太赫茲波介于毫米波與紅外線之間,是電磁頻譜中一個(gè)還沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)和大量應(yīng)用的頻段,屬于目前學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。太赫茲波有著頻譜覆蓋范圍寬、光子能量低等特性,這些特性使其在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、射電天文、以及衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域都具有獨(dú)特的學(xué)科價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,被譽(yù)為未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一。太赫茲源是太赫茲收發(fā)組件的核心元件,對(duì)于太赫茲技術(shù)的應(yīng)用起著決定性作用。目前有多種方法可以獲得太赫茲源,可以分為基于光學(xué)和基于電子學(xué)兩大類(lèi)。本文著重研究基于電子學(xué)的肖特基二極管太赫茲倍頻源,相較于其他獲得太赫茲源的方法,本方法的優(yōu)勢(shì)在于體積較小,功耗低,易于集成且不需要工作于液氮環(huán)境。本論文以研究太赫茲肖特基二極管建模作為基礎(chǔ),然后采用不同種類(lèi)的二極管、不同結(jié)構(gòu)的倍頻電路來(lái)獲得太赫茲源。太赫茲平面肖特基二極管是太赫茲倍頻器的核心器件,在很大程度上決定了太赫茲倍頻器的性能。本文在采用等效電路模型對(duì)二極管進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上,提出了一種基于二極管物理結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行精確三維電磁建模的方法。該方法通過(guò)對(duì)二極管的外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部各摻雜層進(jìn)行精確的測(cè)量和模擬,建立了二極管的三維電磁模型,并且將實(shí)際應(yīng)用中的基片、屏蔽腔等因素納入分析之中,較為準(zhǔn)確的模擬了二極管自身及外在的各種寄生參數(shù)和不連續(xù)性對(duì)性能造成的影響。結(jié)合二極管的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和三維電磁模型仿真結(jié)果,對(duì)二極管等效電路模型進(jìn)行了改進(jìn),使其能夠更加準(zhǔn)確的模擬二極管性能。在對(duì)多種太赫茲二極管進(jìn)行了三維電磁模型建模的基礎(chǔ)上,提出了一種場(chǎng)-路結(jié)合的倍頻器整體仿真和設(shè)計(jì)的方法。該方法結(jié)合二極管三維電磁模型,不僅在模型外部建立端口,而且在模型內(nèi)部管芯處建立了端口,通過(guò)這些端口將二極管外圍的線性電路部分與核心的非線性部分相結(jié)合,使得倍頻器總體仿真時(shí)線性電路和非線性部分的結(jié)合更加符合實(shí)際情況,能得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。本文基于這種方法設(shè)計(jì)了多款220GHz倍頻器,并且結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)太赫茲倍頻器因加工及裝配誤差帶來(lái)的性能惡化進(jìn)行了定量分析。測(cè)試表明三倍頻器最大輸出功率為5.4mW,最佳變頻損耗為12.8dB。本文結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制了應(yīng)用于太赫茲頻段的波導(dǎo)帶通濾波器。提出了一種圓形諧振腔感性窗耦合式波導(dǎo)濾波器,解決了關(guān)鍵尺寸的工藝極限問(wèn)題。分析了MEMS技術(shù)的工藝特性,優(yōu)化了濾波器尺寸,避免了工藝對(duì)濾波器關(guān)鍵尺寸的影響,并最終完成了濾波器的加工。仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合較好,其中采用圓形諧振腔的400GHz四階濾波器通帶內(nèi)插損1.9dB,帶寬22GHz,帶外抑制大于20dB@22GHz;采用圓形諧振腔的900GHz四階濾波器通帶內(nèi)插損2.3dB,帶寬34GHz,帶外抑制大于25dB@34GHz。該圓形諧振腔結(jié)構(gòu)降低了對(duì)工藝的要求,提高了容差性。濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,可應(yīng)用于各種太赫茲電路中。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TN713;O441.4


本文編號(hào)：2810651