發(fā)布時(shí)間：2018-05-29 03:58

  本文選題：太赫茲 + 人工微結(jié)構(gòu)��； 參考：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：太赫茲無線通信已成為近年來通信與信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而作為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕谕獠空{(diào)制太赫茲無線通信系統(tǒng)是該領(lǐng)域的重要研究方向,因此一直以來得到了多方的關(guān)注。在該系統(tǒng)中,其核心器件太赫茲外部調(diào)制器長期以來難以得到突破,也限制了該系統(tǒng)的發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高效、高速調(diào)控,從而將數(shù)據(jù)信息加載至空間傳輸?shù)奶掌澆ǔ蔀榱送庹{(diào)制太赫茲無線通信系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題。本文將人工微結(jié)構(gòu)(Metamaterials,人工電磁媒質(zhì))與高電子遷移率晶體管(HEMT)相結(jié)合,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬仿真、理論分析與加工測試,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具備模式切換能力的高速太赫茲動(dòng)態(tài)器件。進(jìn)一步的,通過搭建基于外部調(diào)制的太赫茲無線通信系統(tǒng),對(duì)調(diào)制器的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,同時(shí)也驗(yàn)證了基于外調(diào)制太赫茲無線通信系統(tǒng)的可行性。本論文主要研究內(nèi)容如下。1、對(duì)人工微結(jié)構(gòu)的諧振模式及其特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。不同諧振模式的人工微結(jié)構(gòu)在頻譜上所表現(xiàn)出的諧振強(qiáng)度、半高寬以及Q值具有顯著的區(qū)別。對(duì)諧振模式的細(xì)化與分類將有助于設(shè)計(jì)具備不同功能特色的器件結(jié)構(gòu)。由于人工微結(jié)構(gòu)是外調(diào)制動(dòng)態(tài)器件的基礎(chǔ),本論文針對(duì)不同的諧振模式探討了多種基于人工微結(jié)構(gòu)的太赫茲功能器件。2、將人工微結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體材料相結(jié)合,構(gòu)建了復(fù)合型動(dòng)態(tài)器件結(jié)構(gòu)體系。為實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高速動(dòng)態(tài)調(diào)制,光控與電控是最為有效的兩種方式。對(duì)于光控調(diào)制器的設(shè)計(jì),本論文采用人工微結(jié)構(gòu)與摻雜體材料相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了寬帶以及多通帶的太赫茲調(diào)制器。對(duì)于電控調(diào)制器的設(shè)計(jì),本論文基于模式切換原理,設(shè)計(jì)出了三種具備模式切換能力的太赫茲調(diào)制器。主要分為:LC-LC模式切換、偶極-LC模式切換以及偶極-偶極模式切換。偶極振蕩與LC振蕩是人工微結(jié)構(gòu)的最基本諧振方式,這三種模式切換的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步完善了太赫茲動(dòng)態(tài)器件的體系結(jié)構(gòu)。3、設(shè)計(jì)出了人工微結(jié)構(gòu)與HEMT相結(jié)合的太赫茲動(dòng)態(tài)器件。人工微結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲電磁波具備良好的調(diào)控能力,而HEMT是近年來廣泛應(yīng)用于射頻微波領(lǐng)域的新型半導(dǎo)體器件,具備很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與良好的開關(guān)特性。本論文將HEMT應(yīng)用于模式切換人工微結(jié)構(gòu)的核心控制區(qū)域,采用Drude模型對(duì)存在于溝道中的二維電子氣進(jìn)行等效,得到了基于載流子濃度的仿真變化曲線。這將有利于分析器件性能,指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化。4、對(duì)HEMT的器件特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析,完整制備了基于HEMT的太赫茲動(dòng)態(tài)器件。本論文從襯底的選取、掩膜版圖的繪制以及微細(xì)加工三個(gè)方面對(duì)該太赫茲動(dòng)態(tài)器件的制備進(jìn)行了介紹。此外,針對(duì)該太赫茲調(diào)制器芯片,設(shè)計(jì)并制作了封裝與匹配電路,使得該器件具備更高的集成度與穩(wěn)定性。5、對(duì)太赫茲動(dòng)態(tài)器件的具體參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)測試。首先利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)來觀察該器件隨電壓變化的傳輸特性曲線。其次,采用太赫茲固態(tài)源與熱輻射功率計(jì),得到了通過該器件的單頻太赫茲波隨電壓的幅度變化,研究了在實(shí)際應(yīng)用條件下的器件靜態(tài)響應(yīng)能力,并對(duì)器件線性度進(jìn)行了研究分析。6、搭建了基于外部調(diào)制的太赫茲無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太赫茲收發(fā)系統(tǒng)與調(diào)制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。太赫茲收發(fā)系統(tǒng)包括340GHz太赫茲固態(tài)源和太赫茲探測器,調(diào)制系統(tǒng)包括太赫茲外部調(diào)制器和通信基帶模塊。本論文分別測試了該器件在單音信號(hào)與眼圖信號(hào)下的調(diào)制能力。單音測試顯示該器件最高響應(yīng)速率可達(dá)1GHz,眼圖測試顯示該器件所具備的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸能力達(dá)0.1Gbps,從而驗(yàn)證了基于外部調(diào)制的太赫茲無線通信系統(tǒng)的可行性。本論文從太赫茲動(dòng)態(tài)器件的設(shè)計(jì)仿真到加工測試進(jìn)行了詳細(xì)的研究與探討。主要實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段具備一定實(shí)時(shí)通信能力的太赫茲外部調(diào)制器。該調(diào)制器除了具備幅度調(diào)制能力,同時(shí)還具備一定的相位與頻率調(diào)制能力。重點(diǎn)加工制備了結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越的偶極-偶極模式切換太赫茲調(diào)制器。經(jīng)過不斷的探索與優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段具備85%調(diào)制深度、68o相位調(diào)制以及1GHz調(diào)制速率的太赫茲調(diào)制器。太赫茲外部調(diào)制器將有望在太赫茲通信、醫(yī)療成像、安檢、雷達(dá)、遙測、航空航天等領(lǐng)域得到較大的發(fā)展與應(yīng)用。
[Abstract]:In order to realize the high - speed dynamic modulation of terahertz waves , a terahertz modulator with mode switching capability is designed and realized by combining artificial microstructures with semiconductor materials . A terahertz wireless communication system based on external modulation is established . The system consists of a terahertz external modulator and a communication baseband module . The terahertz modulator has the characteristics of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator has the advantages of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator has the advantages of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator can be used for the terahertz communication , medical imaging , security inspection , radar , telemetry , aerospace and the like .
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：1949398