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。     

基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器

太赫兹波成像技术在人体安检、医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。文中面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求,设计实现了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器。该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和CMOS读出电路通过倒装互连实现,阵列规模达到3232。探测器阵列中具有对管差分功能的像元设计通过提高探测器的电压响应度和抑制共模电压噪声,提高了焦平面成像的灵敏度。焦平面成像传感器的输出模拟信号通过片外的模数转换（ADC）芯片转化为数字信号,由现场可编程门阵列（FPGA）采集后通过Camera Link图像数据与通信接口发送到计算机。利用该焦平面成像传感器,演示实现了太赫兹光斑、太赫兹干涉环和太赫兹光照下的旋转塑料叶片的视频成像,帧频达到30 Hz。     

GaAs肖特基二极管中不连续性电路仿真分析

在太赫兹技术应用系统中,太赫兹混频器是太赫兹接收前端的关键部件,而太赫兹肖特基二极管是太赫兹混频器的核心器件。本文采用信号完整性的方法对肖特基二极管在无源区的特性进行建模分析,并对不连续性、寄生电容等参数进行分析。根据肖特基二极管设计的物理参数,如尺寸、材料的介电常数等,在高频结构仿真器(HFSS)中对肖特基二极管进行建模。通过多次建模仿真,最终给出肖特基二极管的等效电路模型。通过对比 HFSS中提取二极管欧姆焊盘的S参数和 Ansoft-designer中对二极管欧姆焊盘的等效电路进行仿真得到的S参数,证明了等效电路的合理性。该模型可以应用在对太赫兹混频器的电路级仿真中。     

基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究

设计了一款太赫兹准光探测器, 该探测器主要由砷化镓肖特基二极管芯片以及高阻硅透镜组成.为了减小所设计芯片的欧姆损耗, 将天线图案生长在了半绝缘砷化镓层上.在335～350GHz频率范围内, 准光探测器的实测电压响应率为1360～1650V/W, 双边带变频损耗为10.6～12.5dB.对应估算的等效噪声功率为1.65～2pW/Hz1/2.基于所设计的准光探测器进行了成像实验, 该实验分别在直接检波和外差探测两种模式间进行, 成像结果表明所设计的太赫兹准光探测器能够满足太赫兹成像方面应用.     

THz主动焦平面成像系统的MRC匹配滤波器模型

太赫兹焦平面成像技术具有成像分辨率高、时间周期短、系统简单,体积小等诸多优点,在安检和工业检测等领域具有广泛的应用前景。由于目前太赫兹焦平面器件灵敏度尚低,大多只能采用主动成像模式,且目前尚没有较公认可测试的THz主动成像系统性性能评价参数及其模型,难以为其系统设计提供理论基础和方法指导。本文结合太赫兹射源及焦平面探测器特性,同时考虑目标-背景特性、大气衰减及器件衰减等影响,研究建立了太赫兹主动成像系统的最小可分辨对比度匹配滤波器模型。并结合文献示例以及实际太赫兹焦平面主动成像系统的测试结果,验证了最小可分辨对比度模型。结果表明：实验测量值和计算值基本一致,误差在合理范围之内,从而表明了本文模型的有效性。     

基于肖特基二极管的太赫兹功率探头研究

目前的太赫兹功率探头主要采用热敏电阻和热电偶作为功率检测器件,测量速度较慢。肖特基二极管具有较快的检波速度,但是在太赫兹频段检波灵敏度降低,功率检测实现的难度很大,本文对基于肖特基二极管的太赫兹功率探头设计技术进行研究,采用双平衡检波、渐变波导匹配、小信号斩波放大、温度补偿等技术,实现了肖特基二极管在太赫兹频段的高灵敏度、高稳定性功率检测,试验结果表明:0.11THz~0.325THz频段端口驻波比优于1.35,灵敏度优于-40d Bm。     

基于肖特基二极管的太赫兹功率探头研究

目前的太赫兹功率探头主要采用热敏电阻和热电偶作为功率检测器件,测量速度较慢。肖特基二极管具有较快 的检波速度,但是在太赫兹频段检波灵敏度降低,功率检测实现的难度很大,本文对基于肖特基二极管的太赫兹功率探 头设计技术进行研究,采用双平衡检波、渐变波导匹配、小信号斩波放大、温度补偿等技术,实现了肖特基二极管在太 赫兹频段的高灵敏度、高稳定性功率检测,试验结果表明：0.11THz~0.325THz 频段端口驻波比优于1.35,灵敏度优于 -40dBm。     

太赫兹肖特基二极管技术研究进展

太赫兹肖特基二极管是太赫兹应用领域中非常重要的一种器件,它可以实现高频信号的混频和倍频,研制发展太赫兹肖特基二极管对于太赫兹技术有重要意义。本文首先介绍了太赫兹肖特基二极管的种类及性能表征,接着介绍国内外主要研究机构在太赫兹肖特基二极管方面的研制成果和进展,最后总结出研制太赫兹肖特基二极管的关键技术和发展方向。     

基于肖特基二极管单片集成芯片的340GHz收发链路

针对太赫兹通信及成像等系统对高集成度射频收发链路的需求,在自主研制的太赫兹肖特基二极管的基础上,建立了器件的精确模型,设计并制备出基于二极管的倍频/混频单片集成芯片,解决了传统二极管装配难度大、一致性差的难题,提高了器件的性能。成功研制出170 GHz、340 GHz倍频器和340 GHz混频器模块,并且开发出集成化的340 GHz发射与接收链路。发射端一体化模块实现了342 GHz功率为22 mW的输出,接收端一体化模块实现了330～350 GHz单边带变频损耗在10 dB上下。该模块的开发为未来太赫兹通信及成像技术的应用奠定基础。     

基于平面肖特基二极管的太赫兹频段倍频器的研究

基于研究肖特基变容二极管的半导体层结构分析与建模,通过研究太赫兹平面肖特基势全二极管半导体材料的 物理层结构,分析二极管结构的电磁效应及其频率响应特性。研究D 频段变容二极管高效率倍频器技术,在太赫兹频段 倍频器的性能对整个接收机的性能有着至关重要的影响。要实现高频率,高功率,宽频带,高效率,低噪声太赫兹倍频 技术是太赫兹技术领域的核心研究方向之一。研究基肖特基二极管倍频器的关键技术,分析了国内外现状及发展动态。     

0.67 THz宽带谐波混频器设计

为研制太赫兹多频段高灵敏度探测仪,依靠太赫兹砷化镓平面肖特基二极管的非线性特性,结合石英薄膜工艺,设计了宽带0.67 THz谐波混频器,并分析了砷化镓平面肖特基二极管性能表征参数指标对太赫兹混频器性能的影响。0.67 THz谐波混频器采用整体综合的设计方法,结合电气仿真软件ADS和电磁仿真软件HFSS,优化电路中不连续性微带与波导之间的电磁空间耦合效率,以混频器的变频损耗为优化目标,最终实现0.67 THz谐波混频器仿真设计。0.62~ 0.72 THz射频范围内,混频器单边带最低变频损耗小于8 dB,本振功率小于4 mW,本振端口与中频端口、射频端口与中频端口之间隔离度大于-30 dB。     

NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

The photoconductive (PC) antenna is a key device for the recent terahertz (THz) photonics based on laser-pumped generation and detection of THz radiation. In this paper we report on two new types of PC antennas: the Schottky PC antenna and the multi-contacts PC antenna. The former one is able to detect THz radiation intensity without the time-delay scan and useful for applications where spectroscopic information is not important, such as the THz intensity imaging. The latter one is useful for the polarization sensitive THz spectroscopy, such as the THz ellipsometry. The characteristic features of these new types of PC antennas are studied by using a THz time-domain spectroscopy system.     

A terahertz focal plane array using HEB superconducting mixers and MMIC IF amplifiers

We present a focal plane array (FPA) designed for operation at terahertz frequencies. The FPA is based on NbN phonon-cooled hot electron bolometer mixers directly coupled to wide-band microwave monolithic integrated circuit IF amplifiers. The array incorporates all the required dc-bias and IF circuitry in a compact split-block design. We present new experimental results describing the optical coupling efficiency to the array, as well as receiver noise temperature measurements. The measurements were performed at 1.6 THz, showing good agreement with theoretical predictions. This is the first low-noise heterodyne focal plane array to be reported for any frequency above 1 THz.     

Design and Imaging Application of Room-Temperature Terahertz Detector with Micro-Bolometer Focal Plane Array

Room-temperature terahertz (THz) detectors indicate a great potential in the imaging application because of their real-time, compact bulk, and wide spectral band responding characteristics. THz detectors with different dimensions based on a micro-bridge structure have been designed and fabricated to get optimized micro-bolometer parameters from the test results of membrane deformation. A nanostructured titanium (Ti) thin film absorber is integrated in the micro-bridge structure of the VOx micro-bolometer by a combined process of magnetron sputtering and reactive ion etching (RIE), and its improvement of THz absorption is verified by an optical characteristics mesurement. Continuous-wave THz detection and imaging are demonstrated by using a 2.52 THz far infrared CO2 laser and a 320240 vanadium oxide micro-bolometer focal plane array with an optimized cell structure. With this detecting system, THz imaging of metal concealed in a wiping cloth and an envelope is demonstrated, respectively.     

（英）一种基于透镜天线的宽带太赫兹准光检波器

设计了一种能够工作在140~325 GHz频带的宽带准光检波器,由一颗高阻硅透镜和单片集成检波芯片组成.设计并加工出双缝天线,在天线馈电端集成了肖特基二极管,该紧凑结构使其能够接收空间中的太赫兹辐射并转换为基带信号.为增强片上天线的方向性,利用MLFMM算法进行了扩展半球硅透镜的设计和优化,实现了良好的辐射特性.通过测试,天线在220 GHz和324 GHz处的辐射增益分别为26 dB和28 dB.在140~325 GHz,检波器测试得到的响应率可达到1 000~4 000 V/W,对应的等效噪声功率(NEP)估算为0.68~273 pW/Hz.     

倒装焊结构对太赫兹对数周期天线的影响

设计了一种倒装焊结构,用于340GHz的肖特基二极管探测器。探测单元是基于砷化镓（GaAs）工艺设计的。薄膜陶瓷支撑层旨在为太赫兹检测单元提供封装。通常,导电胶用作天线和输出电路之间的附接。分别对倒装焊结构和无倒装焊结构（类引线键合结构）模型对太赫兹接收天线性能的影响进行研究。为了比较的目的,使用相同的测试系统表征FC结构模型和无FC结构模型（引线键合结构）。通过引线键合与倒装焊测试增益的结果比较,表明倒装焊结构可以作为大规模太赫兹检测阵列封装的低成本解决方案。     

Terahertz Imaging System for Medical Applications and Related High Efficiency Terahertz Devices

A terahertz (THz) imaging system and high efficient terahertz sources and detectors for medical applications were developed. A fiber laser based compact time domain terahertz tomography system was developed with a high depth resolution of less than 20 μm. Three-dimensional images of porcine skin were obtained including some physical properties such as applied skin creams. The discrimination between healthy human tissue and tumor tissue has been achieved using reflection spectra. To improve the THz imaging system, a ridge waveguide LiNbO₃ based nonlinear terahertz generator was studied to achieve high output power. A ridge waveguide with 5-7 μm width was designed for high efficiency emission from the LiNbO₃ crystal by the electro-optic Cherenkov effect. Terahertz electronic sources and detectors were also realized for future imaging systems. As electronic source devices, resonant tunneling diode (RTD) oscillators with a patch antenna were fabricated using an InGaAs/InAlAs/AlAs triple barrier structure. On the other side, Schottky barrier diode (SBD) detectors with a log-periodic antenna were fabricated by thin-film technology on a Si substrate. Both devices operate above 1 THz at room temperature. This electronic THz device set could provide a future high performance imaging system.     

单片式红外焦平面阵列的进展

本文着重介绍金属硅化物肖特基势垒红外探测器阵列（MSSBIRDA），碲汞电荷注入器件（HgCdTeCID)，电荷成像矩阵（CIM），锑化铟电荷注入器件（InSbCID)以及砷化镓／砷铝镓（GaAs/GaAlAs)多量子阱单片式红外焦平面阵列的现状。     

GaAs样品对太赫兹微带线频谱特性的影响

太赫兹片上系统是近年来太赫兹研究的热点,是太赫兹系统集成的关键技术。太赫兹微带线（MSL）是太赫兹片上系统的关键,微带线设计的合理性,直接影响着太赫兹片上系统的灵敏度和准确度,为了更好地制作片上系统,以理论模型为参照,利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对太赫兹传输线及带阻滤波结构进行了系统的仿真研究。首先研究了微带线结构、微带带阻滤波结构的传输特性,并从应用的角度首次将样品引入仿真模型,研究了以GaAs为例的介电样品对微带滤波结构的滤波特性的影响。设计了358 GHz的微带滤波器结构,并通过改变放置在其上的GaAs样品参数,发现样品对微带滤波结构的中心滤波频率有明显影响。为太赫兹微带线的设计制作提供了精确的理论数据。