛应用在行星大气探测、反恐安检、医学成像等领域。对太赫兹辐射计前端关键技术进行研究，具有重要的学术及工程应用价值。 本文对辐射计工作原理及前端关键技术，如黑体辐射原理、辐射计特性参数、混频、倍频原理以及平面肖特基二极管基本原理等做了较为详细地介绍。所研制的220GHz太赫兹辐射计采用超外差全功率体制。在缺少太赫兹低噪声放大器的超外差式辐射计系统中，太赫兹混频器常作为一级器件，其性能优劣将直接影响到辐射计的温度灵敏度和工作稳定性。研制高性能太赫兹混频器以及为混频器提供本振信号的倍频器是太赫兹辐射计设计的核心环节。本文通过建立 GaAs 平面肖特基二极管三维电磁模型，采用“场”与“路”结合的联合仿真方法，研制了220GHz分谐波混频器和110GHz三倍频器：220GHz混频器利用反向并联二极管对结构，实现分谐波混频；110GHz 倍频器采用同向并联二极管对结构，实现三次倍频。 研制的110GHz三倍频器，输入驱动功率为100mW左右时，通过调整偏压，在104~111.5GHz频率范围内，输出功率在5.5mW以上；研制的220GHz分谐波混频器，由三倍频器提供频率为 110GHz、功率为 5.5mW 的本振信号，在射频215~225GHz频率范围内，变频损耗小于12.2dB，最佳变频损耗9dB；当检波前带宽为 5GHz，积分时间为 20ms 时，研制的 220GHz 太赫兹辐射计温度灵敏度为1.08K。 本文研制的 220GHz 太赫兹辐射计可为下一阶段太赫兹辐射计成像系统的研制提供参考和设计经验。

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