太赫兹探测器前端若干关键技术及固态倍频器技术的研究

发布时间：2020-06-24 19:49

【摘要】：太赫兹技术是一门新兴的前沿交叉学科,在天文探测等众多领域得到了广泛应用。应用于太赫兹天文观测的探测器一般分为相干探测与非相干探测两类。除了探测器本身以外,滤波器等关键无源器件技术是该领域一个重要的研究方向。此外,太赫兹固态倍频源也是相干探测接收机的一个重要组成部分。本论文以太赫兹天文探测为应用背景,对太赫兹探测器前端的若干关键无源技术和太赫兹固态二倍频器技术进行了深入研究。论文主要研究工作及成果概括如下:1.太赫兹频段低损耗准椭圆矩形波导带通滤波器。在太赫兹频段,提出了四种高性能波导带通滤波器,解决了现阶段存在的加工难度大及性能较差的问题,能有效提高连续谱探测系统的性能,选出所需的观测频段。首先提出了一种W-波段4-阶准椭圆波导滤波器,实现了易被数控(CNC)技术制造的简单结构,和高频选、高抑制、2对传输零点的性能。其次,进一步简化了该滤波器结构并拓展到220 GHz频段,结合CNC及镀金工艺,实现了仅0.6dB的低插损特性。此外,还系统分析了工艺误差对该高频波导滤波器性能的影响。最后基于高阶模谐振特性,提出了两种更高频260GHz频段准椭圆波导滤波器。大尺寸高阶模谐振腔结构的引入,不仅实现了高频选和高抑制性能,而且有效降低了高频波导结构的加工难度,实现了0.7和0.5dB的低插损特性。2.太赫兹频段宽带脊波导带通滤波器及双工器。常规矩形波导的基模传输特性限制了太赫兹波导器件的带宽。本文首次将脊波导结构拓展到太赫兹频段,结合微机电系统(MEMS)工艺,提出并实现了240GHz频段相对带宽达50%的脊波导带通滤波器,以及通带为180～300 GHz和320～420 GHz的宽带双工器。基于太赫兹高灵敏度超导混频器,搭建了一套准光学测试系统,实现了240GHz频段宽带脊波导滤波器特性的实测。实测结果与模拟仿真有良好的一致性。3.基于金属表面和介质薄膜加载周期结构的太赫兹波束增强技术。太赫兹频段元器件常表现出低效率、高损耗、低增益等缺点。为此,本文在500GHz频段提出了金属加载周期圆形凹槽结构(牛眼结构)和介质薄膜加载周期金属椭圆环结构,结合MEMS、激光及溅射金等工艺,实现了太赫兹波束垂直准直及增强辐射的特性。此外,还详细分析了加载不同周期数及结构对辐射波束增益等性能的影响,为设计太赫兹频段周期加载结构并应用于相关功能器件上提供了依据。4.太赫兹频段砷化镓肖特基二极管宽带高效率二倍频器。宽带、高效率、高功率容量及高输出功率始终是太赫兹倍频器追求的目标。本文首先针对法国LERMA实验室先进的砷化镓肖特基二极管(GaAs Schottky Diode)制备工艺(LERMA-C2N Schottky process),建立了精确的GaAs Schottky Diode非线性和三维电磁模型。然后采用6个大阳极接触二极管结构,宽带探针耦合、新型高抑制低通滤波器、多段匹配波导等结构,设计了300GHz频段高性能二倍频器。实测结果显示:该二倍频器具有高功率容量(60 mW)、高功率输出(～10 mW)、高变频效率(16%)及宽带(24%)性能。最后,本文还给出了300GHz频段功率合成二倍频器的设计方案。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN771;O441.4
【图文】：

电磁频谱,频段,太赫兹,位置

兹频段及探测技术逡逑兹频段科学意义逡逑（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，邋ＴＨｚ）频段［１］通常是定义频率在０．１？１０邋ＴＨｚ区间，对应波ｍ间的电磁波，覆盖短毫米波、亚毫米波至远红外波段，在全电磁频谱中１．１所示。太赫兹频段介于微波与红外之间，因此兼有微波和红外的优越观电子学和微观光子学两个领域的研究范畴。该频段内存在丰富未被充源，而且太赫兹电磁波具有强分子吸收和色散、高透射性、瞬态性、高凑、低光子能量、以及有限传输范围等诸多特点，因此太赫兹频段在射气观测、生物医学成像、雷达、通信及安全检查等众多领域蕴藏着巨大在过去相当长的时间里，由于缺乏性能良好的太赫兹信号源和探测器，电磁波谱中有待开发的频谱窗口，被称为“太赫兹空白（ＴＨｚ邋ｇａｐ）”。随元器件、太赫兹固态源和高灵敏度探测器的发展，太赫兹科学技术成为交叉学科，太赫兹在众多领域也得到广泛的应用［３］。逡逑

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博士学范围，主要采用超导邋ＳＩＳ邋（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）混频技局主导的赫歇尔（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ）卫星是目前最大的空间亚毫米波探测卫星ｃｈｅｌ－ＨＩＦｌ邋（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ邋Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｆａｒ－Ｉｎｆｒａｒｅｄ）设备覆盖邋０．４８￣１．９１邋ＴＨｚ围，主要采用超导ＳＩＳ和超导ＨＥＢ邋（Ｈｏｔ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）混频技术［８］。Ａｅｒｓｃｈｅｌ照片如图１．１．２所示。我国目前也正在研制南极冰穹（Ｄｏｍｅ－Ａ）的太赫划［９］，这可能是地球上最好的太赫兹观测天文台址。因此，太赫兹频段大型天研制对天文观测起到积极作用，将极有可能观测到清晰的早期宇宙演化过程。逡逑

【参考文献】