本文關鍵詞：光載毫米波系統(tǒng)的毫米波功率合成技術研究

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【摘要】：光電探測器是光載無線系統(tǒng)(Radio over Fiber,ROF)的一個關鍵器件,它的性能直接影響整個ROF系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)設計。光纖放大器的出現(xiàn),改變了對光電探測器性能的要求,光纖放大器加光電探測器取代傳統(tǒng)的光電探測器加后置功率放大器這種模式已成為大勢所趨,因此高功率和大帶寬成為目前研究光電探測器亟待解決的問題。而且光纖放大器加光電探測器組成的系統(tǒng)性能將會更好,成本更低。本文回顧了光電效應的發(fā)現(xiàn)歷程,從提高光電轉(zhuǎn)換效率的角度,考察了PIN-PD的原理和結構,PIN-PD容易出現(xiàn)飽和的原因是空穴載流子遷移率低在耗盡區(qū)積聚從而引起空間電荷效應,導致PIN-PD出現(xiàn)飽和。為了克服空間電荷效應,出現(xiàn)了單行載流子光電二極管(Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UTC-PD)。文中對UTC-PD結構進行了研究與分析并進行了模擬驗證,得到了UTC-PD的吸收層厚度與UTC-PD的-3dB帶寬的關系曲線、與響應度之間的關系曲線以及吸收層摻雜濃度與UTC-PD的-3dB帶寬的關系曲線。得到了集結層厚度和UTC-PD的-3dB帶寬的關系以及集結層摻雜濃度與UTC-PD的-3dB帶寬的關系曲線,分析了其物理原因。結果表明UTC-PD的性能與吸收層和集結層的參數(shù)取值有極大關系,參數(shù)優(yōu)化取值要綜合考慮。模擬結果表明UTC-PD比PIN-PD的性能如飽和功率和工作帶寬等有了極大的提高。無論PIN-PD還是UTC-PD都是通過改變單個光電二極管的結構來提高光電探測器性能的。然而單個光電二極管的性能再提高畢竟是有限的,將多個光電二極管集成制成光電探測器,則探測器的性能會得到極大地提高。多個光電二極管集成本質(zhì)上是多個光電二極管輸出的功率合成問題。本文全面研究了多個光電二極管的輸出合成問題。在三個方面取得了創(chuàng)新的結果:發(fā)現(xiàn)了并聯(lián)集成時光電二極管的最佳并聯(lián)個數(shù);獲得了光電二極管級聯(lián)時級聯(lián)個數(shù)與工作波長的關系,依據(jù)該關系可優(yōu)選光電二極管級聯(lián)的最大個數(shù);提出了一種新型級聯(lián)光電二極管陣列功率合成電路。將多個光電二極管并聯(lián)集成,其輸出功率會提高,但光電二極管的結電容也會并聯(lián),導致等效電容變大,工作帶寬降低,故不能在高頻段應用。詳細分析發(fā)現(xiàn),由于每個光電二極管的分流作用,當并聯(lián)八組以后再增加光電二極管的并聯(lián)組數(shù),對輸出功率的貢獻越來越小。為了克服并聯(lián)集成會使工作帶寬降低的問題,出現(xiàn)了行波光電二極管陣列電路。但這種電路只能提高輸出功率,不能提高工作帶寬,其工作帶寬與單個行波光電二極管工作帶寬相同。將光電二極管級聯(lián)既能提高輸出功率也能提高輸出帶寬,但隨著級聯(lián)光電二極管個數(shù)的增加,光電二極管的體電阻也級聯(lián)而線性增大,消耗在光電二極管體電阻上的功率變大,影響輸出效率。本文深入研究了行波光電二極管陣列電路和光電二極管級聯(lián)電路的原理,在此基礎上,提出了一種新的級聯(lián)光電二極管陣列功率合成電路,這種新電路兼有行波光電二極管陣列功率合成電路和光電二極管級聯(lián)功率合成電路的優(yōu)點。對新電路的性能進行了理論分析和EDA技術模擬,結果表明輸出功率和工作帶寬同時得到提高。而且這種電路可以根據(jù)需要靈活選取光電二極管的個數(shù),實現(xiàn)不同的輸出功率和工作帶寬,滿足各種不同應用場合的具體需求。
【關鍵詞】：光載無線系統(tǒng) 光電探測器 行波探測器陣列 功率合成 級聯(lián)行波光電二極管陣列
【學位授予單位】：寧波大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN29;TN74
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 研究背景11-14
• 1.2 ROF系統(tǒng)構成及特點14-15
• 1.3 ROF系統(tǒng)中的關鍵技術15-17
• 1.3.1 毫米波生成技術15-16
• 1.3.2 光纖色散效應16
• 1.3.3 光電探測器16-17
• 1.4 課題的來源和意義17-18
• 1.5 論文結構18-21
• 2 光電轉(zhuǎn)換原理21-29
• 2.1 光電效應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)21-22
• 2.2 光電效應現(xiàn)象的理論解釋22-23
• 2.3 光電轉(zhuǎn)換原理23-27
• 2.4 光電轉(zhuǎn)換技術的發(fā)展27-29
• 3 光電轉(zhuǎn)換效率的改進29-61
• 3.1 半導體理論基礎29-47
• 3.1.1 費米-狄拉克分布函數(shù)與能帶結構理論29-31
• 3.1.2 本征半導體費米能級與載流子濃度31-32
• 3.1.3 N型和P型半導體載流子濃度32-35
• 3.1.4 PN結理論35-47
• 3.2 PIN光電二極管47-50
• 3.2.1 光電轉(zhuǎn)換定律47-48
• 3.2.2 PIN光電二極管結構48-50
• 3.3 UTC-PD50-60
• 3.3.1 UTC-PD的結構51-52
• 3.3.2 UTC-PD的工作原理52-53
• 3.3.3 UTC-PD的性能分析53-57
• 3.3.4 UTC-PD參數(shù)模擬與結果分析57-60
• 3.4 多個光電二極管的輸出合成60-61
• 4 光電轉(zhuǎn)換輸出的合成61-83
• 4.1 功率合成技術概述61
• 4.2 光電管輸出的功率合成61-78
• 4.2.1 單個光電二極管光電探測器61-62
• 4.2.2 單個光電二極管光電探測器模擬62-64
• 4.2.3 多個光電二極管并聯(lián)合成64-67
• 4.2.4 二個光電二極管并聯(lián)模擬67-69
• 4.2.5 行波光電二極管陣列69-72
• 4.2.6 行波光電二極管陣列模擬72-74
• 4.2.7 行波光電二極管的級聯(lián)合成74-77
• 4.2.8 行波光電二極管的級聯(lián)合成模擬77-78
• 4.3 級聯(lián)行波光電二極管陣列功率合成78-83
• 4.3.1 級聯(lián)行波光電二極管陣列功率合成原理78-80
• 4.3.2 行波光電二極管級聯(lián)陣列功率合成模擬80-83
• 5 光電轉(zhuǎn)換輸出合成的實現(xiàn)分析83-102
• 5.1 傳輸線理論83-88
• 5.1.1 分布參數(shù)83-84
• 5.1.2 傳輸線方程84-85
• 5.1.3 傳輸線方程的解85-87
• 5.1.4 傳輸線的電感與電容87-88
• 5.2 微波傳輸線88-93
• 5.2.1 微帶線89
• 5.2.2 微帶線的傳輸模式89-92
• 5.2.3 共面波導92-93
• 5.3 用高阻微帶線實現(xiàn)電感L93-95
• 5.4 用高阻微帶線取代電感模擬分析95-99
• 5.5 UTC-PD參數(shù)提取99-102
• 6 本文總結與下一步工作102-105
• 6.1 本文總結102-103
• 6.2 下一步工作103-105
• 參考文獻105-112
• 在學研究成果112-114
• 一、在學期間申請和參與項目112
• 1. 申請項目112
• 2. 參與項目112
• 二、在學期間發(fā)表的論文112-113
• 三、在學期間申請專利113-114
• 致謝114-115

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本文編號：663680