本文關(guān)鍵詞：基于固態(tài)電路的太赫茲源研究與應(yīng)用　出處：《中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：太赫茲技術(shù)作為目前研究的熱點,在很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。其中太赫茲頻率源是技術(shù)的關(guān)鍵之一。由于國內(nèi)開展相關(guān)工作較晚,并且受限于半導(dǎo)體等工藝技術(shù),因此存在許多技術(shù)瓶頸。目前星載的太赫茲系統(tǒng)主要由國外引進�；谏鲜霰尘�,本論文對太赫茲接收機前端的關(guān)鍵組成部分:本振源展開研究。研究主要集中在本振鏈路中的技術(shù)難點:太赫茲頻段倍頻器的研制。本論文主要內(nèi)容如下:1、太赫茲波段肖特基二極管模型的建立與修正。太赫茲倍頻器主要利用了肖特基管的非線性特性來實現(xiàn)倍頻功能,因此肖特基管的準(zhǔn)確建模是研制倍頻模塊的關(guān)鍵。本論文中首先建立起平面肖特基二極管的三維幾何模型,然后結(jié)合工作原理建立對應(yīng)的電參數(shù)模型,模型中所需的管芯參數(shù)可以通過測量得到的I-V和C-V曲線來提取。最后,結(jié)合研制的樣件測試結(jié)果,對二極管模型進行修正。2、太赫茲倍頻器設(shè)計方法研究。由于頻率的升高,二極管幾何封裝引起的寄生效應(yīng)在很大程度上影響電路的性能。本文采用一種場和路結(jié)合的設(shè)計方法,其中基于矢量有限元方法的場分析能夠?qū)⒌膸缀文Ｐ瓦M行全波計算,可以有效估算寄生參數(shù)的影響;而基于諧波平衡方法的路分析可以對非線性電路進行計算,同時實現(xiàn)其性能的優(yōu)化。場路結(jié)合的方法涉及到不同模型的轉(zhuǎn)換,因此要對轉(zhuǎn)換過程中遇到的不連續(xù)結(jié)構(gòu)進行分析和提取,以便使兩種模型等效。最后,研制出一個結(jié)構(gòu)相對簡單的太赫茲三倍頻器樣件,根據(jù)測試結(jié)果對上述設(shè)計方法進行初步驗證。3、太赫茲源的研制。所研制源將作為接收機的本振,其工作頻點分別為225GHz和332GHz,而研究的重點為太赫茲波段的倍頻電路。本文首先確定了本振鏈路的方案,其中225GHz本振源末級為三次倍頻;而332GHz本振源末級為兩個二倍頻級聯(lián)。對于225GHz三倍頻器,結(jié)合國內(nèi)工藝水平,采取基于分立器件的非平衡結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點在于可以為管對提供偏壓,實現(xiàn)高效倍頻。測試結(jié)果表明,在215~228GHz頻率范圍內(nèi)輸出功率均大于5mW,最大輸出功率為17mW;最高倍頻效率為7.1%。對于332GHz本振源末級的兩個倍頻器,則設(shè)計重點不同。其中166GHz二倍頻器需要有大功率輸出,而332GHz二倍頻器則需要倍頻效率較高。為了實現(xiàn)166GHz的大功率輸出,本文提出了四路功率合成的技術(shù)方案。目前對已經(jīng)研制完成的單路166GHz二倍頻進行測試,其最大輸出功率為27.2mW;最高倍頻效率為19%;對于332GHz二倍頻器,最大輸出功率為1.4mW,相應(yīng)的倍頻效率為2.1%。4、基于單片電路的太赫茲倍頻器設(shè)計�；诜至⑵骷谋额l器受裝配影響很大,并在設(shè)計中存在很多局限。因此本文中對基于砷化鎵基底的單片電路展開研究。首先對肖特基管的參數(shù)進行分析和優(yōu)化,然后設(shè)計了一個截止頻率為1.5THz的肖特基管。最后基于上述二極管,設(shè)計出一個工作頻段為212GHz的二次倍頻單片電路,仿真結(jié)果表明其最高倍頻效率為37.6%。5、太赫茲輻射計系統(tǒng)的研制及測試。首先根據(jù)課題組自主設(shè)計的各部分模塊,研制了一臺440GHz的真實孔徑輻射計系統(tǒng),其中本振驅(qū)動即采用了前文中所研制的225GHz源。在常溫條件下,利用Y因子法對其系統(tǒng)噪聲進行測試,結(jié)果表明整機噪聲溫度約為1800K。然后基于上述輻射計單元,研制了一臺兩單元綜合孔徑輻射計,并對其相位精度進行了測試。最后,利用上述綜合孔徑輻射計實現(xiàn)了點目標(biāo)的成像。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN771

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本文編號：1312537