太赫茲混頻器是組成太赫茲收發(fā)系統(tǒng)核心器件,是太赫茲技術(shù)研究中的重要方向之一。在太赫茲頻段,功率大、性能高的源匱乏且昂貴,使用次諧波混頻器可以有效解決這一問題,其所需的本振頻率只有射頻頻率的一半。故本文主要對太赫茲次諧波混頻器與其設(shè)計方法展開研究。本文首先對國內(nèi)外近幾年報道的太赫茲混頻器進(jìn)行了調(diào)研,為后續(xù)設(shè)計提供方向。詳細(xì)介紹了使用肖特基二極管設(shè)計混頻器的原理與太赫茲頻段肖特基二極管的精確建模,建模的重點在于將二極管的本征參數(shù)模型與寄生效應(yīng)結(jié)合使用。對比了傳統(tǒng)分部設(shè)計法與整體設(shè)計法的優(yōu)劣,用整體設(shè)計法研制了一款220GHz寬本振次諧波混頻器;并在此基礎(chǔ)上結(jié)合二者優(yōu)點,采用半整體設(shè)計方法,設(shè)計了一款560 GHz次諧波混頻器。220GHz次諧波混頻器采用整體設(shè)計法設(shè)計,在仿真時,使其結(jié)果同時滿足上變頻與下變頻仿真,最終得到同時滿足射頻帶寬與寬本振帶寬的結(jié)果,仿真結(jié)果:上變頻仿真時,變頻損耗優(yōu)于7.3dB,本振要求寬頻帶,其回波仿真結(jié)果在100GHz-120GHz之間優(yōu)于8.6dB。下變頻仿真時變頻損耗優(yōu)于9 dB,射頻回波在200GHz-240GHz之間優(yōu)于10dB。實測結(jié)果表明:在20GHz中頻輸出范圍內(nèi),相應(yīng)的射頻頻點的單邊帶變頻損耗基本小于10dB。其中,當(dāng)本振頻點固定在108GHz時,測試結(jié)果在203-230GHz頻帶范圍內(nèi),變頻損耗小于9dB,并且在218GHz附近取得最優(yōu)值7.1dB。且本振工作頻段較寬,在104GHz-120GHz能正常工作。在此基礎(chǔ)上,采用半整體設(shè)計方法設(shè)計了560 GHz次諧波混頻器。仿真設(shè)計結(jié)果:本振頻率280GHz時,本振功率3mW驅(qū)動下,在射頻540-580GHz頻率范圍內(nèi),混頻器的單邊帶變頻損耗小于9.2dB,并在566GHz取得變頻損耗最佳值7.28dB。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN773;O441.4
【部分圖文】：

第一章緒論1第一章緒論1.1太赫茲混頻器的研究背景及意義在電磁波頻譜上，毫米波與光波之間，有一段過渡的間隙，叫做太赫茲間隙。在學(xué)術(shù)界，對太赫茲波的定義為：0.1THz-10THz的電磁波，波長30μm-3mm，如圖1-1所示。太赫茲波的高頻段靠近紅外線光波，特性相似；低頻段又與毫米波相接，是毫米波的延伸。但是其發(fā)展又不如紅外與毫米波，存在研究上的空白。因此為了研究太赫茲波，可以將微波毫米波與光波的研究方法借鑒于研究太赫茲波上[1][2]，故將太赫茲技術(shù)視為一門交叉學(xué)科，其為一門新興學(xué)科。圖1-1太赫茲波對應(yīng)頻譜位置隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，毫米波技術(shù)有了更多的實際應(yīng)用，同時，已有頻譜資源也日益消耗殆荊為了開拓頻譜資源，滿足當(dāng)下通信、探測、成像技術(shù)對大信息容量、高傳播速度的需求，科學(xué)家們將目光投向太赫茲技術(shù)。因此，太赫茲技術(shù)成為世界各國的重要研究目標(biāo)，紛紛將太赫茲技術(shù)納入發(fā)展規(guī)劃。早在2004年，太赫茲技術(shù)就被美國政府列為“改變未來的十大關(guān)鍵技術(shù)”之一。一年后，日本政府把太赫茲技術(shù)被列為“國家十大戰(zhàn)略項目”的首位[3]。2019年，美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）決定開放“太赫茲波”頻譜的商業(yè)用途，期待太赫茲波能用于6G通信技術(shù)中，這項決定意味著太赫茲技術(shù)又將迎來一波熱潮。在通信上，太赫茲波具備高速度、大容量、高帶寬的優(yōu)勢；在探測上，太赫茲波具有高穿透性、高分辨率的優(yōu)勢；在生物活體檢測上，太赫茲波具有低光子能量，低損害性的優(yōu)勢。因此，太赫茲技術(shù)在精確制導(dǎo)、信號通信、生物安檢等眾多領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用市場[3]-[7]。但是，高性能、高功率的太赫茲源難以獲取，導(dǎo)致太赫茲技術(shù)發(fā)展緩慢，難以得到實際應(yīng)用。太赫茲技術(shù)想要形成實際應(yīng)用，其關(guān)鍵在于太赫茲收發(fā)系統(tǒng)，而本文中研

太赫茲收發(fā)系統(tǒng)的組成

第一章緒論31.2太赫茲混頻器的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)國外早在二十世紀(jì)中期，微波毫米波電路的發(fā)展就已經(jīng)逐漸成熟，且應(yīng)用廣泛。因此，頻譜資源的消耗也日益增加，同時對通信的傳播速度和信號容量的要求也越來越高，為此科學(xué)家們的研究重心開始向著頻率更高的太赫茲波轉(zhuǎn)移。太赫茲混頻器有著幾十年的發(fā)展歷史，具備多種形式，設(shè)計方法也各有千秋，因此了解太赫茲混頻器的發(fā)展能為后續(xù)混頻器設(shè)計指明方向。1.2.1太赫茲混頻器國外發(fā)展動態(tài)1974年，M．Cohn等人研制出第一個諧波混頻器，電路采用反向并聯(lián)肖特基二極管設(shè)計，工作頻率僅僅只有12GHz[18]。然而，四年之后的1978年，美國學(xué)者E.R.Carlson等人研制了一款66GHz-110GHz次諧波混頻器，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，采取的是手動調(diào)諧模式[19]。這是較早的頻率與太赫茲頻段接近的次諧波混頻器報告。圖1-366GHz-110GHz的次諧波混頻器1991年，美國學(xué)者TomNewman等人打破了以往采用觸須式肖特基勢壘二極管制作混頻器的常規(guī)，首次在混頻器設(shè)計中使用了平面肖特基二極管，具備機(jī)械強(qiáng)度好，易于加工裝配[20]等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。從此開始，平面肖特基二極管混頻器逐漸成為主流。圖1-4平面肖特基二極管混頻器結(jié)構(gòu)2004年，美國學(xué)者B.Thomas等人報道了一款工作頻率高達(dá)330GHz的太赫茲
【參考文獻(xiàn)】

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1 劉豐;朱忠博;崔萬照;劉江凡;席曉麗;鐘凱;姚建銓;;太赫茲技術(shù)在空間領(lǐng)域應(yīng)用的探討[J];太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報;2013年06期

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3 劉高見;基于平面肖特基二極管的220GHz分諧波混頻器設(shè)計[D];中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院西安分院;2017年

4 李凱;140GHz毫米波接收機(jī)[D];電子科技大學(xué);2008年

本文編號：2859226