【摘要】：太赫茲技術(shù)是一門新興的前沿交叉學(xué)科,在天文探測等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用于太赫茲天文觀測的探測器一般分為相干探測與非相干探測兩類。除了探測器本身以外,濾波器等關(guān)鍵無源器件技術(shù)是該領(lǐng)域一個重要的研究方向。此外,太赫茲固態(tài)倍頻源也是相干探測接收機的一個重要組成部分。本論文以太赫茲天文探測為應(yīng)用背景,對太赫茲探測器前端的若干關(guān)鍵無源技術(shù)和太赫茲固態(tài)二倍頻器技術(shù)進(jìn)行了深入研究。論文主要研究工作及成果概括如下:1.太赫茲頻段低損耗準(zhǔn)橢圓矩形波導(dǎo)帶通濾波器。在太赫茲頻段,提出了四種高性能波導(dǎo)帶通濾波器,解決了現(xiàn)階段存在的加工難度大及性能較差的問題,能有效提高連續(xù)譜探測系統(tǒng)的性能,選出所需的觀測頻段。首先提出了一種W-波段4-階準(zhǔn)橢圓波導(dǎo)濾波器,實現(xiàn)了易被數(shù)控(CNC)技術(shù)制造的簡單結(jié)構(gòu),和高頻選、高抑制、2對傳輸零點的性能。其次,進(jìn)一步簡化了該濾波器結(jié)構(gòu)并拓展到220 GHz頻段,結(jié)合CNC及鍍金工藝,實現(xiàn)了僅0.6dB的低插損特性。此外,還系統(tǒng)分析了工藝誤差對該高頻波導(dǎo)濾波器性能的影響。最后基于高階模諧振特性,提出了兩種更高頻260GHz頻段準(zhǔn)橢圓波導(dǎo)濾波器。大尺寸高階模諧振腔結(jié)構(gòu)的引入,不僅實現(xiàn)了高頻選和高抑制性能,而且有效降低了高頻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的加工難度,實現(xiàn)了0.7和0.5dB的低插損特性。2.太赫茲頻段寬帶脊波導(dǎo)帶通濾波器及雙工器。常規(guī)矩形波導(dǎo)的基模傳輸特性限制了太赫茲波導(dǎo)器件的帶寬。本文首次將脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)拓展到太赫茲頻段,結(jié)合微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝,提出并實現(xiàn)了240GHz頻段相對帶寬達(dá)50%的脊波導(dǎo)帶通濾波器,以及通帶為180～300 GHz和320～420 GHz的寬帶雙工器�；谔掌澑哽`敏度超導(dǎo)混頻器,搭建了一套準(zhǔn)光學(xué)測試系統(tǒng),實現(xiàn)了240GHz頻段寬帶脊波導(dǎo)濾波器特性的實測。實測結(jié)果與模擬仿真有良好的一致性。3.基于金屬表面和介質(zhì)薄膜加載周期結(jié)構(gòu)的太赫茲波束增強技術(shù)。太赫茲頻段元器件常表現(xiàn)出低效率、高損耗、低增益等缺點。為此,本文在500GHz頻段提出了金屬加載周期圓形凹槽結(jié)構(gòu)(牛眼結(jié)構(gòu))和介質(zhì)薄膜加載周期金屬橢圓環(huán)結(jié)構(gòu),結(jié)合MEMS、激光及濺射金等工藝,實現(xiàn)了太赫茲波束垂直準(zhǔn)直及增強輻射的特性。此外,還詳細(xì)分析了加載不同周期數(shù)及結(jié)構(gòu)對輻射波束增益等性能的影響,為設(shè)計太赫茲頻段周期加載結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于相關(guān)功能器件上提供了依據(jù)。4.太赫茲頻段砷化鎵肖特基二極管寬帶高效率二倍頻器。寬帶、高效率、高功率容量及高輸出功率始終是太赫茲倍頻器追求的目標(biāo)。本文首先針對法國LERMA實驗室先進(jìn)的砷化鎵肖特基二極管(GaAs Schottky Diode)制備工藝(LERMA-C2N Schottky process),建立了精確的GaAs Schottky Diode非線性和三維電磁模型。然后采用6個大陽極接觸二極管結(jié)構(gòu),寬帶探針耦合、新型高抑制低通濾波器、多段匹配波導(dǎo)等結(jié)構(gòu),設(shè)計了300GHz頻段高性能二倍頻器。實測結(jié)果顯示:該二倍頻器具有高功率容量(60 mW)、高功率輸出(～10 mW)、高變頻效率(16%)及寬帶(24%)性能。最后,本文還給出了300GHz頻段功率合成二倍頻器的設(shè)計方案。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN771;O441.4
【圖文】：

茲頻段及探測技術(shù)逡逑茲頻段科學(xué)意義逡逑（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，邋ＴＨｚ）頻段［１］通常是定義頻率在０．１？１０邋ＴＨｚ區(qū)間，對應(yīng)波ｍ間的電磁波，覆蓋短毫米波、亞毫米波至遠(yuǎn)紅外波段，在全電磁頻譜中１．１所示。太赫茲頻段介于微波與紅外之間，因此兼有微波和紅外的優(yōu)越觀電子學(xué)和微觀光子學(xué)兩個領(lǐng)域的研究范疇。該頻段內(nèi)存在豐富未被充源，而且太赫茲電磁波具有強分子吸收和色散、高透射性、瞬態(tài)性、高湊、低光子能量、以及有限傳輸范圍等諸多特點，因此太赫茲頻段在射氣觀測、生物醫(yī)學(xué)成像、雷達(dá)、通信及安全檢查等眾多領(lǐng)域蘊藏著巨大在過去相當(dāng)長的時間里，由于缺乏性能良好的太赫茲信號源和探測器，電磁波譜中有待開發(fā)的頻譜窗口，被稱為“太赫茲空白（ＴＨｚ邋ｇａｐ）”。隨元器件、太赫茲固態(tài)源和高靈敏度探測器的發(fā)展，太赫茲科學(xué)技術(shù)成為交叉學(xué)科，太赫茲在眾多領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用［３］。逡逑

博士學(xué)范圍，主要采用超導(dǎo)邋ＳＩＳ邋（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）混頻技局主導(dǎo)的赫歇爾（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ）衛(wèi)星是目前最大的空間亞毫米波探測衛(wèi)星ｃｈｅｌ－ＨＩＦｌ邋（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ邋Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋Ｆａｒ－Ｉｎｆｒａｒｅｄ）設(shè)備覆蓋邋０．４８￣１．９１邋ＴＨｚ圍，主要采用超導(dǎo)ＳＩＳ和超導(dǎo)ＨＥＢ邋（Ｈｏｔ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）混頻技術(shù)［８］。Ａｅｒｓｃｈｅｌ照片如圖１．１．２所示。我國目前也正在研制南極冰穹（Ｄｏｍｅ－Ａ）的太赫劃［９］，這可能是地球上最好的太赫茲觀測天文臺址。因此，太赫茲頻段大型天研制對天文觀測起到積極作用，將極有可能觀測到清晰的早期宇宙演化過程。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 史生才;李婧;張文;繆巍;;超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測器[J];物理學(xué)報;2015年22期

2 劉盛綱;鐘任斌;;太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展[J];電子科技大學(xué)學(xué)報;2009年05期

本文編號：2728278