本文關(guān)鍵詞：毫米波及太赫茲混頻技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：與微波相比,毫米波具有波長短、頻帶寬、信息容量大等優(yōu)勢,隨著微波頻譜的日益擁擠,各種電子系統(tǒng)的工作頻率已逐漸從微波頻段擴(kuò)展到毫米波頻段,毫米波技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,深入開展對毫米波器件的精確設(shè)計(jì)研究具有重要意義。太赫茲波作為電磁波中唯一尚未完全開發(fā)利用的頻譜資源,其長、短波段分別與微波毫米波、紅外線相重合,兼具微波毫米波和光波的部分優(yōu)點(diǎn),在寬帶通信、精確制導(dǎo)、物體成像、環(huán)境監(jiān)測及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,掌握太赫茲尖端技術(shù)對我國國防建設(shè)和民用事業(yè)具有十分重要的意義。混頻器作為收發(fā)前端的核心器件,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等近乎所有的毫米波與太赫茲應(yīng)用系統(tǒng),是毫米波與太赫茲技術(shù)的關(guān)鍵研究方向之一。本文在對毫米波與太赫茲平面肖特基二極管精確建模的基礎(chǔ)上,采用線性與非線性相結(jié)合的電路仿真方法,系統(tǒng)地研究了基波、分諧波和四次諧波混頻技術(shù),研制了多款毫米波基波混頻器、兩款220GHz分諧波混頻器以及兩款330GHz四次諧波混頻器,并構(gòu)建了基于220GHz分諧波混頻器的太赫茲收發(fā)前端。主要研究工作包括:(1)毫米波與太赫茲平面肖特基二極管模型研究。在對平面肖特基二極管物理機(jī)理、結(jié)構(gòu)特性和工藝制作研究的基礎(chǔ)上,針對當(dāng)工作頻率提高到毫米波與太赫茲頻段時(shí),二極管本征SPICE模型無法表征結(jié)構(gòu)和封裝所帶來的寄生效應(yīng)問題,對該模型進(jìn)行擴(kuò)展,建立了基于二極管寄生效應(yīng)的毫米波等效電路模型;針對鰭線混頻器不能較好地應(yīng)用二極管等效電路模型和CAD軟件進(jìn)行電路仿真的問題,提出了基于二極管工作阻抗的替代模型,并研究了基于二極管替代模型的鰭線混頻器電路仿真優(yōu)化方法;進(jìn)一步建立了更為通用和準(zhǔn)確的二極管三維全波電磁模型,總結(jié)出了建立三維電磁模型的三種建模方法,實(shí)現(xiàn)了毫米波與太赫茲平面肖特基二極管的精確建模。(2)混頻器電路仿真設(shè)計(jì)方法研究。研究了線性與非線性仿真相結(jié)合的場-路聯(lián)合仿真方法,提出了完善的基于混頻器單元電路性能的分部設(shè)計(jì)方法和基于混頻器總體性能的綜合設(shè)計(jì)方法,并在具體的混頻器研制工作中,完成了基于上述兩種設(shè)計(jì)方法的混頻器電路的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。(3)毫米波基波混頻器研究。在60GHz鰭線混頻器的研制中,采用了二極管替代模型,提出了一種鰭線凹槽匹配電路對混頻器電路進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了鰭線混頻器不能較好地應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行電路仿真的問題;在94GHz鰭線混頻器的研制中,通過建立二極管三維電磁模型分別研制了基于雙面耦合帶通濾波器、平行三線帶通濾波器和無本振帶通濾波器三種不同結(jié)構(gòu)的94GHz鰭線混頻器,得到了相對于二極管替代模型更為準(zhǔn)確的混頻器設(shè)計(jì)結(jié)果;提出了一種改進(jìn)型交叉桿電橋,相比于傳統(tǒng)交叉桿結(jié)構(gòu),具有可作為單元電路設(shè)計(jì)、二極管搭載位置尺寸可控以及引入鰭線平滑過渡減少損耗等優(yōu)勢,并將其應(yīng)用在了94GHz交叉桿混頻器的研制中;采用微帶五端口環(huán)形電橋結(jié)構(gòu)研制了94GHz環(huán)形電橋混頻器,避免了傳統(tǒng)四端口環(huán)形電橋混頻器的跳線結(jié)構(gòu),減少了電磁串?dāng)_,提高了電路穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明,所研制的毫米波混頻器測試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合,器件性能優(yōu)良,驗(yàn)證了二極管模型和電路仿真設(shè)計(jì)方法的可行性和準(zhǔn)確性,完成了毫米波混頻器的精確設(shè)計(jì)研究,為更高頻段的太赫茲混頻器的研制工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。(4)太赫茲分諧波和四次諧波混頻器研究。由于太赫茲混頻器的工作波長非常短、電路尺寸非常小,會引起二極管復(fù)雜的高頻寄生效應(yīng)以及導(dǎo)致混頻器電路匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化空間有限。針對上述問題,通過建立精確的太赫茲平面肖特基二極管三維電磁模型和采用適合于太赫茲混頻器電路設(shè)計(jì)的綜合設(shè)計(jì)方法,研制了220GHz分諧波混頻器,測試結(jié)果顯示,設(shè)計(jì)制作的220GHz分諧波混頻器的單邊帶變頻損耗在射頻212~226GHz頻率范圍內(nèi)小于9dB,帶內(nèi)最小值為6.9dB,器件性能優(yōu)良,達(dá)到了與國際同類研究器件相當(dāng)?shù)乃?采用綜合設(shè)計(jì)方法分別研制了基于二極管三維電磁模型的窄帶和寬帶兩種工作帶寬的330GHz四次諧波混頻器,測試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)制作的窄帶和寬帶四次諧波混頻器均取得了較好的性能;并對太赫茲收發(fā)前端技術(shù)進(jìn)行了前期探索,開展了基于220GHz分諧波混頻器的太赫茲收發(fā)前端的研制和實(shí)驗(yàn),完成了太赫茲信號自由空間傳輸?shù)奶掌澤舷伦冾l系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：毫米波和太赫茲 平面肖特基二極管建模技術(shù) 三維電磁模型 混頻器綜合設(shè)計(jì)方法 基/諧波混頻器
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN015;O441.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 毫米波與太赫茲波簡介13-14
• 1.2 毫米波與太赫茲混頻器的研究背景和研究意義14-16
• 1.3 毫米波與太赫茲混頻器的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)16-24
• 1.3.1 基波混頻器的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)16-20
• 1.3.2 分諧波混頻器的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)20-23
• 1.3.3 四次諧波混頻器的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)23-24
• 1.4 本文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排24-26
• 第二章 平面肖特基二極管模型研究26-49
• 2.1 引言26
• 2.2 平面肖特基二極管簡介26-34
• 2.3 毫米波與太赫茲平面肖特基二極管模型研究34-48
• 2.3.1 二極管本征SPICE模型34-38
• 2.3.2 基于二極管寄生效應(yīng)的毫米波等效電路模型38-41
• 2.3.3 基于二極管工作阻抗的毫米波替代模型41-44
• 2.3.4 基于二極管物理結(jié)構(gòu)的太赫茲三維電磁模型44-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 第三章 混頻器電路仿真設(shè)計(jì)方法研究49-65
• 3.1 引言49
• 3.2 混頻器概述49-55
• 3.3 混頻器電路仿真設(shè)計(jì)方法研究55-64
• 3.3.1 基于混頻器單元電路性能的分部設(shè)計(jì)方法55-57
• 3.3.2 基于混頻器總體性能的綜合設(shè)計(jì)方法57-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 第四章 毫米波基波混頻器研究65-111
• 4.1 引言65
• 4.2 基波單平衡混頻器工作原理65-67
• 4.3 基于二極管替代模型的 60GHz鰭線混頻器研究67-79
• 4.3.1 60GHz鰭線混頻器設(shè)計(jì)方案67-68
• 4.3.2 鰭線過渡等單元電路設(shè)計(jì)68-73
• 4.3.3 射頻匹配電路設(shè)計(jì)73-75
• 4.3.4 60GHz鰭線混頻器測試結(jié)果及分析75-79
• 4.4 基于二極管三維電磁模型的 94GHz鰭線混頻器研究79-93
• 4.4.1 94GHz鰭線混頻器電路結(jié)構(gòu)79-81
• 4.4.2 平行三線濾波器等單元電路設(shè)計(jì)81-86
• 4.4.3 混頻器仿真優(yōu)化及電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)86-90
• 4.4.4 94GHz鰭線混頻器測試結(jié)果及分析90-93
• 4.5 94GHz交叉桿混頻器研究93-101
• 4.5.1 改進(jìn)型交叉桿電橋94-97
• 4.5.2 改進(jìn)型交叉桿混頻器電路結(jié)構(gòu)97-98
• 4.5.3 混頻器電路設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化98-100
• 4.5.4 交叉桿混頻器測試結(jié)果及分析100-101
• 4.6 94GHz環(huán)形電橋混頻器研究101-109
• 4.6.1 微帶環(huán)形電橋混頻器電路結(jié)構(gòu)101-103
• 4.6.2 五端.環(huán)形電橋等單元電路設(shè)計(jì)103-106
• 4.6.3 混頻器仿真優(yōu)化106-108
• 4.6.4 環(huán)形電橋混頻器測試結(jié)果及分析108-109
• 4.7 本章小結(jié)109-111
• 第五章 太赫茲分諧波和四次諧波混頻器研究111-150
• 5.1 引言111
• 5.2 分諧波和四次諧波混頻器工作原理111-113
• 5.3 基于分部設(shè)計(jì)方法的 220GHz分諧波混頻器研究113-127
• 5.3.1 220GHz分諧波混頻器電路拓?fù)?/span>113-116
• 5.3.2 分諧波混頻器單元電路設(shè)計(jì)116-119
• 5.3.3 混頻器仿真優(yōu)化119-121
• 5.3.4 分諧波混頻器測試結(jié)果及分析121-127
• 5.4 基于綜合設(shè)計(jì)方法的 220GHz分諧波混頻器研究127-134
• 5.4.1 基于綜合設(shè)計(jì)方法的分諧波混頻器電路結(jié)構(gòu)127-128
• 5.4.2 混頻器綜合仿真優(yōu)化128-131
• 5.4.3 分諧波混頻器測試結(jié)果及分析131-134
• 5.5 基于 220GHz分諧波混頻器的太赫茲收發(fā)前端研究134-140
• 5.6 330GHz四次諧波混頻器研究140-149
• 5.6.1 330GHz四次諧波混頻器電路拓?fù)?/span>140-141
• 5.6.2 窄帶和寬帶 330GHz四次諧波混頻器綜合仿真優(yōu)化141-146
• 5.6.3 四次諧波混頻器測試結(jié)果及分析146-149
• 5.7 本章小結(jié)149-150
• 第六章 全文總結(jié)與展望150-154
• 6.1 本文的主要內(nèi)容150-151
• 6.2 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)151-152
• 6.3 未來工作的展望152-154
• 致謝154-155
• 參考文獻(xiàn)155-165
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果165-167

  本文關(guān)鍵詞：毫米波及太赫茲混頻技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：254372