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。     

基于功率合成技术的166GHz大功率源研制

冰云探测对于提高天气预报准确性、监测极端天气现象等具有重要的意义.考虑到冰云粒子尺寸、形状分布等因素,利用太赫兹频段被动遥感仪器能更好地解决冰云探测的难题. 664 GHz作为一个重要的探测频点,其接收机射频前端主要包括664 GHz二次谐波混频器、332 GHz二倍频器以及166 GHz大功率源.作者在太赫兹二倍频设计的基础上,利用两路功率合成技术实现166 GHz大功率源,目的是提供给后级的332 GHz二倍频器足够的输入功率,从而能够驱动谐波混频器工作.实验结果表明,上述大功率源在164~172 GHz频率范围内输出功率大于46m W;在168 GHz处有最大输出功率59 m W.以上研究有效解决了本振链路中G波段输出功率不足的问题,为研制更高频段的太赫兹系统提供了技术支撑.     

基于功率合成技术的V波段倍频源*

赫兹倍频链通过对低频段微波信号多次倍频,可以获得高稳定、低相位噪声的太赫兹频率源,应用前景广阔。倍频链越高频,需要驱动功率越不容易达到,为提高V波段倍频链功率,尝试了倍频功率合成方法,该方式与放大器功率合成相比,具有相位差影响和频率加倍的特点。研制出了V波段4路倍频源,对倍频合成工作原理、倍频效率和高次谐波抑制效果进行了验证。测试结果表明:在66～75GHz范围内,V波段倍频器均可获得20dBm以上的2次谐波倍频功率输出,最大功率为24dBm,带内波动约为4dB,功率合成效率大于85%。     

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。     

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%。     

应用于太赫兹源信号实现的宽带四倍频链路设计

由于集成电路工艺截止频率Ft的限制,直接通过振荡器获取的太赫兹信号源具有输出功率低、带宽较窄等问题。针对该问题,提出一种可实现高性能太赫兹源的宽带倍频链路设计。对比了传统push-push技术与改进的跨导增强push-push技术,并提出将跨导增强push-push技术运用到倍频器中,提高了倍频链路的倍频增益;在链路级间采用具有幅度与相位纠正功能的新型有源巴伦结构,进一步提高了倍频器的倍频增益与谐波抑制性能。仿真结果表明,倍频链路可实现带宽为210~256 GHz,饱和输出功率为-0.5 dBm,峰值倍频增益为-0.55 dB的太赫兹信号源,链路的总直流功耗仅为30.6 mW。     

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.     

基于线性叠加技术的0.38 THz四倍频器设计

太赫兹倍频器是实现太赫兹源的重要途径之一。基于线性叠加技术,研制了0.38 THz单级无源四倍频单片。采用平面环形巴伦与正交混合网络级联的方式,设计了四路移相功分结构,通过零电长度合成,实现了单级四倍频,同时基波和其他无用谐波得到了很好的抑制。设计中先对无源结构进行三维电磁场仿真,然后与有源部分联合仿真优化,在370~410 GHz频率范围内,变频损耗小于25 dB。     

连续波输出功率111.27 mW的G波段四端口平衡式倍频器

利用新颖的四端口平衡式二倍频原型,开发了215~230 GHz 频段的肖特基变容管倍频器,并具备更加优秀的变频效率和功率容量。同时,所提出的倍频架构能够实现奇次谐波和四次谐波的本征抑制,并且其中采用的二极管管结数量相对于传统平衡倍频结构提升了两倍。因此,这种四端口倍频电路可以实现更好的转换效率和双倍的功率处理能力。在室温下,当输入功率为196 ~ 340 mW 时,该倍频器具有约39.5% 的峰值转换效率（@218 GHz） ,即使在较高的频率下,该倍频器也被证明是高功率太赫兹波信号产生的理想解决方案。     

140 GHz二倍频器的研制

太赫兹通信中本振链输出功率无法满足实际需求,因此提出一种基于肖特基变容二极管的宽带、高效率140 GHz 二倍频器设计方案。该倍频器结构基于波导腔体石英基片微带电路的混合集成方式实现。采用三维有限元与非线性谐波平衡联合仿真方法,实现了倍频器的最优化设计。根据仿真结果,完成了140 GHz二倍频器的加工、制作与测试工作。实测结果表明,在20 dBm的驱动功率下,倍频器的输出功率最高达6.6 mW,倍频效率7.15%;输入功率23 dBm对应的最大输出功率可达11.2 mW。该器件的成功研制使得实现太赫兹通信中的本振链成为可能。     

5 THz混频二极管等效电路模型研究

采用电磁场和电路联合仿真,基于直流测试和三维电磁建模仿真技术,建立了截止频率5 THz的混频肖特基二极管的等效电路模型。重点研究了二极管的非线性结模型和外围结构三维电磁全波仿真模型,构建了考虑实际电路形式的四端口三维电磁全波仿真模型。该等效电路模型可用于太赫兹低频段混频模块设计,该模型的建立方法也为更高频段模型的建立提供了一种参考。基于该模型设计了一款220 GHz分谐波混频器,在192~230 GHz宽带范围内,双边带变频损耗小于10 dB,测试结果与仿真结果较为一致。     

基于平面肖特基二极管的太赫兹频段倍频器的研究

基于研究肖特基变容二极管的半导体层结构分析与建模,通过研究太赫兹平面肖特基势全二极管半导体材料的 物理层结构,分析二极管结构的电磁效应及其频率响应特性。研究D 频段变容二极管高效率倍频器技术,在太赫兹频段 倍频器的性能对整个接收机的性能有着至关重要的影响。要实现高频率,高功率,宽频带,高效率,低噪声太赫兹倍频 技术是太赫兹技术领域的核心研究方向之一。研究基肖特基二极管倍频器的关键技术,分析了国内外现状及发展动态。     

高效170 GHz平衡式肖特基二极管倍频器

太赫兹源的输出功率是限制太赫兹技术远距离应用的重要参数。为了实现高效的太赫兹倍频器,基于高频特性下肖特基二极管的有源区电气模型建模方法,利用指标参数不同的两种肖特基二极管,研制出了两种170 GHz平衡式倍频器。所采用的肖特基二极管有源结区模型完善地考虑了二极管IV特性,载流子饱和速率限制,直流串联电阻以及趋肤效应等特性。通过对两种倍频器仿真结果进行对比,完备地分析了二极管主要指标参数对倍频器性能的影响。最后测试结果显示两种平衡式170 GHz倍频器在155~178 GHz工作带宽内的最高倍频效率分别大于11%和24%,最高输出功率分别大于15 mW和25 mW。从仿真和测试结果表示,采用的肖特基二极管建模方法和平衡式倍频器结构适用于研制高效的太赫兹倍频器。     

E波段倍频放大模块设计

E波段是毫米波中非常重要的频段,也是较为缺乏研究的频段。E波段可三倍频至亚毫米波频段,其中220 GHz是大气吸收窗口,具有非常重要的研究价值。基于此,文中设计了一款E波段倍频放大模块,为220 GHz太赫兹发射机提供三倍频源信号,该模块输入频率为11.1~13.34 GHz,输出频率为66.6~80 GHz,输入功率为4~5 dBm,输出功率>18 dBm,增益>13 dB,具有较好的输出功率平坦度。该模块的成功研制为亚毫米波收发模块提供了功率源条件。     

140 GHz关键射频组件研究

在基于超外差体制的太赫兹无线通信系统接收机和发射机中,混频器、滤波器和本振源是决定系统性能的关键器件。本文分别针对基于肖特基二极管技术的140 GHz次谐波混频器、基于微机电系统（MEMS）体硅工艺的140 GHz带通滤波器和V波段毫米波本振倍频源的仿真设计和关键工艺开展了研究。测试结果表明：140 GHz次谐波混频器单边带转换损耗为26 dB,140 GHz带通滤波器的带内插损为8 dB,V波段毫米波本振倍频源最大输出功率大于50 mW（63.2 GHz~67.2 GHz）。     

250GHz 太赫兹谐波混频器设计

太赫兹变频组件是实现太赫兹成像和通信应用的关键器件。本文中介绍了基于hammer-head 滤波器紧凑结构, 结合肖特结二极管的三维模型和电气模型,设计低变频损耗250GHz 太赫兹谐波混频器的方法。在高倍光学显微镜的精 准测量下,建立尺寸可以跟信号波长相比拟的二极管三维模型,准确模拟二极管的高频特性以提高电磁仿真精度。为了 进一步降低太赫兹混频器的变频损耗,文中除了采用紧凑型的hammer-head 滤波器结构外,同时通过波导探针直接实现 与二极管阻抗的匹配,简化了混频器的结构降低谐波信号传输线损,从而降低太赫兹谐波混频器的变频损耗。最终仿真 结果表明,250GHz 谐波混频器在3dBm 的本振功率驱动下,在230~270GHz 射频范围内,变频损耗(SSB)均小于6.8dB, 最低变频小于6.2dB,中频带宽大于20GHz。     

Opening the terahertz window with integrated diode circuits

The terahertz region of the electromagnetic spectrum, spanning from 100 GHz through 10 THz, is of increasing importance for a wide range of scientific, military and commercial applications. This interest is spurred by the unique properties of this spectral band and the very recent development of convenient terahertz sources and detectors. However, the terahertz band is also extremely challenging, in large part because it spans the transition from traditional electronics to photonics. This paper reviews the importance of this frequency band and summarizes the efforts of scientists and engineers to span the "terahertz technology gap." The emphasis is on solid-state circuits that use nonlinear diodes to translate the functionality of microwave technology to much higher frequencies.