唐家轩,李少甫,何婷婷,余蒋平,唐颖颖

(西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳 621010)

0 引 言

低频段太赫兹(Terahertz,THz)技术在国内外日趋成熟,面临更高探测精度和通信速率等应用需求,高频段频谱资源的利用在世界各国具有较大竞争力。目前太赫兹时域和频域光谱检测技术在应用方面仍然存在不足[1～3]。自由电子激光器(free electron laser,FEL)和量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)可以解决太赫兹辐射源功率低、频谱分辨率低等面向实际应用的难题。作为高分辨率太赫兹谱仪中的重要组件,需要研究设计太赫兹谐波混频器。2016年,Bulcha B T等人设计了基于QCL的1.8～3.2 THz宽带谐波混频器[4]。美国宇航局联合 VDI 研究出 3～5 THz四次谐波混频器,主体电路集成在2 μm砷化镓基片上,这是目前为止工作频率最高的混频器[5]。国内关于混频器的报导多集中在1 THz以下频段,2020年,电子科技大学的徐一朋和纪东峰分别设计了两种1 THz单片集成混频器[6～7],进一步拓展了混频器的工作频率,验证了太赫兹较高频段混频器自主设计的可行性。

本文自主研究设计了用于偶次谐波混频的肖特基二极管,还设计了性能优异的波导—悬置微带过渡电路和滤波器,混频器主体电路集成在3 μm厚的砷化镓薄膜上。

1 混频器单元电路设计

1.1 肖特基二极管设计优化

二极管的本征截止频率可由式(1)计算得到

fs=1/2πRsCj0

(1)

根据式(1),需要通过合理的设计来降低零偏结电容Cj0和级联电阻Rs,提高二极管的本征截止频率。二极管的级联电阻Rs主要包括外延层电阻Repi,缓冲层中的扩散电阻Rspread,缓冲层电阻Rbuffer,设计时需要尽量降低这三部分阻抗,从而减小信号在二极管内部间的能量损耗。……