本文關(guān)鍵詞：光載毫米波系統(tǒng)的毫米波功率合成技術(shù)研究

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【摘要】：光電探測(cè)器是光載無(wú)線系統(tǒng)(Radio over Fiber,ROF)的一個(gè)關(guān)鍵器件,它的性能直接影響整個(gè)ROF系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。光纖放大器的出現(xiàn),改變了對(duì)光電探測(cè)器性能的要求,光纖放大器加光電探測(cè)器取代傳統(tǒng)的光電探測(cè)器加后置功率放大器這種模式已成為大勢(shì)所趨,因此高功率和大帶寬成為目前研究光電探測(cè)器亟待解決的問(wèn)題。而且光纖放大器加光電探測(cè)器組成的系統(tǒng)性能將會(huì)更好,成本更低。本文回顧了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程,從提高光電轉(zhuǎn)換效率的角度,考察了PIN-PD的原理和結(jié)構(gòu),PIN-PD容易出現(xiàn)飽和的原因是空穴載流子遷移率低在耗盡區(qū)積聚從而引起空間電荷效應(yīng),導(dǎo)致PIN-PD出現(xiàn)飽和。為了克服空間電荷效應(yīng),出現(xiàn)了單行載流子光電二極管(Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UTC-PD)。文中對(duì)UTC-PD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與分析并進(jìn)行了模擬驗(yàn)證,得到了UTC-PD的吸收層厚度與UTC-PD的-3dB帶寬的關(guān)系曲線、與響應(yīng)度之間的關(guān)系曲線以及吸收層摻雜濃度與UTC-PD的-3dB帶寬的關(guān)系曲線。得到了集結(jié)層厚度和UTC-PD的-3dB帶寬的關(guān)系以及集結(jié)層摻雜濃度與UTC-PD的-3dB帶寬的關(guān)系曲線,分析了其物理原因。結(jié)果表明UTC-PD的性能與吸收層和集結(jié)層的參數(shù)取值有極大關(guān)系,參數(shù)優(yōu)化取值要綜合考慮。模擬結(jié)果表明UTC-PD比PIN-PD的性能如飽和功率和工作帶寬等有了極大的提高。無(wú)論P(yáng)IN-PD還是UTC-PD都是通過(guò)改變單個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)來(lái)提高光電探測(cè)器性能的。然而單個(gè)光電二極管的性能再提高畢竟是有限的,將多個(gè)光電二極管集成制成光電探測(cè)器,則探測(cè)器的性能會(huì)得到極大地提高。多個(gè)光電二極管集成本質(zhì)上是多個(gè)光電二極管輸出的功率合成問(wèn)題。本文全面研究了多個(gè)光電二極管的輸出合成問(wèn)題。在三個(gè)方面取得了創(chuàng)新的結(jié)果:發(fā)現(xiàn)了并聯(lián)集成時(shí)光電二極管的最佳并聯(lián)個(gè)數(shù);獲得了光電二極管級(jí)聯(lián)時(shí)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)與工作波長(zhǎng)的關(guān)系,依據(jù)該關(guān)系可優(yōu)選光電二極管級(jí)聯(lián)的最大個(gè)數(shù);提出了一種新型級(jí)聯(lián)光電二極管陣列功率合成電路。將多個(gè)光電二極管并聯(lián)集成,其輸出功率會(huì)提高,但光電二極管的結(jié)電容也會(huì)并聯(lián),導(dǎo)致等效電容變大,工作帶寬降低,故不能在高頻段應(yīng)用。詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn),由于每個(gè)光電二極管的分流作用,當(dāng)并聯(lián)八組以后再增加光電二極管的并聯(lián)組數(shù),對(duì)輸出功率的貢獻(xiàn)越來(lái)越小。為了克服并聯(lián)集成會(huì)使工作帶寬降低的問(wèn)題,出現(xiàn)了行波光電二極管陣列電路。但這種電路只能提高輸出功率,不能提高工作帶寬,其工作帶寬與單個(gè)行波光電二極管工作帶寬相同。將光電二極管級(jí)聯(lián)既能提高輸出功率也能提高輸出帶寬,但隨著級(jí)聯(lián)光電二極管個(gè)數(shù)的增加,光電二極管的體電阻也級(jí)聯(lián)而線性增大,消耗在光電二極管體電阻上的功率變大,影響輸出效率。本文深入研究了行波光電二極管陣列電路和光電二極管級(jí)聯(lián)電路的原理,在此基礎(chǔ)上,提出了一種新的級(jí)聯(lián)光電二極管陣列功率合成電路,這種新電路兼有行波光電二極管陣列功率合成電路和光電二極管級(jí)聯(lián)功率合成電路的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)新電路的性能進(jìn)行了理論分析和EDA技術(shù)模擬,結(jié)果表明輸出功率和工作帶寬同時(shí)得到提高。而且這種電路可以根據(jù)需要靈活選取光電二極管的個(gè)數(shù),實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率和工作帶寬,滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的具體需求。
【關(guān)鍵詞】：光載無(wú)線系統(tǒng) 光電探測(cè)器 行波探測(cè)器陣列 功率合成 級(jí)聯(lián)行波光電二極管陣列
【學(xué)位授予單位】：寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN29;TN74
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 研究背景11-14
• 1.2 ROF系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)14-15
• 1.3 ROF系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)15-17
• 1.3.1 毫米波生成技術(shù)15-16
• 1.3.2 光纖色散效應(yīng)16
• 1.3.3 光電探測(cè)器16-17
• 1.4 課題的來(lái)源和意義17-18
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)18-21
• 2 光電轉(zhuǎn)換原理21-29
• 2.1 光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)21-22
• 2.2 光電效應(yīng)現(xiàn)象的理論解釋22-23
• 2.3 光電轉(zhuǎn)換原理23-27
• 2.4 光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展27-29
• 3 光電轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)29-61
• 3.1 半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)29-47
• 3.1.1 費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)與能帶結(jié)構(gòu)理論29-31
• 3.1.2 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與載流子濃度31-32
• 3.1.3 N型和P型半導(dǎo)體載流子濃度32-35
• 3.1.4 PN結(jié)理論35-47
• 3.2 PIN光電二極管47-50
• 3.2.1 光電轉(zhuǎn)換定律47-48
• 3.2.2 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)48-50
• 3.3 UTC-PD50-60
• 3.3.1 UTC-PD的結(jié)構(gòu)51-52
• 3.3.2 UTC-PD的工作原理52-53
• 3.3.3 UTC-PD的性能分析53-57
• 3.3.4 UTC-PD參數(shù)模擬與結(jié)果分析57-60
• 3.4 多個(gè)光電二極管的輸出合成60-61
• 4 光電轉(zhuǎn)換輸出的合成61-83
• 4.1 功率合成技術(shù)概述61
• 4.2 光電管輸出的功率合成61-78
• 4.2.1 單個(gè)光電二極管光電探測(cè)器61-62
• 4.2.2 單個(gè)光電二極管光電探測(cè)器模擬62-64
• 4.2.3 多個(gè)光電二極管并聯(lián)合成64-67
• 4.2.4 二個(gè)光電二極管并聯(lián)模擬67-69
• 4.2.5 行波光電二極管陣列69-72
• 4.2.6 行波光電二極管陣列模擬72-74
• 4.2.7 行波光電二極管的級(jí)聯(lián)合成74-77
• 4.2.8 行波光電二極管的級(jí)聯(lián)合成模擬77-78
• 4.3 級(jí)聯(lián)行波光電二極管陣列功率合成78-83
• 4.3.1 級(jí)聯(lián)行波光電二極管陣列功率合成原理78-80
• 4.3.2 行波光電二極管級(jí)聯(lián)陣列功率合成模擬80-83
• 5 光電轉(zhuǎn)換輸出合成的實(shí)現(xiàn)分析83-102
• 5.1 傳輸線理論83-88
• 5.1.1 分布參數(shù)83-84
• 5.1.2 傳輸線方程84-85
• 5.1.3 傳輸線方程的解85-87
• 5.1.4 傳輸線的電感與電容87-88
• 5.2 微波傳輸線88-93
• 5.2.1 微帶線89
• 5.2.2 微帶線的傳輸模式89-92
• 5.2.3 共面波導(dǎo)92-93
• 5.3 用高阻微帶線實(shí)現(xiàn)電感L93-95
• 5.4 用高阻微帶線取代電感模擬分析95-99
• 5.5 UTC-PD參數(shù)提取99-102
• 6 本文總結(jié)與下一步工作102-105
• 6.1 本文總結(jié)102-103
• 6.2 下一步工作103-105
• 參考文獻(xiàn)105-112
• 在學(xué)研究成果112-114
• 一、在學(xué)期間申請(qǐng)和參與項(xiàng)目112
• 1. 申請(qǐng)項(xiàng)目112
• 2. 參與項(xiàng)目112
• 二、在學(xué)期間發(fā)表的論文112-113
• 三、在學(xué)期間申請(qǐng)專利113-114
• 致謝114-115

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本文編號(hào)：663680