一种基于共振隧道二极管的紧凑型太赫兹信号生成方法研究

The terahertz (THz) frequency range (0.1 THz to 3 THz) has been receiving considerable attention recently. The interest has been stimulated by the unique properties of THz rays; they can penetrate materials such as plastics, paper and many organic compounds, including human tissue without the hazards or potential dangers associated with ionising radiation such as x-rays. Furthermore, THz may be used to identify specific materials via their characteristic spectra, including explosives, hazardous chemicals, drugs and DNA, as molecular rotations and vibrations occur in this wavelength range. In additional, it's wider bandwidths can support interstellar/in-door high speed wireless communications. The opportunities are clear, but there is a distinct lack of compact, robust, efficient and all solid-state sources offering powers greater than 1mW that operate at room temperature in this frequency range. Despite of recent progress in cracking the terahertz nut, it is still exceedingly difficult to efficiently produce a useful level of power from a compact terahertz device. In this proposal we will outline a route to such a source for the range 0.1-1 THz-it includes: DC and RF characterisation of Resonant tinneling diode; THz sources circuit desgn employing multiple resonant tunnelling diode devices (up to 4); simulation of designed THz sources circuit and matched load circuit design by employing Van der Pol equation; CPW transmission line/ bow-tie slot antenna layout and fabrication methodology design. A successful outcome for the project will provide both circuit design methodology and fabrication layout to realize reliable，efficient and compact terahertz (0.1-1THz) sources.

近年来，工作频率在0.1-3THz的太赫兹技术的研究一直是一个热门的课题，因为太赫兹技术的多项独特特性能够运用到医疗成像、高分辨成像、物体材料判断和高速无线传输等领域。然而目前现有的信号源普遍存在体积大、功耗高和效率低的问题，便携、稳定、高效的太赫兹源的缺乏成为了太赫兹技术广泛应用的瓶颈。本项目以共振隧道二极管（RTD）为研究对象，主要开展建立共振隧道二极管的交/直流模型；设计多个共振隧道二极管器件的功率合成电路和匹配负载；运用Van der Pol或者Liénard方程式建立负差分电阻振荡器模型对设计电路作数字仿真分析和负载优化；完成整个信号产生系统的MMIC电路设计等研究。本项目旨在构建一套基于共振隧道二极管的太赫兹信号源电路设计的理论与研制流程，为实现稳定高效、高功率（>1 mW）、 紧凑（cm3）便携的太赫兹（0.1-1THz）源信号奠定理论和技术基础。

近年来，工作频率在0.1-3THz的太赫兹技术的研究一直是一个热门的课题，因为太赫兹技术能应用于高速无线通讯、光载无线通信、雷达/医疗成像、有害化学药品和DNA检测等领域。但是目前现有的信号源是普遍存在体积大、功耗高和效率低的问题，便携、稳定、高效的太赫兹源的缺乏成为了太赫兹技术应用的瓶颈。为此，本课题以固态器件共振隧道二极管（RTD）为研究对象开展固态紧凑型太赫兹信号源生成方法研究。课题组首先运用双势垒量子阱（DBQW）结构材料研制RTD，然后采用负阻器件特性测量方法测量RTD的I-V直流特性和S参数，并建立的相应的交/直流模型；然后根据测量结果改进RTD材料结构，其中一种新设计的双势垒双层量子阱RTD材料的峰值电流密度为282kA/cm2,电流峰谷比为4。对于RTD信号源的的设计，课题组提出平行共振功率合成和自注入同步锁相功率合成两种方法用于提高RTD信号源的输出功率，在此基础上运用Van der Pol方程建立RTD功率合成振荡器模型，分析负载匹配与输出功率的关系，并采用波导调谐器作为RTD功率合成信号源的负载测试输出功率，实验发现负载不匹配导致RTD信号源的输出功率最大下降20dB。在设计完成RTD功率合成信号源的基础上，课题组设计基于平面波导(CPW)结构的RTD功率合成信号源MMIC电路结构和工艺流程，并通过优化平面波导的特性阻抗降低功率合成电路的电感，从而提升信号源的工作频率。目前，课题组已经研制的RTD信号源分别工作在30GHz、156GHz和308GHz，输出功率分别为4mW、0.47和0.33mW, 相位噪声都优于-80dBc/Hz @1MHz，其中工作在30GHz输出功率为3.4mW的信号源采用了新设计的双势垒双层量子阱材料。工作频率为308GHz的RTD信号源已经应用于高速无线通讯实验，实现了7Gbps的传输速率，为将来的新一代高速无线通讯奠定技术基础。同时，RTD信号源可以用于驱动激光二极管，形成光载无线通信（RoF）系统，结合高速无线通讯技术将有力推动新一代网络通信技术的发展；此外，RoF还可以借助光纤实现毫米波/太赫兹信号的远距离低损耗传输，用于高速通讯、雷达成像模拟等领域。