基于整体及半整体设计方法的太赫兹混频器研究

发布时间：2020-10-27 23:25

　　 太赫兹混频器是组成太赫兹收发系统核心器件,是太赫兹技术研究中的重要方向之一。在太赫兹频段,功率大、性能高的源匮乏且昂贵,使用次谐波混频器可以有效解决这一问题,其所需的本振频率只有射频频率的一半。故本文主要对太赫兹次谐波混频器与其设计方法展开研究。本文首先对国内外近几年报道的太赫兹混频器进行了调研,为后续设计提供方向。详细介绍了使用肖特基二极管设计混频器的原理与太赫兹频段肖特基二极管的精确建模,建模的重点在于将二极管的本征参数模型与寄生效应结合使用。对比了传统分部设计法与整体设计法的优劣,用整体设计法研制了一款220GHz宽本振次谐波混频器;并在此基础上结合二者优点,采用半整体设计方法,设计了一款560 GHz次谐波混频器。220GHz次谐波混频器采用整体设计法设计,在仿真时,使其结果同时满足上变频与下变频仿真,最终得到同时满足射频带宽与宽本振带宽的结果,仿真结果:上变频仿真时,变频损耗优于7.3dB,本振要求宽频带,其回波仿真结果在100GHz-120GHz之间优于8.6dB。下变频仿真时变频损耗优于9 dB,射频回波在200GHz-240GHz之间优于10dB。实测结果表明:在20GHz中频输出范围内,相应的射频频点的单边带变频损耗基本小于10dB。其中,当本振频点固定在108GHz时,测试结果在203-230GHz频带范围内,变频损耗小于9dB,并且在218GHz附近取得最优值7.1dB。且本振工作频段较宽,在104GHz-120GHz能正常工作。在此基础上,采用半整体设计方法设计了560 GHz次谐波混频器。仿真设计结果:本振频率280GHz时,本振功率3mW驱动下,在射频540-580GHz频率范围内,混频器的单边带变频损耗小于9.2dB,并在566GHz取得变频损耗最佳值7.28dB。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN773;O441.4
【部分图文】：

第一章绪论1第一章绪论1.1太赫兹混频器的研究背景及意义在电磁波频谱上，毫米波与光波之间，有一段过渡的间隙，叫做太赫兹间隙。在学术界，对太赫兹波的定义为：0.1THz-10THz的电磁波，波长30μm-3mm，如图1-1所示。太赫兹波的高频段靠近红外线光波，特性相似；低频段又与毫米波相接，是毫米波的延伸。但是其发展又不如红外与毫米波，存在研究上的空白。因此为了研究太赫兹波，可以将微波毫米波与光波的研究方法借鉴于研究太赫兹波上[1][2]，故将太赫兹技术视为一门交叉学科，其为一门新兴学科。图1-1太赫兹波对应频谱位置随着5G通信技术的发展，毫米波技术有了更多的实际应用，同时，已有频谱资源也日益消耗殆荆为了开拓频谱资源，满足当下通信、探测、成像技术对大信息容量、高传播速度的需求，科学家们将目光投向太赫兹技术。因此，太赫兹技术成为世界各国的重要研究目标，纷纷将太赫兹技术纳入发展规划。早在2004年，太赫兹技术就被美国政府列为“改变未来的十大关键技术”之一。一年后，日本政府把太赫兹技术被列为“国家十大战略项目”的首位[3]。2019年，美国联邦通讯委员会（FCC）决定开放“太赫兹波”频谱的商业用途，期待太赫兹波能用于6G通信技术中，这项决定意味着太赫兹技术又将迎来一波热潮。在通信上，太赫兹波具备高速度、大容量、高带宽的优势；在探测上，太赫兹波具有高穿透性、高分辨率的优势；在生物活体检测上，太赫兹波具有低光子能量，低损害性的优势。因此，太赫兹技术在精确制导、信号通信、生物安检等众多领域具有广阔的发展前景和应用市场[3]-[7]。但是，高性能、高功率的太赫兹源难以获取，导致太赫兹技术发展缓慢，难以得到实际应用。太赫兹技术想要形成实际应用，其关键在于太赫兹收发系统，而本文中研

太赫兹收发系统的组成

第一章绪论31.2太赫兹混频器的国内外发展动态国外早在二十世纪中期，微波毫米波电路的发展就已经逐渐成熟，且应用广泛。因此，频谱资源的消耗也日益增加，同时对通信的传播速度和信号容量的要求也越来越高，为此科学家们的研究重心开始向着频率更高的太赫兹波转移。太赫兹混频器有着几十年的发展历史，具备多种形式，设计方法也各有千秋，因此了解太赫兹混频器的发展能为后续混频器设计指明方向。1.2.1太赫兹混频器国外发展动态1974年，M．Cohn等人研制出第一个谐波混频器，电路采用反向并联肖特基二极管设计，工作频率仅仅只有12GHz[18]。然而，四年之后的1978年，美国学者E.R.Carlson等人研制了一款66GHz-110GHz次谐波混频器，其结构如图1-3所示，采取的是手动调谐模式[19]。这是较早的频率与太赫兹频段接近的次谐波混频器报告。图1-366GHz-110GHz的次谐波混频器1991年，美国学者TomNewman等人打破了以往采用触须式肖特基势垒二极管制作混频器的常规，首次在混频器设计中使用了平面肖特基二极管，具备机械强度好，易于加工装配[20]等优点。结构如图1-4所示。从此开始，平面肖特基二极管混频器逐渐成为主流。图1-4平面肖特基二极管混频器结构2004年，美国学者B.Thomas等人报道了一款工作频率高达330GHz的太赫兹
【参考文献】

相关期刊论文 前6条

1 刘丰;朱忠博;崔万照;刘江凡;席晓丽;钟凯;姚建铨;;太赫兹技术在空间领域应用的探讨[J];太赫兹科学与电子信息学报;2013年06期

2 王瑞君;王宏强;庄钊文;秦玉亮;邓彬;;太赫兹雷达技术研究进展[J];激光与光电子学进展;2013年04期

3 张波;陈哲;樊勇;;220 GHz分谐波混频器研究[J];电子科技大学学报;2012年03期

4 樊国丽;江月松;刘丽;黎芳;;太赫兹GaAs肖特基混频二极管高频特性分析[J];物理学报;2010年08期

5 刘盛纲;钟任斌;;太赫兹科学技术及其应用的新发展[J];电子科技大学学报;2009年05期

6 程兆华,祝大军,刘盛纲;太赫兹技术的研究进展[J];现代物理知识;2005年05期

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1 杨晓帆;基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器研究[D];电子科技大学;2012年

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2 夏德娇;基于肖特基二极管的太赫兹次谐波混频器研究[D];电子科技大学;2018年

3 刘高见;基于平面肖特基二极管的220GHz分谐波混频器设计[D];中国航天科技集团公司第五研究院西安分院;2017年

4 李凯;140GHz毫米波接收机[D];电子科技大学;2008年

本文编号：2859226