固态太赫兹二倍频器设计

研制了一种平衡结构的太赫兹二倍频器,采用Teratech公司的AS1太赫兹平面肖特基二极管。在对太赫兹肖特基二极管建模和分析的基础上,结合HFSS和ADS软件对太赫兹二倍频器进行仿真。对该倍频器进行加工测试,实测结果表明,在180~192GHz,最大输出功率16.3mW,最大倍频效率为9.1%。     

基于肖特基二极管的太赫兹二倍频器设计

固态倍频器是太赫兹源应用中的关键器件,如何利用非线性器件提高太赫兹倍频器件的效率是设计太赫兹固态电路的关键。本文介绍了利用肖特基二极管非线性特性设计固态太赫兹二倍频器的2种方法,即采用直接阻抗匹配和传输模式匹配设计了2种不同拓扑结构的170 GHz二倍频器,针对设计的结构模型,分别进行三维有限元电磁仿真和非线性谐波平衡仿真。仿真结果表明,在17 dBm输入功率的驱动下,倍频器在160 GHz~180 GHz输出频率范围内,倍频效率在15%左右,输出功率大于7 mW。最后对2种方法设计的倍频器结构进行了简单对比和分析,为今后太赫兹倍频研究和设计提供仿真方法。     

高功率110 GHz平衡式肖特基二极管频率倍频器

高频段的太赫兹信号通常是由多个倍频器级联输出的,因此要求倍频链路的前级必须具备高输出功率的能力。为了提升太赫兹倍频器的功率容量和效率,结合高频特性下肖特基二极管有源区电气模型建模方法,采用高热导率的陶瓷基片,利用对称边界条件,在HFSS和ADS中实现对倍频器电路的分析和优化,研制出了高功率110 GHz平衡式倍频器。最终测试结果表明,驱动功率为28 dBm左右时,该倍频器在102~114.2 GHz的工作带宽内的最高输出功率和效率分别为108 mW和17.6%,为链路后续的二倍频和三倍频提供足够的驱动功率。     

340 GHz GaN大功率固态倍频链

随着太赫兹技术的应用和发展,对大功率太赫兹固态源的需求愈加迫切。文中基于GaN肖特基二极管(SBD)工艺设计并制造了具有高功率输出的170 GHz和340 GHz太赫兹倍频器,实现了340 GHz大功率太赫兹固态倍频链。采用多管芯GaN SBD提高器件功率承载能力,综合开展电路优化设计提升倍频性能,通过仿真研究和实验测试,验证了倍频器设计的有效性和先进性。170 GHz倍频器的实测峰值输出功率达到580 mW,倍频效率为14.5%。340 GHz倍频器的实测峰值输出功率为66 mW,倍频效率为12.5%。该太赫兹固态倍频链性能优良,在太赫兹系统中具有重要的应用价值。     

基于肖特基势垒二极管三维电磁模型的220GHz三倍频器

采用阻性肖特基势垒二极管UMS DBES105a设计了一个太赫兹三倍频器.为了提高功率容量和倍频效率,该倍频器采用反向并联二极管对结构实现平衡式倍频.根据S参数测试曲线建立了该二极管的等效电路模型并提取了模型参数.由于在太赫兹频段二极管的封装影响到电路的场分布,将传统的二极管SPICE参数直接应用于太赫兹频段的电路设计存在一定缺陷,因此还建立了二极管的三维电磁模型.基于该模型研制出的220 GHz三倍频器最大输出功率为1.7 mW,最小倍频损耗为17.5 dB,在223.5 GHz~237 GHz输出频率范围内,倍频损耗小于22 dB.     

260 GHz GaN高功率三倍频器设计

基于GaN太赫兹二极管芯片,采用非平衡式电路结构,设计了一款260 GHz三倍频器。采用GaN肖特基二极管芯片提高电路的耐受功率和输出功率;采用“减高+减宽”的输出波导结构抑制二次谐波;采用高低阻抗带线结构设计了倍频器的输入滤波器和输出滤波器。测试结果显示,该三倍频器在261 GHz峰值频率下,实现最大输出功率为69.1 mW,转换效率为3.3%,同时具有较好的谐波抑制特性。     

大功率单路和功率合成式100~115GHz 肖特基平衡式二倍频器

研究了基于肖特基二极管的单路和功率合成式110 GHz大功率平衡式二倍频器。单路倍频器电路具有33%的峰值测试效率,且其工作带宽超过13.6%。另外,采用了不同的双路合成结构来实现两种不同的合成式110 GHz倍频器。该功率合成式倍频器在两只127 μm 厚的 ALN 基片上焊接了四个分立的肖特基二极管。在800 mW的驱动功率下,两种合成式倍频器都测得了大于200 mW的输出功率,证明了利用该合成式倍频结构可实现更高输出功率。     

大功率单路和功率合成式100～115 GHz肖特基平衡式二倍频器（英文）

研究了基于肖特基二极管的单路和功率合成式110GHz大功率平衡式二倍频器。单路倍频器电路具有33%的峰值测试效率,且其工作带宽超过13.6%。另外,采用了不同的双路合成结构来实现两种不同的合成式110 GHz倍频器。该功率合成式倍频器在两只127 μm厚的ALN基片上焊接了四个分立的肖特基二极管。在800 mW的驱动功率下,两种合成式倍频器都测得了大于200 mW的输出功率,证明了利用该合成式倍频结构可实现更高输出功率。     

GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片

针对太赫兹GaAs肖特基二极管倍频器芯片散热能力差导致输出功率低的问题,开展了GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片研究。通过稳态热仿真发现,将肖特基二极管芯片衬底由GaAs替换为热导率更高的AlN可以降低结温。对芯片衬底替换工艺开展了研究,获得了GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管。分别对基于GaAs衬底二极管和基于GaAs/AlN异构集成二极管的162 GHz倍频器开展功率性能测试对比。测试结果表明:装配GaAs衬底二极管的倍频器输入功率为200 mW时,输出功率最高为43.6 mW;而装配GaAs/AlN异构集成二极管的倍频器输入功率提高到316 mW,输出功率为72.4 mW。肖特基二极管由GaAs衬底替换为AlN衬底后耐受功率(输入功率)提高了约58%,倍频效率由21.8%提升至22.9%,输出功率也相应提升,验证了相比GaAs衬底肖特基二极管,GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管的散热性能及耐受功率具有明显的优越性。     

基于平面GaAs肖特基二极管的220 GHz倍频器

设计和制造了一种高效高功率的220 GHz倍频器,倍频器的有源器件是一只反向串联二极管芯片,它是由四个平面GaAs肖特基二极管通过线性阵列方式集成到一块芯片上。使用ADS和HFSS软件相结合的方法对220GHz倍频器的进行了仿真优化,首先利用HFSS三维电磁仿真准确建立二极管和波导的结构模型,再利用ADS线性和非线性谐波电路仿真来优化倍频电路的性能。在210~230 GHz的频带范围内,220 GHz倍频器在20 mW固定功率输入条件下测试,功率输出大于0.5 mW;在100 mW固定功率注入时,整个20 GHz频带范围内功率输出大于2.1 mW,在214 GHz处输出峰值功率5 mW,效率为5%。反向串联二极管单片上的二极管采用的是并联布局放置方式,这种方式将二极管产生的热量从二极管直接传导到波导腔体的金属导体壁上,利于散热。220 GHz倍频器的研制成功,证明了国产平面封装GaAs肖特基二极管的毫米波频段的应用能力,其研制方法对将来更高频率的电路设计具有借鉴意义。     

An all-solid-state broad-band frequency multiplier chain at 1500 GHz

We report the results of a high-performance all-solid-state broad-band frequency multiplier chain at 1500 GHz, which uses four cascaded planar Schottky-barrier varactor doublers. The multipliers are driven by monolithic-microwave integrated-circuit-based high electron-mobility transistor power amplifiers around 95 GHz with 100-150 mW of pump power. The design incorporates balanced doublers utilizing novel substrateless and membrane device fabrication technologies, achieving low-loss broad-band multipliers working in the terahertz range. For a drive power of approximately 100 mW in the 88-99-GHz range, the doublers achieved room-temperature peak efficiencies of approximately 30% at the 190-GHz stage, 20% at 375 GHz, 9% at 750 GHz, and 4% at the 1500-GHz stage. When the chain was cooled to 120 K, approximately 40 /spl mu/W of peak output power was measured for 100 mW of input pump power.     

High Efficiency and Wideband 300 GHz Frequency Doubler Based on Six Schottky Diodes

A high efficiency and wideband 300 GHz frequency doubler based on six Schottky diodes is presented in this paper. This balanced doubler features a compact and robust circuit on a 5-μm-thick, 0.36-mm-wide, and 1-mm-long GaAs membrane, fabricated by LERMA-C2N Schottky process. The conversion efficiency is mainly better than 16% across the wide bandwidth of 266–336 GHz (3 dB fractional bandwidth of 24%) when pumping with 20–60 mW input power (P _in) at the room temperature. A peak output power of 14.75 mW at 332 GHz with a 61.18 mW P _in, an excellent peak efficiency of 30.5% at 314 GHz with 43.86 mW P _in and several frequency points with outstanding efficiency of higher than 25% are delivered. This doubler served as the second stage of the 600 GHz frequency multiplier chain is designed, fabricated, and measured. The performance of this 300 GHz doubler is highlighted comparing to the state-of-art terahertz frequency doublers.     

0.2 THz二倍频器研究

基于六阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了0.2 THz大功率二倍频器。肖特基二极管倒装焊接在50m石英电路上。采用电磁场和电路联合设计仿真获得了二倍频器的倍频效率。当入射功率在100 mW时,输出频率在190~225 GHz带内效率大于5%。在小功率（Pin100 mW）和大功率（Pin300 mW）注入条件下,测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。在100 mW驱动功率下采用自偏压测试,最大输出功率为14.5 mW@193 GHz,对应倍频效率为14%;在300 mW驱动功率下采用自偏压测试,在188~195 GHz,输出功率大于10 mW,最大输出功率为35 mW@192.8 GHz,对应倍频效率为11%。     

An all solid-state 330 GHz frequency multiplying Chain for 664 GHz radiometers application

An all solid-state 330 GHz ×6 × 2 × 2 frequency multiplying chain is constructed and tested and it is used as a local oscillator (LO) in 664 GHz radiometers for cirrus clouds and cloud ice detecting. The frequency multiplying chain consists of a W-band sextupler, followed by a power-combined amplifier which delivers 460–540 mW output power, and two cascaded 165 GHz and 330 GHz balanced frequency doublers. The 165 GHz two-ways power-combined doubler applies four three-anode in series GaAs Schottky diodes to generate 50–63 mW output power in the frequency range 160–176 GHz, and its tested typical efficiency is 11.5%. The cascaded 330 GHz doubler uses a four-anode in anti-series arranged GaAs diode to generate 2.5–4.5 mW output power in the frequency range 320–352 GHz, and its tested typical efficiency is 6.0% and the maximum value is 8.0% at 328 GHz. The output power of the multiplying chain is high enough to pump the 664 GHz heterodyne radiometer for space application.     

基于石英基片的W波段高输出功率肖特基二极管倍频器

W-band quartz based high output power fix-tuned doublers are analyzed and designed with planar Schot- tky diodes. Full-wave analysis is carried out to find diode embedding impedances with a lumped port to model the nonlinear junction. Passive networks of the circuit, such as the low pass filter, the E-plane waveguide to strip transitions, input and output matching networks, and passive diode parts are analyzed by using electromagnetic simulators, and the different parts are then combined and optimized together. The exported S-parameters of the doubler circuit are used for multiply efficiency analysis. The highest measured output power is 29.5 mW at 80 GHz and higher than 15 mW in 76-94 GHz. The highest measured efficiency is 11.5% at 92.5 GHz, and the typical value is 6.0% in 70-100 GHz.     

0.2THz宽带非平衡式倍频电路研究

基于四阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了0.2 THz宽带非平衡式二次倍频电路。肖特基二极管倒装焊接在75 m石英电路上。在小功率和大功率注入条件下,测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。输入功率在10~15 mW时,通过加载正向偏置电压,在210~224 GHz,倍频效率大于3%,在212 GHz处有最高点倍频效率为7.8%。输入功率在48~88 mW时,在自偏压条件下,210~224 GHz带内倍频效率大于3.6%,在214 GHz处测得最大倍频效率为5.7%。固定输出频率为212 GHz,在132 mW功率注入时,自偏压输出功率最大为5.7 mW,加载反向偏置电压为-0.8 V时,输出功率为7.5 mW。