305-315GHz边带抑制混频器及其应用

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太赫兹(THz)波频率为100GHz10THz,是介于微波和红外光波之间的电磁波。特殊的频谱位置使太赫兹波兼具微波和光波的特性,可以应用于通信,雷达,大气监测,生物医学等多个领域,也越发受到国内外学者的广泛关注。在太赫兹无线通信中,采用双边带通信中需要保证收发机中的混频器严格同源(即,使用同一个本振源),以免频率偏移导致接收到的信号缺失甚至乱码以至于无法解析的情况。实际通信中,严格同源是无法实现的,所以双边带通信不适用于太赫兹频段,采用单边带通信是最佳途径。而混频器作为太赫兹收发系统的关键器件,用于实现单边带通信的边带抑制混频器有重要的研究意义和应用价值。本文首先介绍了课题研究背景和国内外发展动态,分析了基于反向并联二极管对的分谐波混频基本原理。根据边带抑制的需求,研制了一个可集成于混频器中的抑制上边带的腔体滤波器,滤波器基于TE102/TE301双模谐振腔,具有可控的传输零点,良好的矩形系数,有一个传输零点位于316.4GHz,低插入损耗,对称结构易加工。在此基础上,采用传统的分部研究方法,先优化边带抑制混频器的几个无源单元电路模块,建立了反向并联的肖特基二极管对模型,后仿真边带抑制混频器整体电路性能,进行匹配优化研究。采用波导滤波匹配和微带滤波匹配,将与边带抑制滤波器集成后的射频过渡部分和本振低通滤波部分匹配至二极管两端,实现二极管两端微带电路的小型化。在取得良好仿真结果的基础上,通过加工测试,得到本文研制的边带抑制混频器在本振频率为158GHz,本振功率2.5mW的条件下,305315GHz的变频损耗低于13dB,最佳变频损耗低于9dB,带外抑制大于60dB,边带抑制效果良好。本文创新性的通过集成TE102/TE301双模滤波器实现上边带抑制,并且通过波导滤波匹配和微带滤波匹配二极管,实现了二极管两端的微带电路小型化。最终完成了305315GHz的边带抑制混频器的研制,并展开了实验研究。在本振频率为158GHz,本振功率2.5mW的条件下,取得了大于60dB的带外抑制,且频带内变频损耗低于13dB。通过本文的研究,太赫兹波无线通信未来走向实际应用的可行性得以验证,为未来太赫兹无线通信应用奠定了重要的理论和技术基础。
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