吸收式太赫兹固态开关及高速幅度调控器件研究

作     者：毕春阳 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龚森

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：太赫兹 吸收式 幅度调制 耦合重构 相位干涉 

摘      要：太赫兹吸收式固态开关及高速幅度调控器件是太赫兹通信系统模组的关键器件之一,但是目前太赫兹直接幅度调制器主要以强谐振原理进行设计,使得大部分都是反射式调制器,反射式调制器较高的回波损耗会对前级器件产生影响。针对太赫兹通信系统的发展需求,本文通过对吸收式太赫兹固态开关理论分析,并面向140 GHz和220 GHz两个中心频点,设计出了双枝节以及多枝节的吸收式太赫兹固态开关,经过实验测试验证了器件设计的可行性。此外,由于直接利用强谐振的方法会造成调制带宽和调制深度矛盾的问题,深深制约着调制器的性能和发展。对此,本文还基于人工表面等离激元色散破缺和太赫兹波相位干涉合成的原理,对具有超高调制深度和调制带宽的太赫兹幅度调制器进行了研究分析。本文主要研究工作和成果如下:1、对于吸收式太赫兹固态开关进行理论分析,从转移矩阵的角度分析满足吸收的条件,最后将吸收理论从双枝节推广到多枝节,使得吸收式太赫兹固态开关理论具有普适性。在理论分析的基础上,完成了140 GHz和220 GHz频段的双枝节和多枝节吸收式太赫兹开关的设计。对于140 GHz双枝节吸收式太赫兹固态开关,仿真结果表明该结构插损1.5 d B,最大开关比17 d B,通断状态下同时满足驻波比小于1.2的带宽有20 GHz,中心频点140 GHz结构的驻波比小于1.1。对于220 GHz多枝节吸收式太赫兹固态开关,仿真结果为最小插损2 d B,最大开关比30 d B,中心频率处的驻波比优于1.1。对220GHz多枝节吸收式太赫兹固态开关进行加工装配,实验结果表明,在170GHz-260GHz频段内最小插损7.8 d B,最大开关比12d B,驻波比优于1.5的带宽有60 GHz,在200 GHz-210 GHz之间驻波比最小为1.1,动态测试结果获得了32 GHz的单音调制速率和17 Gbps调制速率。2、为了解决强谐振造成的调制器带宽和调制深度矛盾问题:(1)提出了基于人工表面等离激元色散耦合重构的太赫兹调制器,仿真结果表明,所设计的调制器结构呈现出相当低的插入损耗,该调制器在140 GHz、220 GHz和340 GHz插损分别为0.8 d B、0.55 d B和0.5 d B,对应的开关比分别为32 d B、29 d B和17 d B,并且表现出低的群延时差;(2)提出基于两路太赫兹相位干涉合成的太赫兹调制器,仿真结果表明,在180 GHz-260 GHz全频段内,插损最小5 d B,隔离度最大70 d B,实现了接近65 d B的调制深度和80 GHz调制的带宽。