140GHz高速无线通信技术研究

太赫兹频段的宽带特性使得其在高速无线通信领域存在巨大的应用潜力,当前太赫兹通信存在的主要问题是辐射功率低、大气衰减严重及调制解调困难.该文在提出了基于“肖特基二极管次谐波混频技术+16 QAM高速数字调制解调技术”的太赫兹波超高速信息传输系统实现方案,该方案提高了太赫兹通信的频谱效率.并在国内首次实现了140 GHz无...     

140 GHz关键射频组件研究

在基于超外差体制的太赫兹无线通信系统接收机和发射机中,混频器、滤波器和本振源是决定系统性能的关键器件。本文分别针对基于肖特基二极管技术的140 GHz次谐波混频器、基于微机电系统（MEMS）体硅工艺的140 GHz带通滤波器和V波段毫米波本振倍频源的仿真设计和关键工艺开展了研究。测试结果表明：140 GHz次谐波混频器单边带转换损耗为26 dB,140 GHz带通滤波器的带内插损为8 dB,V波段毫米波本振倍频源最大输出功率大于50 mW（63.2 GHz~67.2 GHz）。     

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。     

基于3 dB 定向耦合器的0.14 THz 功率分配器设计方法

介绍了一种基于3 dB 定向耦合器的0.14 THz 功率分配器设计方法。由于太赫兹频段的器件尺寸越来越小型化、微型化,特别是对于功率分配器中的核心结构,造成精密机械加工方式难以实现。典型的波导3 dB 定向耦合器结构是90电桥结构,其耦合缝隙之间的间距仅有不到0.5 mm,这样的尺寸是机加时产生的应力难以承受的。通过分析波导定向耦合器支路间的相位关系得出:如果耦合缝隙的间距增加到半波长的整数倍,支路间的相位差仍为90,但这样变化的结果是带宽的降低。通过耦合缝隙间距的适度增加,降低了机加的难度,工作相对带宽降到10%。经仿真分析,结果得到了验证。加工的样品测试结果表明,在0.133 ~0.147 THz 的频率范围内,插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB。     

宽带锁相扫频源设计

根据给出的扫频源设计指标,对PLL＋DDS常用组合方式DDS激励PLL和PLL内插DDS进行了分析比较,确定了一种将两种组合方式的优点充分结合起来新的组合设计方案,并对这种方案进行了可行性分析.分析表明,这种组合方式有效地减小了倍频次数N,实现了宽带低相位噪声,同时利用DDS的超高频率分辨率、高频率精确度、容易实现程控等优点与锁相环良好的窄带跟踪滤波特性相结合,实现了细步长、可程控的宽带扫频功能.实验结果证明了方案的正确性.     

340 GHz稀疏MIMO阵列实时3-D成像系统

介绍了一种基于稀疏MIMO(Multiple Input and Multiple Output)阵列的340 GHz三维成像系统.系统采用水平放置的4发16收稀疏MIMO阵列配合垂直维的聚束扫描实现方位维的高分辨成像,每个发射通道的波形为16GHz带宽的线性调频连续波信号,通过脉冲压缩实现距离维的高分辨.测试结果表明,在4 m的探测距离(光程)上,成像系统方位向、垂直向和距离向的分辨率分别达到14 mm、10 mm和12 mm,通过对人体隐藏枪支的三维成像实验验证了系统对人体携带危险品的探测能力.     

140 GHz二倍频器的研制

太赫兹通信中本振链输出功率无法满足实际需求,因此提出一种基于肖特基变容二极管的宽带、高效率140 GHz 二倍频器设计方案。该倍频器结构基于波导腔体石英基片微带电路的混合集成方式实现。采用三维有限元与非线性谐波平衡联合仿真方法,实现了倍频器的最优化设计。根据仿真结果,完成了140 GHz二倍频器的加工、制作与测试工作。实测结果表明,在20 dBm的驱动功率下,倍频器的输出功率最高达6.6 mW,倍频效率7.15%;输入功率23 dBm对应的最大输出功率可达11.2 mW。该器件的成功研制使得实现太赫兹通信中的本振链成为可能。     

0.67 THz高分辨力成像雷达

为达到厘米甚至亚厘米级的成像分辨力,从电子学角度出发,设计并构建了0.67 THz线性调频连续波(FMCW)成像实验平台。平台通过将Ka波段带宽1.2 GHz、功率2 W的线性调频信号24倍频,获得0.66 THz~0.688 8 THz的发射信号,功率约为1.2 mW,接收端的回波经过谐波混频完成去斜(Dechirp)形成2.4 GHz中频信号,二次变频后经高速采样送入信号处理机箱完成成像。雷达发射信号带宽为28.8 GHz,经系统非线性校正处理后,成像分辨力达到1.3 cm,验证了太赫兹雷达的高分辨成像能力。     

基于自旋电子学的太赫兹波产生方法

自旋电子学的某些物理现象,如交换型磁振子、反铁磁共振、超快自旋动力学等,其特征频率刚好处于太赫兹频段。利用相应的自旋电子学现象和原理,研究人员发现和建立了若干新型的太赫兹波产生方法,为新型太赫兹源的实现和发展提供指导方向。这些新型产生方法有:a)自旋注入产生太赫兹波;b)基于反铁磁共振的太赫兹波产生;c)基于超快自旋动力学的太赫兹波产生。理论及实验结果表明,基于自旋电子学的太赫兹产生方法具有较大的潜力,有望推动太赫兹技术的发展。     

0.14 THz倍频器的设计与仿真

固态倍频器是毫米波及亚毫米波频段超外差接收机中的关键器件,其研制对太赫兹通信具有重要意义。介绍了一种基于肖特基变容二极管的宽带、高效率0.14 THz二倍频器的拓扑结构和仿真设计。该倍频器基于波导腔体石英基片微带电路形式,通过引线互联分别实现肖特基二极管接地和施加外部直流偏置,倍频器各部分采用了宽带电磁耦合结构设计。在开展了二极管建模及阻抗特性分析的基础上,采用三维有限元与非线性谐波平衡联合仿真方法,实现了倍频器的最优化设计。仿真结果表明,当输入频率为65 GHz~75 GHz,驱动功率为20 dBm时,倍频器的输出功率最高达10.1 dBm,倍频效率达10.8%。