基于固态电路的太赫兹源研究与应用

发布时间：2017-12-20 15:11

  本文关键词：基于固态电路的太赫兹源研究与应用　出处：《中国科学院国家空间科学中心》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 太赫兹 平面肖特基二极管 建模 设计方法 倍频器 单片电路 辐射计系统

【摘要】：太赫兹技术作为目前研究的热点,在很多领域有着重要的应用。其中太赫兹频率源是技术的关键之一。由于国内开展相关工作较晚,并且受限于半导体等工艺技术,因此存在许多技术瓶颈。目前星载的太赫兹系统主要由国外引进。基于上述背景,本论文对太赫兹接收机前端的关键组成部分:本振源展开研究。研究主要集中在本振链路中的技术难点:太赫兹频段倍频器的研制。本论文主要内容如下:1、太赫兹波段肖特基二极管模型的建立与修正。太赫兹倍频器主要利用了肖特基管的非线性特性来实现倍频功能,因此肖特基管的准确建模是研制倍频模块的关键。本论文中首先建立起平面肖特基二极管的三维几何模型,然后结合工作原理建立对应的电参数模型,模型中所需的管芯参数可以通过测量得到的I-V和C-V曲线来提取。最后,结合研制的样件测试结果,对二极管模型进行修正。2、太赫兹倍频器设计方法研究。由于频率的升高,二极管几何封装引起的寄生效应在很大程度上影响电路的性能。本文采用一种场和路结合的设计方法,其中基于矢量有限元方法的场分析能够对建立的几何模型进行全波计算,可以有效估算寄生参数的影响;而基于谐波平衡方法的路分析可以对非线性电路进行计算,同时实现其性能的优化。场路结合的方法涉及到不同模型的转换,因此要对转换过程中遇到的不连续结构进行分析和提取,以便使两种模型等效。最后,研制出一个结构相对简单的太赫兹三倍频器样件,根据测试结果对上述设计方法进行初步验证。3、太赫兹源的研制。所研制源将作为接收机的本振,其工作频点分别为225GHz和332GHz,而研究的重点为太赫兹波段的倍频电路。本文首先确定了本振链路的方案,其中225GHz本振源末级为三次倍频;而332GHz本振源末级为两个二倍频级联。对于225GHz三倍频器,结合国内工艺水平,采取基于分立器件的非平衡结构。其优点在于可以为管对提供偏压,实现高效倍频。测试结果表明,在215~228GHz频率范围内输出功率均大于5mW,最大输出功率为17mW;最高倍频效率为7.1%。对于332GHz本振源末级的两个倍频器,则设计重点不同。其中166GHz二倍频器需要有大功率输出,而332GHz二倍频器则需要倍频效率较高。为了实现166GHz的大功率输出,本文提出了四路功率合成的技术方案。目前对已经研制完成的单路166GHz二倍频进行测试,其最大输出功率为27.2mW;最高倍频效率为19%;对于332GHz二倍频器,最大输出功率为1.4mW,相应的倍频效率为2.1%。4、基于单片电路的太赫兹倍频器设计。基于分立器件的倍频器受装配影响很大,并在设计中存在很多局限。因此本文中对基于砷化镓基底的单片电路展开研究。首先对肖特基管的参数进行分析和优化,然后设计了一个截止频率为1.5THz的肖特基管。最后基于上述二极管,设计出一个工作频段为212GHz的二次倍频单片电路,仿真结果表明其最高倍频效率为37.6%。5、太赫兹辐射计系统的研制及测试。首先根据课题组自主设计的各部分模块,研制了一台440GHz的真实孔径辐射计系统,其中本振驱动即采用了前文中所研制的225GHz源。在常温条件下,利用Y因子法对其系统噪声进行测试,结果表明整机噪声温度约为1800K。然后基于上述辐射计单元,研制了一台两单元综合孔径辐射计,并对其相位精度进行了测试。最后,利用上述综合孔径辐射计实现了点目标的成像。
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN771

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