光载毫米波系统的毫米波功率合成技术研究

发布时间：2017-08-12 21:19

  本文关键词：光载毫米波系统的毫米波功率合成技术研究

  更多相关文章： 光载无线系统 光电探测器 行波探测器阵列 功率合成 级联行波光电二极管阵列

【摘要】：光电探测器是光载无线系统(Radio over Fiber,ROF)的一个关键器件,它的性能直接影响整个ROF系统的性能与系统设计。光纤放大器的出现,改变了对光电探测器性能的要求,光纤放大器加光电探测器取代传统的光电探测器加后置功率放大器这种模式已成为大势所趋,因此高功率和大带宽成为目前研究光电探测器亟待解决的问题。而且光纤放大器加光电探测器组成的系统性能将会更好,成本更低。本文回顾了光电效应的发现历程,从提高光电转换效率的角度,考察了PIN-PD的原理和结构,PIN-PD容易出现饱和的原因是空穴载流子迁移率低在耗尽区积聚从而引起空间电荷效应,导致PIN-PD出现饱和。为了克服空间电荷效应,出现了单行载流子光电二极管(Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UTC-PD)。文中对UTC-PD结构进行了研究与分析并进行了模拟验证,得到了UTC-PD的吸收层厚度与UTC-PD的-3dB带宽的关系曲线、与响应度之间的关系曲线以及吸收层掺杂浓度与UTC-PD的-3dB带宽的关系曲线。得到了集结层厚度和UTC-PD的-3dB带宽的关系以及集结层掺杂浓度与UTC-PD的-3dB带宽的关系曲线,分析了其物理原因。结果表明UTC-PD的性能与吸收层和集结层的参数取值有极大关系,参数优化取值要综合考虑。模拟结果表明UTC-PD比PIN-PD的性能如饱和功率和工作带宽等有了极大的提高。无论PIN-PD还是UTC-PD都是通过改变单个光电二极管的结构来提高光电探测器性能的。然而单个光电二极管的性能再提高毕竟是有限的,将多个光电二极管集成制成光电探测器,则探测器的性能会得到极大地提高。多个光电二极管集成本质上是多个光电二极管输出的功率合成问题。本文全面研究了多个光电二极管的输出合成问题。在三个方面取得了创新的结果:发现了并联集成时光电二极管的最佳并联个数;获得了光电二极管级联时级联个数与工作波长的关系,依据该关系可优选光电二极管级联的最大个数;提出了一种新型级联光电二极管阵列功率合成电路。将多个光电二极管并联集成,其输出功率会提高,但光电二极管的结电容也会并联,导致等效电容变大,工作带宽降低,故不能在高频段应用。详细分析发现,由于每个光电二极管的分流作用,当并联八组以后再增加光电二极管的并联组数,对输出功率的贡献越来越小。为了克服并联集成会使工作带宽降低的问题,出现了行波光电二极管阵列电路。但这种电路只能提高输出功率,不能提高工作带宽,其工作带宽与单个行波光电二极管工作带宽相同。将光电二极管级联既能提高输出功率也能提高输出带宽,但随着级联光电二极管个数的增加,光电二极管的体电阻也级联而线性增大,消耗在光电二极管体电阻上的功率变大,影响输出效率。本文深入研究了行波光电二极管阵列电路和光电二极管级联电路的原理,在此基础上,提出了一种新的级联光电二极管阵列功率合成电路,这种新电路兼有行波光电二极管阵列功率合成电路和光电二极管级联功率合成电路的优点。对新电路的性能进行了理论分析和EDA技术模拟,结果表明输出功率和工作带宽同时得到提高。而且这种电路可以根据需要灵活选取光电二极管的个数,实现不同的输出功率和工作带宽,满足各种不同应用场合的具体需求。
【关键词】：光载无线系统 光电探测器 行波探测器阵列 功率合成 级联行波光电二极管阵列
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN29;TN74
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-14
• 1.2 ROF系统构成及特点14-15
• 1.3 ROF系统中的关键技术15-17
• 1.3.1 毫米波生成技术15-16
• 1.3.2 光纤色散效应16
• 1.3.3 光电探测器16-17
• 1.4 课题的来源和意义17-18
• 1.5 论文结构18-21
• 2 光电转换原理21-29
• 2.1 光电效应现象的发现21-22
• 2.2 光电效应现象的理论解释22-23
• 2.3 光电转换原理23-27
• 2.4 光电转换技术的发展27-29
• 3 光电转换效率的改进29-61
• 3.1 半导体理论基础29-47
• 3.1.1 费米-狄拉克分布函数与能带结构理论29-31
• 3.1.2 本征半导体费米能级与载流子浓度31-32
• 3.1.3 N型和P型半导体载流子浓度32-35
• 3.1.4 PN结理论35-47
• 3.2 PIN光电二极管47-50
• 3.2.1 光电转换定律47-48
• 3.2.2 PIN光电二极管结构48-50
• 3.3 UTC-PD50-60
• 3.3.1 UTC-PD的结构51-52
• 3.3.2 UTC-PD的工作原理52-53
• 3.3.3 UTC-PD的性能分析53-57
• 3.3.4 UTC-PD参数模拟与结果分析57-60
• 3.4 多个光电二极管的输出合成60-61
• 4 光电转换输出的合成61-83
• 4.1 功率合成技术概述61
• 4.2 光电管输出的功率合成61-78
• 4.2.1 单个光电二极管光电探测器61-62
• 4.2.2 单个光电二极管光电探测器模拟62-64
• 4.2.3 多个光电二极管并联合成64-67
• 4.2.4 二个光电二极管并联模拟67-69
• 4.2.5 行波光电二极管阵列69-72
• 4.2.6 行波光电二极管阵列模拟72-74
• 4.2.7 行波光电二极管的级联合成74-77
• 4.2.8 行波光电二极管的级联合成模拟77-78
• 4.3 级联行波光电二极管阵列功率合成78-83
• 4.3.1 级联行波光电二极管阵列功率合成原理78-80
• 4.3.2 行波光电二极管级联阵列功率合成模拟80-83
• 5 光电转换输出合成的实现分析83-102
• 5.1 传输线理论83-88
• 5.1.1 分布参数83-84
• 5.1.2 传输线方程84-85
• 5.1.3 传输线方程的解85-87
• 5.1.4 传输线的电感与电容87-88
• 5.2 微波传输线88-93
• 5.2.1 微带线89
• 5.2.2 微带线的传输模式89-92
• 5.2.3 共面波导92-93
• 5.3 用高阻微带线实现电感L93-95
• 5.4 用高阻微带线取代电感模拟分析95-99
• 5.5 UTC-PD参数提取99-102
• 6 本文总结与下一步工作102-105
• 6.1 本文总结102-103
• 6.2 下一步工作103-105
• 参考文献105-112
• 在学研究成果112-114
• 一、在学期间申请和参与项目112
• 1. 申请项目112
• 2. 参与项目112
• 二、在学期间发表的论文112-113
• 三、在学期间申请专利113-114
• 致谢114-115

，

本文编号：663680