太赫兹成像系统前端小型化变频机理及其应用研究

Security check is one of the most attractive application of THz technology ,which is urgently needed by airport and railway transportation. As a result, the new method and the research of THz detection hidden materials have to be carried out soon. However, according to some relevant reports around the world, the THz transceiver, as the key of THz technology, still has some problems about less accuracy of model and hard to integration. The main purpose of this subject is to improve the performance of THz transceiver front ends and realize miniaturization. First of all, we propose a new method of analyzing system, which is suitable more for processing in teraherz. Most importantly, we can realize the function of frequency multiplying and harmonic mixing at the same device simultaneously. Then, we do a lot of study on Schottky diodes for this new function. And we build a 3D model of diodes by using the structure of rectangular coaxial probe. Besides this, we also finish the research of nonlinear model of efficient THz frequency conversion diodes. At last, we prove and perfect the related theory considering of the influences caused by manufacturing. With the research of this subject, we can realize high resolution, miniaturization THz radar, and spread this application to military and civil area.

利用太赫兹技术进行安全检查是现阶段太赫兹技术最吸引人的应用之一。机场口岸、轨道交通等重要场所对安检反恐新技术提出了迫切需求，急需开展太赫兹隐蔽危险品安全检测新体制和新方法研究，而太赫兹收发技术是其核心之一。目前国内外对于太赫兹成像系统已有相关报道，但系统收发前端仍然存在模型精确度差、集成度不高等问题。本课题重点解决太赫兹成像收发前端的高性能和小型化：首先，从体制上优化系统方案，提出适合太赫兹频段加工工艺的新型多功能变频技术，在单一器件上同时实现收发倍混频功能；其次，研究适用于此变频技术的肖特基二极管，提出使用矩形同轴探针结构的二极管三维电磁模型，结合寄生参数模型，建立太赫兹高效变频二极管非线性模型，并基于此模型开展太赫兹变频技术研究；最后，根据此模型分析工艺因素等对性能产生的影响，并验证和完善相关理论分析。这对于实现小型化、高分辨率太赫兹雷达，推广应用于军事和民用领域，具有重要的现实意义。

针对高分辨安检探测等应用需求，重点进行了全固态太赫兹收发前端变频机理及其小型化的研究，通过集成实验验证了各关键技术性能。本课题开展了半导体器件非线性变频方法产生THz波的物理机理研究，在此基础上探索了最优化的THz变频器设计方法；开展了太赫兹收发前端高效变频器电路研究，不断改进和优化了变频器变频效率、变频噪声、带宽和最佳工作状态等指标。本课题按照研究目标的要求，研制了太赫兹变频二极管、低噪声变频器、高效固态倍频源等太赫兹探测系统核心器件，并完成了实验研究，搭建实验平台完成了技术指标测试，发射功率大于5mW，接收变频损耗小于8dB，指标满足任务要求。本课题形成了具有全自主知识产权的核心技术和自主研制能力，支持了高分辨安检探测等应用。本课题共发表SCI论文19篇，会议论文41篇，有3篇入选ESI高被引论文，1篇热点论文，授权国家发明专利10项，申请美国专利2项，培养博士4位，硕士12位，培养的学生共计获得奖学金44人次，本人也于2020年获得国家自然科学基金优秀青年基金的资助。2018年，“太赫兹通信”获国防技术发明一等奖；2019年，“太赫兹XXX技术”获四川省技术发明一等奖；2021年10月，“太赫兹XXX技术”获国家技术发明二等奖。