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。     

150 GHz大功率二倍频器

基于六阳极结反向串联型砷化镓平面肖特基容性二极管,采用平衡式二倍频器结构,成功研制出一种大功率150 GHz二倍频器。使用三维电磁场与非线性谐波平衡联合仿真方法,提高了仿真结果和实际的吻合度,并根据设计结果完成倍频器的加工、装配和测试。倍频器在输出频率为146~158 GHz下的倍频效率达到7%以上;在输出频率为154 GHz时,倍频效率达到12%,输出功率达到71 mW。     

GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片

针对太赫兹GaAs肖特基二极管倍频器芯片散热能力差导致输出功率低的问题,开展了GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片研究。通过稳态热仿真发现,将肖特基二极管芯片衬底由GaAs替换为热导率更高的AlN可以降低结温。对芯片衬底替换工艺开展了研究,获得了GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管。分别对基于GaAs衬底二极管和基于GaAs/AlN异构集成二极管的162 GHz倍频器开展功率性能测试对比。测试结果表明:装配GaAs衬底二极管的倍频器输入功率为200 mW时,输出功率最高为43.6 mW;而装配GaAs/AlN异构集成二极管的倍频器输入功率提高到316 mW,输出功率为72.4 mW。肖特基二极管由GaAs衬底替换为AlN衬底后耐受功率(输入功率)提高了约58%,倍频效率由21.8%提升至22.9%,输出功率也相应提升,验证了相比GaAs衬底肖特基二极管,GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管的散热性能及耐受功率具有明显的优越性。     

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。     

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3d Bm的本振功率驱动下,在230~270GHz射频范围内,变频损耗(SSB)均小于6.8d B,最低变频小于6.2d B,中频带宽大于20GHz。     

太赫兹准光混频器的设计与实现

设计了一种用于太赫兹接收机的准光混频器。该混频器主要由肖特基二极管集成平面天线和高阻硅透镜2部分组成,其中肖特基二极管的截止频率为3.5 THz。平面双缝天线、螺旋天线、对数周期天线分别与肖特基二极管进行一体化集成,再通过高阻硅透镜来消除介质表面波,以达到改善天线辐射性能的目的。所设计的准光混频器工作频率为340 GHz,并对该混频器的检波性能、方向图和混频性能进行了测试,其变频损耗小于15 dB。     

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.     

0.2 THz二倍频器研究

基于六阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了0.2 THz大功率二倍频器。肖特基二极管倒装焊接在50m石英电路上。采用电磁场和电路联合设计仿真获得了二倍频器的倍频效率。当入射功率在100 mW时,输出频率在190~225 GHz带内效率大于5%。在小功率（Pin100 mW）和大功率（Pin300 mW）注入条件下,测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。在100 mW驱动功率下采用自偏压测试,最大输出功率为14.5 mW@193 GHz,对应倍频效率为14%;在300 mW驱动功率下采用自偏压测试,在188~195 GHz,输出功率大于10 mW,最大输出功率为35 mW@192.8 GHz,对应倍频效率为11%。     

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。     

330 GHz太赫兹次谐波混频器设计

为了缓解微波频段频谱资源的日益紧张,对太赫兹频段进行探索,介绍了一款基于GaAs肖特基二极管的330 GHz次谐波混频器。设计采用了整体综合设计的方法,进行高频结构模拟器(HFSS)与先进设计系统(ADS)联合仿真。优化过程中,电路不连续性通过HFSS仿真结果表征,电路传输特性和二极管非线性特性由ADS仿真结果表征,通过优化传输线参数,实现优化电路的目的。此方法增大了仿真优化空间,降低了设计难度。仿真结果显示,在300~350 GHz频段内,混频器的变频损耗小于8 dB。     

Q频段变容二极管二倍频器设计

采用商用变容二极管MA46H146设计了一款Q频段串联单管二倍频器。通过拟合该变容二极管的电容-电压曲线以补充该二极管技术资料中不完整的模型参数。针对宽带倍频的设计目的,该变容二极管的输入匹配网络采用高低阻抗线低通滤波器与相移传输线实现,输出匹配网络由低插入损耗带通滤波器及相移传输线实现。测试结果与仿真结果吻合,该二倍频器在输入功率为14.5dBm,变容管偏置电压1.2 V时,43～49GHz频段内倍频效率大于12.6%,最高效率34.7%。     

一种超宽带毫米波倍频器设计

叙述了一种超宽带毫米波倍频器的设计,该倍频器由有源差分balun级、对管倍频级和分布式功率放大级三个部分组成。在30—50GHz输出频率范围内,倍频器具有5dB的变频增益,输出功率大于13dBm,基波抑制大于15dB。     

毫米波宽带二倍频器设计

基于鳍线/悬置微带线耦合器提出了一种适用于毫米波变容二极管的宽带平衡式二倍频器结构。鳍线作为二极管对的驱动输入端,同时提供直流偏置接地。二极管对的直流偏置电压由输出悬置微带/WR-22波导转换的探针馈入。结合宽带输入WR-42波导/鳍线转换、宽带鳍线/悬置微带线耦合器以及宽带悬置微带线/WR-22波导转换实现了覆盖整个Q频段的平衡式二倍频器。在输入功率为+20dBm,变容管反偏置电压1.2V时,输出33～50GHz的范围内倍频效率大于10%。     

220GHz 平衡式二倍频器设计

本文介绍一种基于平面肖特基势垒二极管的220GHz 平衡式二倍频器设计。通过输入、输出信号的电磁场模式 变化实现平衡结构,并控制偏置电压和输入功率使二极管工作于变容模式。采用HFSS 和ADS 联合仿真获得最佳二极管 嵌入电路,输入功率为50mW 时得到最佳变频效率为21%,在212GHz 至235GHz 范围内变频损耗优于8dB。     

D频段新型二倍频器设计

利用阻性二极管实现了一种D频段二倍频器,设计了一种新型双鳍线输入过渡结构,并成功应用于该二倍频器,该结构能更好地实现输入波导与二极管的匹配.该二倍频器采用肖特基势垒二极管MA4E2038,电路制作在0.05 mm厚石英基片上.仿真结果表明,在146.8 GHz处获得最高倍频效率10.3％.实物测试结果显示,在自偏置情况下倍频器在148 GHz处获得最高倍频效率2.3％,在0.7V偏置电压下倍频器在154 GHz处获得最大输出功率1.1 mW.输出功率可以满足多数应用下对信号源的需求,该倍频器对处于大气窗口的140GHz通信系统具有借鉴作用.     

高频高压电源中倍压器的设计

倍压器作为高压电源的重要组成部分对于提高电源的性能具有特殊作用。分析了倍压器相关参数对电源性能的影响规律,用理论分析的方法设计了一种半臂式倍压器,并对其进行了实际测试。仿真与测试结果表明,倍压器参数优化对于电源性能具有显著影响,且实现了倍压器设计的优化。     

Design of Ka-Band Doubler

This paper describes a Ka-band frequency doubler with balanced structure consisting of Schottky barrier diodes.Input frequency is 13～20GHz.Output frequency is 26～40GHz and conversion loss 11.2±1.8Db.It can extend microwave signal source to Ka-band.     

毫米波倍频衰减组件研究

介绍了由Ku波段信号经过倍频到较高的毫米波Ka波段信号。在毫米波设计了大动态的衰减,输出信号采用数控衰减精确控制大动态变化,通过两级间波导隔离器解决良好的级联匹配。最终实现了超大的衰减动态范围,在Ka波段可保证90 dB的大幅衰减,且制作出了实体,获得了良好的性能指标,并较好地满足了工程需要。     

一种螺旋巴伦结构的毫米波二倍频器MMIC设计

基于GaAs肖特基二极管工艺,研制了一款无源毫米波二倍频器单片微波集成电路(MMIC).该电路的拓扑结构包含并联二极管对,输入巴伦和输入、输出匹配电路,其中输入巴伦为螺旋型Marchand巴伦,使电路输入输出端具有奇偶次谐波相互隔离的特点,不仅抑制了输出奇次谐波,而且增加了线间的耦合,显著减小了芯片的面积.在设计软件对电路进行仿真优化的基础上,经过实际流片并对芯片进行了测试,实现了输入功率为15 dBm时,输出频率在44～60 GHz处,输出功率大于-1 dBm,变频损耗小于16 dB,对基波和各次谐波抑制度大于30 dBc的技术指标.芯片实际尺寸为1.45 mm×1.1 mm.     

一种2.4GHz的CMOS注入锁频倍频器

介绍了一种用于频率综合器的2.4GHz CMOS注入锁频倍频器的设计和实现.从理论上重点分析了模拟倍频器的锁频范围和相位噪声特性.当电源电压为3.3V,输入信号为400mV时,电路输出幅度为1.04V,功耗为4.95mW,未经电容阵列补偿时倍频器的锁频范围达到113.7MHz.电路应用在单片集成的蓝牙发接器中,通过频率测试验证了电路功能的正确性.