基于单片集成二极管技术的太赫兹倍频链路研究

摘要

太赫兹技术在医学成像、无线高速通信、微小目标探测和军事应用等领域具有非常高的应用价值,目前太赫兹技术的发展主要受到太赫兹波源和太赫兹探测技术发展的限制,国内外许多科研机构都在努力突破这一技术瓶颈。目前,基于半导体技术由微波频段向太赫兹频段发展的固态倍频源占据了太赫兹波源的主要地位,该类倍频源所具有的结构紧凑、重量轻、可靠性高、低成本等优势是其他太赫兹辐射源所不具备的,所以基于半导体倍频技术的固态太赫兹源在太赫兹波段低端及辐射功率要求不是特别高的应用领域备受关注。
　　国外太赫兹技术的发展起步较早,半导体加工工艺和电路装配水平远高于国内,国内太赫兹倍频器和混频器的研制主要依赖于国外生产的半导体器件,同时国内在电路装配的过程中缺乏有效的手段来检测和解决电路装配过程中所引入的误差,导致采用混合集成二极管技术的电路性能较差,这给我国太赫兹电路的发展带来了局限性。
　　为推动国内太赫兹技术在半导体器件和单片集成电路领域的发展,本文采用单片集成二极管技术研制了210GHz二倍频器,并对420GHz二倍频单片集成电路进行了研究,设计了可工作于200GHz和400GHz频段的肖特基二极管SCHOTTKY DIODE-200和SCHOTTKY DIODE-400,这两款二极管可为今后太赫兹频段肖特基变容二极管的设计奠定基础。二倍频单片集成电路采用5μm厚度的GaAs材料作为衬底,肖特基变容二极管直接在衬底基片上生成,所用二极管为自主设计的SCHOTTKY DIODE-200和SCHOTTKY DIODE-400。
　　本文在电路优化仿真过程中,解决了HFSS中肖特基二极管三维电磁仿真模型与ADS中二倍频电路仿真模型联合仿真的问题,并详细阐述了借助HFSS建立肖特基二极管三维电磁仿真模型中阳极探针和波端口的设置方法。通过实验研究,210GHz二倍频器在211.92GHz~214.8GHz频段内的输出功率介于0.32mW至0.53mW之间,在211.92GHz频点获得的最高倍频效率为0.5％。本文的研究成果可为今后国内采用单片集成二极管技术研制倍频器和混频器提供宝贵的研究经验。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 太赫兹倍频技术国内外发展动态

1.3 论文研究内容

1.4 论文章节安排

第二章 二倍频电路基本理论

2.1倍频原理

2.2常见的二倍频电路

2.3 平衡式二倍频电路理论

第三章 肖特基变容二极管三维电磁模型研究

3.1 肖特基变容二极管等效电路

3.2 肖特基变容二极管物理模型参数分析

3.3 肖特基变容二极管三维电磁模型建模

第四章 210GHz和420GHz二倍频器优化仿真

4.1 肖特基二极管选取和参数提取

4.2 肖特基二极管三维电磁仿真模型中阳极探针和波端口

4.3 输入和输出匹配电路

4.4 探针过渡结构和直流偏置电路仿真

4.5 二倍频整体电路仿真及单片成型

4.6 本章小结

第五章 210GHz和420GHz单片集成二倍频器实验研究

5.1 210GHz和420GHz单片集成二倍频电路

5.2 210GHz二倍频器实验及结果分析

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文的主要贡献

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果