基于六阳极结反向串联型砷化镓平面肖特基容性二极管，采用平衡式二倍频器结构，成功研制出一种大功率150?GHz二倍频器。使用三维电磁场与非线性谐波平衡联合仿真方法，提高了仿真结果和实际的吻合度，并根据设计结果完成倍频器的加工、装配和测试。倍频器在输出频率为146~158?GHz下的倍频效率达到7%以上；在输出频率为154?GHz时，倍频效率达到12%，输出功率达到71?mW。

通过单片集成的方法,将工作于太赫兹频段(430 GHz)的三倍频器的各个功能电路集成在厚度为12 μm的砷化镓薄膜单片上,设计、制造太赫兹三倍频集成电路单片。单片结构采用一对反向并联连接的肖特基二极管,构成串联平衡式电路,电路不需要外加偏置电压。平衡式电路只产生奇数次谐波,简化了电路分析和优化过程。电路设计采用三维电磁仿真软件与谐波非线性仿真软件联合仿真场路的方法,准确模拟单片电路的射频特性。将单片电路安装在中间剖开的波导腔体内制成三倍频器进行测试,在430 GHz处测得输出功率为215.7 μW,效率为4.3%。

基于反向串联型砷化镓平面肖特基容性二极管,采用平衡式二倍频结构,研制出了一种190 GHz大功率输出二倍频器。使用三维电磁场与非线性谐波平衡联合的方法进行了仿真,并根据仿真结果完成了倍频器的加工、装配和测试。倍频器在182~196 GHz输出频率范围内的倍频效率可达8%以上;当输出频率为187 GHz时,倍频效率和输出功率可分别达到15.4%和85 mW。

根据反向并联二极管的外围结构和材料构成, 以四端口S参数包的形式建立了二极管结外围无源结构的三维电磁模型, 与非线性仿真软件中的肖特基结模型结合起来建立太赫兹二极管对的完整模型, 这样的处理方法提高了计算机仿真的准确性。分谐波混频电路制作在12 ?滋m厚度的砷化镓基片上, 单片电路悬置安装在本振和射频中间剖开的减高波导腔体内。在本振5 mW功率注入时混频单片在330 GHz的频带范围内最小插损为10 dB。因为单片集成电路以四个梁式引线与波导外壁柔性连接, 一端固定在波导壁上, 混频单片电路能够释放腔体随温度变化而产生的机械应力。

基于中国电子科技集团公司第十三研究所的反向并联肖特基二极管, 采用电磁场和电路软件联合仿真, 完成了0.22 THz分谐波混频电路设计。在固定中频输出频率10 MHz的条件下测试了混频电路的变频损耗, 在175~235 GHz 共60 GHz带宽内双边带变频损耗小于15 dB, 在196 GHz处最佳变频损耗为8.5 dB。测试结果与仿真结果趋势吻合良好。基于冷热负载, 测试了分谐波混频电路的噪声温度, 当本振功率为5.7 mW时, 在216 GHz处双边带噪声温度为1 200 K。

研究了一种基于石英基片的0.1 THz频段的鳍线单平衡混频电路, 混频电路的射频和本振信号分别从WR10标准波导端口通过波导单面鳍线微带过渡和波导微带探针过渡输入, 中频信号通过本振中频双工器输出。这是一种新型的混频电路形式, 与传统的W波段混频器相比, 混频电路可以省略一个复杂的W波段滤波器, 具有电路设计简单、安装方便的特点。该电路使用两只肖特基二极管通过倒装焊工艺粘结在厚度为75 μm的石英基片上, 石英基片相对传统基板, 可以极大提高电路加工精度。在固定50 MHz中频信号时, 射频90~110 GHz范围内, 0.1 THz混频器单边带变频损耗小于9 dB。

基于四阳极结反向串联型GaAs平面肖特基二极管, 设计并实现了0.2 THz宽带非平衡式二次倍频电路。肖特基二极管倒装焊接在75 ?滋m石英电路上。在小功率和大功率注入条件下, 测试了倍频电路的输出功率和倍频效率。输入功率在10~15 mW时, 通过加载正向偏置电压, 在210~224 GHz, 倍频效率大于3%, 在212 GHz处有最高点倍频效率为7.8%。输入功率在48~88 mW时, 在自偏压条件下, 210~224 GHz带内倍频效率大于3.6%, 在214 GHz处测得最大倍频效率为5.7%。固定输出频率为212 GHz, 在132 mW功率注入时, 自偏压输出功率最大为5.7 mW, 加载反向偏置电压为-0.8 V时, 输出功率为7.5 mW。

根据太赫兹平面肖特基二极管物理结构, 在理想二极管SPICE参数模型的基础上建立了二极管小信号等效电路模型。依据该二极管等效电路模型设计了基于共面波导(CPW)去嵌方法的二极管S参数在片测试结构, 并对其在0.1~50 GHz、75~110 GHz频率范围内进行了高频小信号测试, 利用测试结果提取了高频下二极管电路模型中各部分电容、电阻以及电感参数。将相应的高频下电容与电阻参数分别与低频经验公式电容值和直流I-V测试提取的电阻值进行了对比, 并利用仿真手段对高频参数模型进行了验证。完整的参数模型以及测试手段相较于理想二极管SPICE模型和传统的参数提取方法可以更为准确地表征器件在高频下的工作状态。该建模思路可用于太赫兹频段非线性电路的优化设计。

采用电磁场和电路联合仿真, 基于直流测试和三维电磁建模仿真技术, 建立了截止频率5 THz的混频肖特基二极管的等效电路模型。重点研究了二极管的非线性结模型和外围结构三维电磁全波仿真模型, 构建了考虑实际电路形式的四端口三维电磁全波仿真模型。该等效电路模型可用于太赫兹低频段混频模块设计, 该模型的建立方法也为更高频段模型的建立提供了一种参考。基于该模型设计了一款220 GHz分谐波混频器, 在192~230 GHz宽带范围内, 双边带变频损耗小于10 dB, 测试结果与仿真结果较为一致。