固態(tài)太赫茲高速無線通信技術(shù).pdf

1、太赫茲波是指頻率在100GHz到10THz之間的電磁波。這一段電磁頻譜處于傳統(tǒng)電子學(xué)和光子學(xué)研究頻段之間的特殊位置，過去對(duì)其研究以及開發(fā)利用都相對(duì)較少。隨著無線通信的高速發(fā)展，現(xiàn)有的頻譜資源已變得日益匱乏，開發(fā)無線通信的新頻段已逐漸成為解決此矛盾的一種共識(shí)，而在太赫茲頻段存在大量未被開發(fā)的頻譜資源，使得太赫茲頻率適于作為未來無線通信的新頻段。在眾多技術(shù)途徑中，采用固態(tài)電子學(xué)的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)，未來存在將系統(tǒng)進(jìn)行片上集成的可能，這

2、對(duì)太赫茲無線通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没哂兄匾饬x。本文研究圍繞固態(tài)太赫茲高速無線通信技術(shù)展開，以無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為牽引，對(duì)構(gòu)成太赫茲無線系統(tǒng)的兩種關(guān)鍵電路（分諧波混頻器和二倍頻器）進(jìn)行了深入研究，基于關(guān)鍵電路的突破，構(gòu)建了太赫茲無線通信系統(tǒng)并成功進(jìn)行了高速無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、盘掌濐l段分諧波混頻技術(shù)。分諧波混頻器在無線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)頻率變換的功能，在缺乏固態(tài)放大器的太赫茲頻段，這個(gè)關(guān)鍵電路的指標(biāo)直接關(guān)系到系統(tǒng)的整

3、體性能。研究從肖特基勢(shì)壘二極管的物理機(jī)理入手，對(duì)混頻二極管的等效電路模型、噪聲模型和三維電磁模型的建模方法進(jìn)行了深入的理論研究，分析了二極管參數(shù)和封裝寄生參數(shù)對(duì)混頻性能的影響，并提出了一種基于器件三維電磁模型提取反向并聯(lián)二極管對(duì)寄生電容的方法。為提高電路優(yōu)化效率，提出了一種電路優(yōu)化方法，該方法的基本思想是，首先找到非線性器件的最優(yōu)工作狀態(tài)，以及使器件達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)所需的阻抗條件，以滿足阻抗條件為目標(biāo)，通過 S參數(shù)優(yōu)化匹配，在匹配網(wǎng)絡(luò)確

4、定后，再結(jié)合器件非線性模型完成電路優(yōu)化。應(yīng)用該方法，對(duì)220GHz分諧波混頻器電路進(jìn)行了優(yōu)化，在仿真噪聲性能時(shí)，提出了一種引入外加噪聲源來等效熱電子噪聲的方法。本文構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該混頻器在188-244GHz頻帶內(nèi)，雙邊帶等效噪聲溫度小于1500K，雙邊帶變頻損耗小于10dB，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)吻合較好，驗(yàn)證了二極管建模以及電路優(yōu)化方法的有效性。
　?、铺掌濐l段二倍頻技術(shù)。頻率倍增是產(chǎn)生太赫茲頻率信號(hào)

5、的一種重要技術(shù)途徑，二倍頻器是組成固態(tài)太赫茲信號(hào)源的關(guān)鍵電路之一。從變?nèi)荻O管工作機(jī)理入手，通過深入的理論研究，基于理論推導(dǎo)，討論了變?nèi)荻O管參數(shù)對(duì)二倍頻性能的影響，分析了設(shè)計(jì)變?nèi)荻O管時(shí)需要考慮的主要參數(shù)。針對(duì)190GHz和180GHz兩個(gè)二倍頻器的特定電路性能要求，建立了變?nèi)荻O管倍頻性能分析模型，定量分析了變?nèi)荻O管參數(shù)對(duì)倍頻性能的影響，設(shè)計(jì)了兩個(gè)二倍頻器的變?nèi)荻O管，并完成了二極管流片。利用提出的電路優(yōu)化方法對(duì)二倍頻器進(jìn)行了優(yōu)化

6、，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，190GHz二倍頻器輸出頻帶為190-198GHz，最大可承受350mW的輸入功率；當(dāng)輸入功率為200mW時(shí)，在193GHz處獲得最大倍頻效率8％，輸出功率達(dá)到16mW；在該頻點(diǎn)處當(dāng)輸入功率為350mW時(shí)，輸出功率為24.12mW，倍頻效率為6.89%。180GHz二倍頻器在輸出頻率為173-184GHz的頻帶內(nèi)，當(dāng)輸入功率為100mW時(shí)，倍頻效率大于10%，在183GHz處獲得最大倍頻效率

7、15.5%；在該頻點(diǎn)處當(dāng)輸入功率為200mW時(shí)，輸出功率為24.17mW，倍頻效率為12.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)吻合較好，驗(yàn)證了變?nèi)荻O管建模、器件設(shè)計(jì)以及電路優(yōu)化方法的有效性。
　?、翘掌澑咚贌o線通信技術(shù)。在關(guān)鍵電路研究取得突破的基礎(chǔ)上，開展了太赫茲無線通信技術(shù)研究，構(gòu)建了120GHz無線通信原理驗(yàn)證系統(tǒng)和220GHz實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。120GHz原理驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了碼速率高達(dá)12.5Gbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證了太赫茲波應(yīng)用