冰云探测对于提高天气预报准确性、监测极端天气现象等具有重要的意义.考虑到冰云粒子尺寸、形状分布等因素, 利用太赫兹频段被动遥感仪器能更好地解决冰云探测的难题.664 GHz作为一个重要的探测频点, 其接收机射频前端主要包括664 GHz二次谐波混频器、332 GHz二倍频器以及166 GHz大功率源.作者在太赫兹二倍频设计的基础上, 利用两路功率合成技术实现166 GHz大功率源, 目的是提供给后级的332 GHz二倍频器足够的输入功率, 从而能够驱动谐波混频器工作.实验结果表明, 上述大功率源在164~172 GHz频率范围内输出功率大于46 mW; 在168 GHz处有最大输出功率59 mW.以上研究有效解决了本振链路中G波段输出功率不足的问题, 为研制更高频段的太赫兹系统提供了技术支撑.

采用滤波器综合分析方法, 基于分立式AlGaAs/GaAs异质结PIN二极管, 根据其等效寄生参数, 综合出单刀二掷开关集**数滤波器模型, 以此分析其等效分布参数电路, 设计出了118 GHz星载辐射计用单刀二掷开关准单片, 开关电路尺寸6×2.5×0.1 mm3.通过开关模块封装用波导-微带过渡和键合金带插损的分析研究, 研制出了低插损的118 GHz开关模块, 在110~120 GHz, 测得开关插损小于3.0 dB, 插损典型值2.6 dB；开关隔离度大于22 dB；开关响应时间、导通时间、关断时间、恢复时间分别小于18 ns、20 ns、10 ns、18 ns, 该准单片作为通道切换开关可集成应用于118 GHz收发组件中.

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.

为了在亚毫米波波段进行遥感探测, 研制了450GHz的二次谐波混频器.混频器的核心部件是一对反向并联的肖特基二极管, 长度为74μm, 截止频率高达8THz.在石英基片上搭建悬置微带的匹配电路, 并采用一分为二的金属腔体.在二极管的仿真中获得二极管管芯的输入阻抗, 然后考虑二极管的封装、匹配电路, 仿真得到混频器的单边带变频损耗为8.0dB, 所需本振功率为4mW.测试表明, 本混频器的单边带变频损耗的最佳值为14.0dB, 433~451GHz之间的损耗小于17.0dB, 3dB带宽为18GHz, 所需的本振功率为5mW.

结合国内现有的加工工艺水平, 提出自偏置条件下的反向并联二极管对电路结构.不但解决了三倍频器偏置电路加工的难题, 而且可以有效实现奇次倍频.同时, 利用HFSS和ADS软件, 以场路结合的方式准确模拟三倍频器的电特性, 考虑到寄生参数引入的影响.设计完成以后, 器件加工以及电装过程均在国内完成.测试结果表明在221GHz处, 有最大输出功率3.1mW, 在219～227GHz频率范围内输出功率均大于2mW.以上研究为今后设计高效率亚毫米波倍频器提供重要的参考价值.

基于分立式GaAs肖特基势垒二极管, 研制出了190~225GHz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202GHz, 测得最高倍频效率为9.6%, 当输入驱动功率为85.5mW时, 其输出功率为8.25mW;在190~225GHz, 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%.

利用GaAs肖特基平面二极管, 基于石英薄膜电路工艺, 采用场和路相结合的综合分析方法, 研制出了两个不同频率带宽的倍频器.在场软件中, 二极管非线性结采用集总端口模拟, 以提取二极管的嵌入阻抗, 设计二倍频器的无源匹配电路, 优化倍频的整体电路性能, 提取相应的S参数文件, 分析倍频器的效率.150 GHz二倍频器在149.2 GHz测得最高倍频效率7.5%, 在147.4～152 GHz效率典型值为6.0%; 180 GHz二倍频器在170 GHz测得最高倍频效率14.8%, 在150～200 GHz效率典型值为8.0%.