220GHz收发隔离网络关键技术研究

**章绪论 **节太赫兹（THz）波的定义和特点 本书研究工作于 220GHz或者更高频段的收发隔离网络，而此频段的电磁波有着明显的THz波特征，所以首先对THz波进行简单的介绍。 目前，普遍采用的太赫兹频段是由英国定义的100GHz～10THz（ITHz=1012Hz），它是介于毫米波和红外光之间相当宽的一个区域，如图1.1所示。1974年，太赫兹（THz）首次在《微波理论与技术》（MTT）学报上出现，当时是用来描述米切尔森干涉计的光谱特性；此后，THz又被应用于描述点接触型二极管探测器的频率特性。随着近十几年来超导技术、光学参量器件和各种激光器的发展，使THz技术的物理机制、检测技术和应用技术研究得到了全面发展。THz技术可望广泛地应用于军事、医学、天文、生物等领域，也是国家正致力发展的一门新兴学科。 THz 波正因为处在微波与远红外之间，具有与微波和远红外互补的特性。THz 波有如下几个方面的优势： 1. THz波具有很高的时间和空间相干性。THz辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的，具有很高的时间和空间相干性。现有的 THz检测技术可以直接测量振荡电磁场的振幅和相位。 2.THz波的光子能量低。频率为1THz的电磁波的光子能量只有大约4meV，约为X射线光子能量的百万分之一，因此不会对生物组织产生有害的电离，适合于对生物组织进行活体检查。如利用THz时域谱技术研究酶的特性，进行DNA鉴别等。 3.室温下（300K左右），一般物体有热辐射，这一辐射大约对应6THz。从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有1/2都在电磁波谱中的THz部分。 4.从吉赫兹（GHz）到THz 频段，许多有机分子表现出较强的吸收和色散特性，这是由于分子旋转和震动的跃迁造成的。这种跃迁是一种特殊的标志，物质的THz波谱（包括发射、反射和透射）包含有丰富的物理和化学信息，并使得THz波有类似指纹一样唯一性的特点。 5. THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而目通过取样测量技术，能够有效地防止背景辐射噪音的干扰。目前，对THz辐射强度测量的信噪比可大于1010。 这些特点决定了THz技术的存在价值，并可以预见其在材料分析测试、光谱探测、环境检测、医疗诊断、宽带移动通信、卫星通信和军用雷达等方面具有极其巨大的应用潜能。 第二节国内外太赫兹（THz）的研究现状及发展趋势 近年来，随着国际恐怖主义的扩散和世界性灾害的发生，防恐、减灾、构建安全的现代社会已成为世界共同的紧要课题。欧、美等发达国家对利用THz辐射波技术给予了很大的关注。 在欧洲，政府和企业围绕太赫兹技术的广泛应用，加强产学研合作的研发日益活跃。2000年以后，在欧洲第五、第六研究开发框架计划（Informationt Society Technologies，IST）的有关项目里，围绕太赫兹频段医疗、通信技术应用的研究非常活跃。英国在2000—2003年开展了WANTED（Wireless Area Networking of Terahertz Emitters and Detectors）项目研究，开发了1～10THz的广域半导体振荡器和检波器，研讨Tbps级WAN的可能性；同一时期，英国还开展了TERAVISION（Terahertz Frequency Imaging Systems for Optically Labeled Signals）项目，开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用THz脉冲成像装置，并通过风险企业 TeraView取得了产业化进展。法国在2001—2004年实施NANO-TERA项目（Ballistic Nanodevices For Teraherz Data Processing），研究THz频段信号处理装置。瑞典在2002—2004 年开展了SUPER-ADC（A/D converterin superconductor- semiconductor hybrid technology）项目研究，旨在实现高温超导体和半导体混合的超高速AD转换器。 近年来，以美国国防高级研究计划署（DARPA）等为中心，额米果积极推进以国防为主要目的尖端技术开发和超高速电子领域的相关项目研究。如开展TIFT（Terahertz Imaging Focal-plane- array Technology）项目研究，开发安全应用方面的小型高感度THz感测系统。2003—2006年，进行TFAST（Technology far Frequency Agile Digitally Synthesized Transmiter）项目研究，开发高速通信、定相整列天线发射机（phased-array antena）的数字化应用超高速IC。从2005年开始实施SWIFT（Submillimeter Wave Imaging FPA Technology）项目，开发安全防卫用的成像应用亚毫米波FPA组合装置。美国已有超过10家企业在THz波相关产品的开发方面取得进展。如Picometrix公司开发的宇宙飞船外壁薄板内部缺陷检查用THz成像系统已在美国国家宇航局（NASA）投入使用。Physical Sciences Inc.与波音等公司也积极进行THz波在安全领域应用的研究开发。 乌克兰一实验室进行了大量准光学系统的研究。英国科学家在THz频段进行的几个超光速实验，涉及的都是亚波长尺度内的消失波，实验结果和理论计算都表明超光速THz脉冲的存在。美国的实验室已经实现了大功率THz光源，以及T射线层析成像术和T射线用于生化样品的识别和成像，并开始了非线性THz光谱分析学的研究。意大利和英国实现了全固体激光器。在德国，实现了THz共振结构用于无标记DNA识别。日本则实现了强磁场下半导体产生THz射线。 国内也有多家单位开展了THz频段的研究工作。天津大学的激光与光电子研究所在周期极化晶体（PPLN）方面开展了大量的工作，温度调谐的PPIN光学参量振荡器和角度调谐的PPIN 光学参量振荡器都取得了一定的成果。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的主要研究方向包括THz物理、器件及其应用，并从理论上研究了THz波与低维半导体的相互作用规律。首都师范大学首创采用啁啾脉冲互相关法探测THz波，得到了具有高时间分辨率的时域光谱。 第三节收发隔离网络的研究目的和意义 在无线通信系统中，无线信号的接收和发送都需要通过天线。如果给接收机和发射机各配备一个天线，不但增加了成本、体积，而且天线传递信号之间还会相互干扰。目前，各种主动雷达导引头普遍采用的是接收、发射共用天馈系统，即同一个天线既发射又接收。这样可以避免采用两套天馈系统，在简化导引头结构的同时降低了成本，保证了发射天线和接收天线的一致性。为了保证接收和发射共用，天线必须同时连接发射机和接收机，而通常发射机的输出功率要远大于接收机的烧毁功率，所以，接收和发射共用天馈系统要解决的主要问题就是要在发射状态下保证接收机的正常工作，使其不被烧毁，也就是做到收发隔离。在微波频段这种收发隔离系统统称双工器，如图1.2所示，双工器在无线通信射频前端发挥着举足轻重的作用。 无线通信系统前端存在很多种类的双工器。例如：波导双工器、同轴双工器、介质双工器、声表面波（Surface Acoustic Wave-SAW）双工器、微带双工器等。每种双工器都具有自己的优势，但也不可避免地存在一些缺陷。 波导双工器在通信领域应用的时间*久，也*成熟，实际应用中心频率可以达到100GHz，其*大优点是损耗低，但这种双工器体积大，成本较高，调谐困难。 同轴双工器体积要比波导双工器小得多，谐振回路由于其电磁场全部封闭在同轴腔，其损耗低，品质因数可以达到几千，而且稳定性高、屏蔽好、生产工艺一致性易保证。若将它做成螺旋状滤波器，可以使它的尺寸更小，但会导致品质因数Q下降，这种螺旋结构比同轴腔结构的品质因数要低。 介质谐振器是由电磁波在介质内部进行反复全反射所形成的，由它构成的双工器可以实现小型化，但高成本使其应用受到阻碍。 早在20世纪70年代，介质滤波器广泛应用于微波通信领域，跨入80年代，出现汽车电话和蜂窝电话，介质滤波器开始用于移动通信领域，但是到目前为止并没有广泛应用，主要是成本较高，实现批量生产比较困难。 由SAW滤波器构成的双工器，利用电信号与声信号的转换和对声信号的传输处理来完成滤波功能，可以实现任意精度的频率特性，其优良的性能、小体积适应了现代通信系统设备小型化、高性能的要求，但损耗较大，高频承受功率低，主要用于小型化要求很高的移动通信终端。 微带双工器适应了当今低成本、小型化、高频段的发展要求，得到了高度的重视，但其本身固有的缺点是品质因数低，损耗较大，只能用于一些要求不太高的系统中，对于要求较高的系统只能采用波导和同轴形式的双工器。 然而对于220GHz，波长在1mm量级的电磁波，这些双工器加工制造将是非常困难的，并且由于尺寸微小，对干加工精度的要求非常高。在厘米波频段可以忽略的加工误差，在220GHz 以上频段将会使器件完全不能工作。 在厘米波频段中应用较多的是环形器。微波技术中的一大突破是铁氧体的发现。铁氧体是由金属氧化物构成的一类陶瓷性磁性材料，利用这种材料在直流磁场和微波场共同作用下，呈现出的旋磁效应制成的微波铁氧体器件，如环行器、隔离器等。海湾战争中，美国威力显赫的“爱国者”导弹主要依靠了相控阵雷达技术，而铁氧体移相器则是相控阵系统的关键元件之一。卫星通信转发器的收发转换就是靠具有双工器功能的铁氧体环行器来实现的。转发器电路中的级间隔离、匹配、去祸是由小型、轻量、集成化的铁氧体隔离器来完成的，从而达到保护系统，提高其稳定性、可靠性之目的。 环形器的应用可以保证发射和接收信号共用一个天线，环形器能将收发信号传输通道分离，使得从发射机里发射的信号直接耦合至天线，不进入接收机里面去，从天线上接收的信号传输至接收机，不进入发射机。环形器运用的是1/4波长的微波传输线原理。它的特点是尺寸紧凑，重量轻，高性能，工作温度范围宽，所以在下面的研究中，会尝试的设计可以工作于220GHz的铁氧体环形器。