固態(tài)太赫茲高速無線通信技術.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)電子學和光子學研究頻段之間的特殊位置，過去對其研究以及開發(fā)利用都相對較少。隨著無線通信的高速發(fā)展，現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，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。在眾多技術途徑中，采用固態(tài)電子學的技術途徑實現無線通信系統(tǒng)，未來存在將系統(tǒng)進行片上集成的可能，這

2、對太赫茲無線通信系統(tǒng)走向實用化具有重要意義。本文研究圍繞固態(tài)太赫茲高速無線通信技術展開，以無線通信系統(tǒng)的實現為牽引，對構成太赫茲無線系統(tǒng)的兩種關鍵電路（分諧波混頻器和二倍頻器）進行了深入研究，基于關鍵電路的突破，構建了太赫茲無線通信系統(tǒng)并成功進行了高速無線數據傳輸實驗。本研究主要內容包括：
　?、盘掌濐l段分諧波混頻技術。分諧波混頻器在無線系統(tǒng)中實現頻率變換的功能，在缺乏固態(tài)放大器的太赫茲頻段，這個關鍵電路的指標直接關系到系統(tǒng)的整

3、體性能。研究從肖特基勢壘二極管的物理機理入手，對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行了深入的理論研究，分析了二極管參數和封裝寄生參數對混頻性能的影響，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，通過 S參數優(yōu)化匹配，在匹配網絡確

4、定后，再結合器件非線性模型完成電路優(yōu)化。應用該方法，對220GHz分諧波混頻器電路進行了優(yōu)化，在仿真噪聲性能時，提出了一種引入外加噪聲源來等效熱電子噪聲的方法。本文構建實驗平臺開展了實驗研究，實驗結果表明，該混頻器在188-244GHz頻帶內，雙邊帶等效噪聲溫度小于1500K，雙邊帶變頻損耗小于10dB，實驗結果與仿真預測吻合較好，驗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。頻率倍增是產生太赫茲頻率信號

5、的一種重要技術途徑，二倍頻器是組成固態(tài)太赫茲信號源的關鍵電路之一。從變容二極管工作機理入手，通過深入的理論研究，基于理論推導，討論了變容二極管參數對二倍頻性能的影響，分析了設計變容二極管時需要考慮的主要參數。針對190GHz和180GHz兩個二倍頻器的特定電路性能要求，建立了變容二極管倍頻性能分析模型，定量分析了變容二極管參數對倍頻性能的影響，設計了兩個二倍頻器的變容二極管，并完成了二極管流片。利用提出的電路優(yōu)化方法對二倍頻器進行了優(yōu)化

6、，并構建實驗平臺開展了實驗研究。實驗結果表明，190GHz二倍頻器輸出頻帶為190-198GHz，最大可承受350mW的輸入功率；當輸入功率為200mW時，在193GHz處獲得最大倍頻效率8％，輸出功率達到16mW；在該頻點處當輸入功率為350mW時，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，當輸入功率為100mW時，倍頻效率大于10%，在183GHz處獲得最大倍頻效率

7、15.5%；在該頻點處當輸入功率為200mW時，輸出功率為24.17mW，倍頻效率為12.1%。實驗結果與仿真預測吻合較好，驗證了變容二極管建模、器件設計以及電路優(yōu)化方法的有效性。
　?、翘掌澑咚贌o線通信技術。在關鍵電路研究取得突破的基礎上，開展了太赫茲無線通信技術研究，構建了120GHz無線通信原理驗證系統(tǒng)和220GHz實驗驗證系統(tǒng)。120GHz原理驗證系統(tǒng)實現了碼速率高達12.5Gbit/s的無線數據傳輸，驗證了太赫茲波應用