170GHz三倍频器研究

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太赫兹波所处的电磁频谱位置让其有了宽带、瞬态、低能量和连贯性等特点。由于自然科学不断地发展以及进步,太赫兹频段的频谱信息资源这一被称为“太赫兹空白”的频谱,在经过几十年的积淀后,终于成为了当前科研的关键领域之一。在多个行业中,太赫兹技术都有着宽广的前景和光明的未来。太赫兹技术在太空探索、通信系统、医疗器械、信息技术还有新型材料这些领域之中都有非常巨大的开拓空间和科研意义。在太赫兹领域中,我国的研发受到了大量的客观条件限制。在国家的大量投入和发展下,虽然测试设备有了较大进步,自主制造的能力也有了较高提升,但是环境温度和湿度、工作效率、尺寸、器件寿命还有带宽等因素依旧会阻碍太赫兹频段信号源的发展。为了提供稳定的太赫兹频段的信号源,本论文主要进行了基于Schottky二极管的170GHz三倍频研究,使用了新型的氮化铝基片,并研究和创新了新型的微带滤波器。本文的主要工作和成果如下:首先,研究了倍频器的不同电路结构以及滤波器的原理,最终采用了同向并联非平衡式的电路结构。此外分析了不同基片材料的特性,并最后确定采用氮化铝作为倍频器的基片材料。为了改进倍频器的性能,本论文研究和分析了倍频器中平面Schottky二极管的工作原理,对与中电十三所联合研制的砷化镓Schottky二极管进行了分析与建模,分别建立了其三维模型和SPICE参数模型。然后,对采用氮化铝基片的170GHz三倍频器进行设计与优化。通过三维电磁仿真软件对倍频电路的无源器件进行仿真和优化,采用凸台形式的悬置微带结构,并设计了新型的选频和滤波电路,即新型的CMRC(紧凑微带谐振单元)滤波器。接着再与ADS进行联合仿真优化,直到工作频段165GHz~170GHz内的输出功率和效率到达目标。此外,本文还设计和仿真了采用石英基片的170GHz的倍频器,与之进行对比,验证了氮化铝基片这一新工艺的优势。最后,将采用氮化铝基片的170GHz三倍频器进行加工装配与测试,而后对结果进行分析总结。最终倍频器在工作频段165GHz~170GHz内的最大输出功率为3.6mW,最大效率为3.6%。
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