基于链式行波机理的高功率太赫兹合成倍频技术研究

Terahertz signals generation with high output power is a key technique in the field of terahertz research. It is also one of the current bottlenecks to breakthrough. In order to solve the contradiction between the high driving power and the low power handling capability in the solid-state frequency doubling, a novel concept is proposed to generate terahertz signals with high output power based on travelling-wave power-combined frequency multiplication. Its core idea is to use the cascade characteristics of travelling-wave network to break the limitation of symmetrical branches required by the current binary power-combined frequency multiplication. Thus, high combined output power can be achieved. The research content mainly includes the integrated multi-device model including the mutual-coupling effect, extraction of diversified nonlinear parameters of Schottky junction, and phase compensation of interconnection between adjacent sub-circuits. Finally, theoretical analysis results will be verified by testing the principle prototype. This project will provide a new solution for the generation of high power solid state terahertz signals, and is helpful to the further development of terahertz technology in the field of practical applications.

高功率太赫兹信号发生技术是太赫兹研究领域的一项关键技术，也是当前亟待突破的瓶颈之一。为解决太赫兹固态倍频时高输入功率与低功率容量之间的矛盾，本项目提出一种基于行波机理通过逐级功率合成倍频产生大功率太赫兹信号的方法。其核心思想是利用行波网络逐级扩展的原理，突破现有二进制同相合成倍频对支路对称性的要求，在更小的结构空间内具有更大的功率承载能力，从而实现高功率的太赫兹信号合成输出。研究内容主要包括多变容管器件互耦作用模型的建立、管芯非线性参数的差异化提取方法以及相邻单元级间互联的相位补偿特性研究，在此基础上搭建原理性实验装置，对所提理论进行验证与完善。本项目将为大功率固态太赫兹信号的产生提供新的解决思路，有助于推动太赫兹技术在实际应用领域的进一步发展。

在空间观测领域，为提升观测的效率，目前国际上普遍采用了所谓多像元超外差接收的探测体制，而随着像元数的增多，对驱动探测器中众多混频二极管的本振信号的功率也逐渐提升，而且为了保持众多探测像元之间的相参性，需要所有超外差接收单元共用一个本振驱动，为此，本研究意在寻求一种具有更大功率容量的基于固态电路实现太赫兹信号发生的方法。在固态电路领域，利用二极管倍频仍然是获取稳定相参的太赫兹信号的主流途径，在目前的半导体技术条件下，单个二极管因自身功率容量有限，导致倍频后的输出功率较小，而太赫兹固态放大器目前实现的技术难度又很高，无法利用放大器进行功率放大。本项目通过增加倍频二极管的数量，在保持一定的倍频效率的前提下，利用合成倍频的方式提升输出功率，同时保持一定的倍频效率。为避免常规二进制合成网络所导致的电路尺寸过大的弊端，寻求采取行波式串联结构，逐级完成功率的分配—倍频——合成。在研究过程中，采用场路结合、电热结合的分析思路。因为随着驱动功率的增加，每一个倍频二极管自身所承受的功率达到一定程度后，会因热效应导致自身的变频效率出现变化，这种变频效率的变化性在电路设计中需要加以考虑。在项目实施期间，基于这一研究方法已能在G波段实现50mW的连续波功率输出，并以此为本振源研制了一款G波段的2像元超外差接收机，性能符合预期，证明了所研制的本振源的稳定性和功率电平能够成功驱动多像元的超外差接收机。