亚毫米波三倍频器研究

2020-03-12 18:26:22      点击:
太赫兹技术在信息科学、空间科学、医学及材料科学等领域都有极高的应用前景和开发空间。太赫兹频段是无线电波和红外线之间的衔接频段,其中处于100GHz-300GHz的长波波段在雷达通信、成像、探测、反恐、生物医学、食品、环境检测、天文观测等领域体现了极高的价值,但是一直以来太赫兹波的产生限制了这些应用的实现,因此相关的研究机构都致力于解决此问题。基于半导体的全固态太赫兹源因工作于室温、结构紧凑、可靠性高、成本低等特点成为研究重点。因为太赫兹倍频器是固态太赫兹辐射源的关键器件,也是本文研究重点。传统GaAs倍频器驱动功率受限,导致输出功率受限,本文旨在解决此问题开展以下研究。本课题设计了两款GaN二极管,应用于110GHz三倍频器研究中。查阅了大量的国内外三倍频器相关文献与资料,研究了倍频原理,结合相关电路的分析,最终方案是采用同向并联的二极管排布结构。本文工作重点在于工作频段为110GHz的两款GaN平面肖特基二极管研究和3D电磁仿真模型建立。分析GaN材料的特点和GaN二极管的优势,得出GaN二极管具有高承载电压,高承载功率等特点,因此GaN二极管适用于高功率输出的倍频器设计。此次GaN作为倍频管的设计材料增加了 GaN二极管在国内倍频器设计中的经验。整个设计包括二极管模型设计,和无源结构设计,然后在ADS软件中整体仿真,最终设计出两款倍频器,并完成装配及测试。实验结果表明:对于第一款三倍频器的设计,以200mW为驱动功率,结果在108.6GHz处为最大输出功率约2.7mW,效率约为1.35%;以400mW为驱动功率,结果在109.8GHz处为最大输出功率约4.14mW,效率约为1.01%左右。对于第二款三倍频器设计,以200mW为驱动功率,结果在114.3GHz为最大输出功率,约为11.2mW,对应效率约为5.6%;以300mW为驱动功率,在114.3GHz处为最大输出功率约为18.6mW,效率约为6.2%;以400mW为驱动功率,在114.3GHz处为最大输出功率约为21mW,效率约为5.25%。总之,此文中GaN二极管的设计和在三倍频器中的应用增加了国内GaN二极管在倍频器高功率的使用经验,具有一定指导意义。