太赫兹GaAs肖特基二极管模型建立与仿真

太赫兹肖特基二极管的建模是设计太赫兹倍频器的首要任务,模型建立准确与否关系着太赫兹倍频器的整体性能。根据GaAs半导体掺杂理论给出二极管n层和n++层的电导率,通过低频仿真并结合经验公式给出R s值。在此基础上对二极管的整体模型进行分离管芯,把二极管的线性区和管芯的非线性区分别放到HFSS软件和ADS软件中进行仿真,将线性区仿真的S参数导入到ADS软件中构成完整的模型。建立好的完整模型进行188 GHz二次倍频仿真验证,输出结果对奇次谐波抑制明显,倍频损耗为5 dB。

基于GaAs肖特基二极管的330 GHz接收前端技术研究

基于GaAs肖特基二极管,设计实现了310~330 GHz的接收机前端.接收机采用330 GHz分谐波混频器作为第一级电路,为降低混频器变频损耗,提高接收机灵敏度,分析讨论了反向并联混频二极管空气桥寄生电感和互感,采用去嵌入阻抗计算方法,提取了二极管的射频、本振和中频端口阻抗,实现了混频器的优化设计,提高了变频损耗仿真精度.接收机的165 GHz本振源由×6×2倍频链实现,其中六倍频采用商用有源器件,二倍频则采用GaAs肖特基二极管实现,其被反向串联安装于悬置线上,实现了偶次平衡式倍频,所设计的倍频链在165 GHz处输出约10 dBm的功率,用以驱动330 GHz接收前端混频器.接收机第二级电路采用中频低噪声放大器,以降低系统总的噪声系数.在310~330 GHz范围内,测得接收机噪声系数小于10.5 dB,在325 GHz处测得最小噪声系数为8.5 dB,系统增益为(31±1)dB.

基于GaAs肖特基二极管的220GHz线阵列被动接收前端

基于GaAs肖特基二极管,研制了1×4多像素220 GHz线阵列被动接收前端,接收前端的每个接收通道包含一个W波段三倍频器和一个220 GHz分谐波混频器。三倍频器使用两个以串联结构集成4个肖特基结的二极管芯片实现平衡式倍频模式;220 GHz分谐波混频器使用一对反向并联结构的GaAs肖特基二极管实现混频功能。室温下输入功率为100 mW,三倍频器在90~110 GHz频带范围内功率效率超过5%;当本振动率为4 mW时,谐波混频器在200~220 GHz频带内变频损耗小于9 dB。接收前端的单个通道通过上机测试,成像性能良好。该接收前端尺寸为40 mm×38 mm×26 mm,可广泛应用于各种毫米波成像检测系统。

3毫米GaAs肖特基势垒混频二极管

南京电子器件研究所已研制成3mm GaAs肖特基势垒混频二极管,其使用频率可达100GHz以上。混频管使用频率愈高,要求结电容C_j愈小。本器件C_j设计值为0.007pF(考虑边缘效应)。如此小的结电容必须通过减小势垒结直径来获得,而小的结直径将增加非线性电导固有变频损耗,增大串联电阻。 为降低器件的噪声温度比和变频损耗,提高高频优值,需要获得近乎理想的肖特基势垒,使理想因子n趋近于1,同时最大限度地降低串联电阻Rs,使Rs和C_j的乘积减至最小。因此适当提高GaAs外延层浓度,在满足击穿电压和烧毁的前提下,减薄外延层总厚度,提高外延层浓度的分布陡度以减小串联电阻Rs。

GaN太赫兹肖特基变容二极管倍频效率的研究

本文使用Sentaurus仿真工具对恒定掺杂和渐变掺杂两种典型掺杂的GaN太赫兹肖特基变容二极管进行了仿真研究。着重研究了两种掺杂方式下轻掺杂外延层掺杂浓度对变容二极管的C-V特性和倍频效率的影响。通过数字滤波求解输入频率300GHz幅值8V的正弦电压在偏置电压为-8V时产生的各频率分量,计算出具有不同掺杂浓度的GaN二极管的倍频效率。结果显示,在仿真掺杂浓度范围内并且不考虑外围电路影响的前提下,恒定掺杂的GaN变容二极管的二倍频效率最大值为32.5%,三倍频效率最大值为16.1%;而采用渐变掺杂方式能够显著提高二极管的倍频效率,在仿真的掺杂浓度范围内,二倍频与三倍频效率均最大能提高50%左右。通过理论推导和仿真结果的计算揭示了决定掺杂浓度与倍频效率之间的关系变化趋势的内在因素。本文的研究对GaN肖特基变容二极管的倍频效率进行了理论预测,并提出了渐变掺杂提高倍频效率的解决方案,这对后续的器件设计与制备具有指导意义。

阳极端点支撑空气桥结构太赫兹GaAs二极管

研发了具有阳极端点支撑悬浮空气桥结构的太赫兹GaAs肖特基二极管工艺制作技术。该制作技术可以大幅降低GaAs肖特基二极管的寄生电容。利用此项技术,制作出了具有极小寄生电容和串联电阻的太赫兹GaAs肖特基二极管。GaAs肖特基二极管芯片采用了小尺寸芯片设计,芯片厚度为25μm、芯片长度为175μm、芯片宽度为55μm,其中单阳极GaAs肖特基二极管的结电容小于4 fF,串联电阻小于5Ω,总电容的典型值为7～8 fF。根据GaAs肖特基二极管的总电容(CT)计算,二极管的截止频率(fc)高达3.9 THz。这种GaAs肖特基二极管适合应用在太赫兹频段上。

基于倒扣技术的190～225GHz肖特基二极管高效率二倍频器（英文）

基于分立式GaA s肖特基势垒二极管,研制出了190~225 GHz高效率二倍频器.50μm厚石英电路利用倒扣技术,实现二极管的良好散热、可靠的射频信号及直流地.通过数值分析方法,二极管非线性结采用集总端口模拟,提取二极管的嵌入阻抗,以设计阻抗匹配电路.在202 GHz,测得最高倍频效率为9.6%,当输入驱动功率为85.5 mW时,其输出功率为8.25 mW;在190~225 GHz,测得倍频效率典型值为7.5%;该二倍频器工作频带宽、效率响应曲线平坦,性能达到了国外文献报道的水平.

基于NEDI砷化镓肖特基二极管的D波段和G波段倍频源

基于南京电子器件研究所（NEDI）的GaAs工艺线，通过分析器件的有源层（缓冲层、外延层）材料掺杂浓度和厚度、肖特基接触面积等，综合优化二极管性能，研制出了截止频率为3.2THz的太赫兹变阻二极管.基于该二极管，通过建立其三维场结构，采用电磁场和电路仿真软件相结合的方法，一体化设计匹配电路和器件，研制出了D波段和G波段倍频源.D波段二倍频器在152.6GHz测得最高倍频效率为2.7%，在147.4～155GHz效率典型值为1.3%.G波段二倍频器在172GHz测得最高倍频效率为 2.1%，在150～200GHz效率典型值为1.0%.

基于肖特基二极管的275 GHz三倍频器研制

为达到接收机中550 GHz混频器前端本振源的输出功率,对核心器件倍频器进行了研究。采用固态电子器件的方式设计并实现了275 GHz非平衡式三倍频器。通过建立理想倍频器电路模型,分析了肖特基二极管管芯参数对整体倍频器性能的影响,并对电路中等效电容、电感值及输入输出匹配端阻抗和相位进行了优化设计,以提升带外抑制特性和倍频效率。实测结果表明,该三倍频器在270~280 GHz工作频带内倍频效率最大值为10.75%,输出功率大于5 mW;当驱动功率为23 dBm时,最大输出功率为12.6 mW,满足驱动后级混频器工作的功率需求。

星载微波功放二极管线性化器研究

文章讨论了两种应用GaAs肖特基二极管实现的线性化器。首先进行了原理分析,之后给出了具体的电路形式和仿真结果,最后得出这两种结构线性化器是否适合星载微波功放的结论。

无基片空间合成的220 GHz三次倍频电路研究

基于四阳极结同向串联型GaAs平面肖特基二极管,设计并实现了无基片空间合成的220GHz三次倍频电路。采用四支肖特基二极管协同工作,在脊波导小片上下两侧各倒装焊接两支肖特基二极管,构成上下反向结构。采用场路结合的方式,对倍频电路的倍频效率进行了仿真。仿真结果显示输入功率为300 mW,输出频率为213～229 GHz时,倍频效率大于3%;采用E波段功率放大器推动三次倍频电路,获得了倍频器输出功率。测试数据表明,驱动功率为300m W时,输出频率为213～229GHz时,输出功率大于5 dBm,倍频效率为1%～2%。

664GHz接收前端技术研究

基于X波段源,通过9×2×2次倍频链实现了输出约1-2m W的320-356GHz全固态倍频源。该信号源作为本振信号驱动664GHz接收前端的二次谐波混频器,该混频器采用了有源偏置技术以降低混频器的本振驱动功率和接收机的噪声温度。仿真结果表明,混频二极管在0.3m W本振驱动功率及0.35V直流偏置下,在650-680GHz带宽内,仿真得到的单边带变频损耗小于12d B,666GHz最小损耗为10.8d B。

200~220GHz平衡式高效率二倍频器

基于GaAs肖特基势垒二极管(SBD)芯片,研制了工作频率为200~220 GHz的二倍频器。采用抑制奇次谐波的平衡式电路拓扑结构以提高转换效率;采用击穿电压为-9 V的GaAs SBD并结合多阳极结结构芯片以提高输出功率;采用低阻微带线以减小波导短路面处的阻抗失配;采用三维电磁场仿真与谐波仿真结合的方法对二倍频器进行仿真。制作了二倍频器样品并对其输出功率、转换效率以及高/低温特性进行测试。测试结果表明该二倍频器在200~220 GHz的转换效率均大于10%,在215 GHz下实现了13.5 mW的输出功率和23.6%的转换效率。该二倍频器具有宽频带、高转换效率以及高/低温工作稳定等特点,可应用于下一代太赫兹通信、雷达等设备。

W频段二次谐波I/Q调制混频器的设计

基于自主研发Ga As肖特基二极管(SBD)设计了一款工作于W频段的二次谐波混频器,实现了对射频(RF)信号的I/Q调制。建立了二极管模型,利用电路结构走线长度控制信号流,实现了宽频带内的射频信号混频,并基于此通过HFSS和ADS联合仿真,完成了W频段二次谐波混频器设计。测试结果显示,采用45 GHz信号作为本振信号源,射频80～89 GHz与91～100 GHz的频带范围内变频损耗低于17 dB,最低变频损耗为12 dB; 1 dB压缩功率大于11 d Bm。仿真结果显示,80～89 GHz与91～100 GHz的镜频抑制效果明显,最好频点镜像抑制达到20 d B。相比于W频段Ga As pHEMT(赝晶型高电子迁移率晶体管)混频器,所设计的GaAs肖特基二极管混频器在较低变频损耗的情况下,具有工艺简单、易实现、高线性度、宽带匹配、高镜像抑制等优点,芯片尺寸仅为1 mm×1mm。该款W频段混频器达到了目前国内较高水平。

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。

0.2THz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50μm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(Pin≈100 mW)和大功率(Pin≈300 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300mW驱动功率下采用自偏压测试,在188~195 GHz,输出功率大于10mW,最大输出功率为35 mW@192.8 GHz,对应倍频效率为11%。

一种宽带无源双平衡倍频器MMIC的设计

基于GaAs肖特基二极管工艺,设计了一款输入频率覆盖11~21 GHz的宽带双平衡二倍频单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片。通过仿真优化,设计出幅度和相位平衡性良好的超宽带宽巴伦,同时利用相位相消技术,有效抑制奇次谐波,在输出端得到所需的二次谐波信号,提高输出信号的频谱纯度。该倍频器集成了放大器,在整个工作频段内,当输入功率为0 dBm时,二次谐波输出功率均大于3 dBm,基波抑制度优于37 dB,三次谐波抑制度优于26 dB,尺寸仅为2.1 mm×0.8 mm,可以广泛用于微波收发系统的小型化设计。