（电磁场与微波技术专业论文）准光栅格阵列的理论分析及应用研究.pdf

西北工业大学顿上学位论文 摘 要 摘 要 准光技术的日的是为了发展毫米波波段的高功率源，准光栅格阵列实现了自 山空间多个晶体管和二极管等有源器件的输出功率合成。 本文回顾了准光栅格阵列最近的发展情况以及多年来的算法研究概况。从准 光栅格阵列的结构和基本电路理论入手， 综合分析了振荡器栅格的等效电路模型， 完成了嵌入电路的负阻栅格模拟。 从两个方面对准光栅格阵列展开全波分析:讨论了加载有源器件的无限大周 期栅格结构的单元近似法分析过程，在辐射电场结合金属表面电流密度的基础下 推导出矩量法的一系列表达式，给出了有源栅格结构的驱动点阻抗求解办法，计 算出不同栅格结构的传输系数:采用空间域和谱域相结合方式的矩量法对有限大 栅格阵列展开分析，给出了准光并矢格林函数的推导过程，分析比较了互祸合作 用对栅格阵列单元驱动点反射系数的影响。 关键字:准光栅格阵列全波分析矩量法 ( mo m) 有源器件并矢格林函数 西北t业大学0 e 学位论文 abs traci abs tract t h e i n t e n t i o n o f q u a s i - o p t i c a l t e c h n i q u e s i s t o d e v e l o p h i g h p o w e r s o u r c e s a t m i ll i m e t e r w a v e l e n g t h s . q u a s i - o p t i c a l g r i d a r r a y a l l o w s t h e o u t p u t p o w e r s f r o m l a r g e n u m b e r s o f i n d i v i d u a l t r a n s i s t o r s a n d d i o d e s t o b e c o m b in e d i n f r e e s p a c e . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , w e b r i e fl y r e v i e w e d t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t s a n d t h e n u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n i n q u a s i - o p t i c a l a c t iv e g r i d a r r a y s . b a s e d o n t h e c o n f i g u r a t i o n o f q u a s i - o p t ic a l g r i d a r r a y s a n d b a s i c 2 - p o r t c i r c u i t t h e o r y , t h e e q u i v a le n t c ir c u i t m o d e l o f g r i d o s c i l l a to r s w a s s y n t h e s i z e d t o s a t i s f y t h e o s c i l l a t io n r e q u i r e m e n t , a n d c o m p l e t e d n e g a t i v e - r e s i s t a n c e g r i d m o d e l o f t h e e m b e d d i n g c i r c u it . a f u l l - w a v e a n a l y s i s o f q u a s i - o p t i c a l g r i d a r r a y i s p r e s e n t e d . t h e d i s s e rt a t i o n d id w o r k o n t w o a s p e c t s a s : f i r s t , it d i s c u s s e d t h e a n a l y s i s o f i n f i n i t e p e r i o d i c g r i d s t r u c t u r e s l o a d e d w i t h a c t i v e d e v i c e s u s i n g u n i t - c e l l a p p r o x i m a t i o n , a n s e t o f e x p r e s s i o n s w e r e d e r i v e d r e l a t i n g t h e r a d i a t e d e l e c t r i c f i e l d t o t h e s u r f a c e c u r r e n t d e n s i t y o n t h e m e t a l g r i d , w h i c h w a s d e t e r m i n e d b y t h e m e t h o d o f m o m e n t s , a n d i t a l s o g a v e t h e m e t h o d o f d r i v i n g p o i n t i m p e d a n c e c a l c u la t i o n a n d t h e t r a n s m i s s i o n c o e ff i c i e n t f o r s e v e r a l p a s s i v e g r i d s ; s e c o n d l y , a f u l l- w a v e m o m e n t m e t h o d i m p l e m e n t a t i o n , u s i n g a c o m b i n a t i o n o f s p a t ia l a n d s p e c t r a l d o m a i n s , w a s g i v e n f o r t h e a n a ly s i s o f f i n it e q u a s i - o p t i c a l g r i d a r r a y , t h e d y a d i c g r e e n s f u n c t i o n w a s d e r i v e d f o r q u a s i - o p t i c a l s y s t e m , a n d a n a l y z e d t h e m u t u a l - c o u p l i n g e ff e c t s o n t h e d r i v i n g p o i n t r e fl e c t i o n c o e f f i c i e n t , w h i c h e x i s t e d b e t w e e n u n i t c e l l s i n t h e f i n i t e g r i d a r r a y . k e y w o r d : q u a s i - o p t i c a l g r i d a r r a y f u l l - w a v e a n a ly s i s a c t i v e d e v i c e d y a d i c g r e e n s f u n c t i o n th e mo me n t me t h o d 1 1 西北工业大学硕 上 学位论文第 1 章 绪论 第 章 绪 论 【 提要】 对本文的研究背景和意义、 准光 栅格阵列的 发展情况和算法研究概况进行了 综述 并简要介绍了本文的主要工作内容和结构安排。 1 . 1研究背景和意义 近几十年来，微波毫米波技术的发展日 新月异，这不仅表现在各种新型毫米 波元器件的开发和研究上，而且微波毫米波技术在通信、遥感、制导和射电天文 等许多方面也得到了广泛应用。毫米波和亚毫米波段的电磁波谱在军事、工业等 研究中的广泛应用大大促进了高功率器件的研究和发展。工作于毫米波段的系统 所需费用十分昂贵，在此波段下构造和集成电路组件十分困难，其中最大的障碍 就是缺乏强有力而又可靠的固态源。 给微波毫米波元器件的开发与研究提出了许 多新的课题，其中最重要的一个研究课题就是如何提高微波毫米波固态器件的功 率输出。 尽管在过去的几年里毫米波半导体器件技术已发展到了一个较为成熟的高水 平，真空管源在功率输出和效率方面也保持着最新技术发展水平，但是大小、重 量及所需的高功率电平都严重限制了其应用。微波毫米波固态源因自 身体积小、 重量轻、可靠性高和无需高压电源等特点而倍受重视，在雷达、电子战和军事通 信等系统中有着广泛的应用。然而由 于受单个器件自 身物理机制和制造工艺的限 制，目前无法满足大功率电子系统的要求。为获得大功率微波毫米波固态源，国 际上自 七十年代中期起相继开展了旨 在提高固态微波毫米波功率器件所构成功率 源的输出功率的研究。 人们主要是从两个方面进入毫米波研究领域。首先是从微波进入毫米波， 传 统的 微波合成电 路建立在传输线、 常用波导和微带基础上的， 属于集总元件电路， 在这个电路中有许许多多与含有金属导体的合成电路相连接的电子器件。传统的 空心金属波导和波导元件在频率i o o g h z 以下得到了一定的应用。 但是， 随着频率 西北工业大学硕 上 学位论文第 1 章 绪论 第 章 绪 论 【 提要】 对本文的研究背景和意义、 准光 栅格阵列的 发展情况和算法研究概况进行了 综述 并简要介绍了本文的主要工作内容和结构安排。 1 . 1研究背景和意义 近几十年来，微波毫米波技术的发展日 新月异，这不仅表现在各种新型毫米 波元器件的开发和研究上，而且微波毫米波技术在通信、遥感、制导和射电天文 等许多方面也得到了广泛应用。毫米波和亚毫米波段的电磁波谱在军事、工业等 研究中的广泛应用大大促进了高功率器件的研究和发展。工作于毫米波段的系统 所需费用十分昂贵，在此波段下构造和集成电路组件十分困难，其中最大的障碍 就是缺乏强有力而又可靠的固态源。 给微波毫米波元器件的开发与研究提出了许 多新的课题，其中最重要的一个研究课题就是如何提高微波毫米波固态器件的功 率输出。 尽管在过去的几年里毫米波半导体器件技术已发展到了一个较为成熟的高水 平，真空管源在功率输出和效率方面也保持着最新技术发展水平，但是大小、重 量及所需的高功率电平都严重限制了其应用。微波毫米波固态源因自 身体积小、 重量轻、可靠性高和无需高压电源等特点而倍受重视，在雷达、电子战和军事通 信等系统中有着广泛的应用。然而由 于受单个器件自 身物理机制和制造工艺的限 制，目前无法满足大功率电子系统的要求。为获得大功率微波毫米波固态源，国 际上自 七十年代中期起相继开展了旨 在提高固态微波毫米波功率器件所构成功率 源的输出功率的研究。 人们主要是从两个方面进入毫米波研究领域。首先是从微波进入毫米波， 传 统的 微波合成电 路建立在传输线、 常用波导和微带基础上的， 属于集总元件电路， 在这个电路中有许许多多与含有金属导体的合成电路相连接的电子器件。传统的 空心金属波导和波导元件在频率i o o g h z 以下得到了一定的应用。 但是， 随着频率 西北工业大学硕 i _ 学位论文第 1 帝 绪论 的升高，余属波导及元件的应用受到了很大的限制。为了克服这些障碍，研究人 员提出了多种形式介质化、集成化的传输线及相应元件，但这种电路经常伴有传 导损耗和辐射损耗，大大降低了效率，高频电路尺寸义很小，从而使它们的结构 变的更加复杂和昂贵，而且这种电路不适于合成更多的器件。它们的应用范围仍 存在许多局限性。 其次，人们又从激光和红外线进入毫米波领域。毫米波与光波相比，最大的 差别就是其波长要比光波波长大的多，这就带来明显的衍射效应。然而，光学技 术克服了传统金属波导在毫米波波段衰减极高、功率容量很小和加工制作十分困 难等缺点。因此，人们已将更多的努力集中在发展毫米波功率合成技术上。在整 个毫米波领域里，光学与微波技术的界限越来越模糊，从而形成了一个新的分支 准光技术。准光技术的目 的是为了发展毫米波波段的高功率源，典型应用就 是准光功率合成技术。 j a m e s m i n k 在1 9 8 6 年报道了固态毫米波源的准光功率合成， 它标示着现代准光技术在毫米波领域发展的开端 1 1 0 准光功率合成通过自由空间众多设备输出的相干合成消除了由波导壁和馈电 网络带来的损耗。准光功率合成是在自由空间实现的，是祸合多个设备的有效方 法。准光电路看起来和传统的微波毫米波合成电路很不相同。通过消除波导系统 中的金属壁，准光系统减少了降低波导合成电路效率的侧壁的传导损耗。通过使 用介质片、极化器、衬底金属图案栅格和嵌入数百个单个固态有源设备的表面， 微波组件综合了准光的性质，与常规的集总电路元件及传输线相似，但它具有更 强大的功率容量。和常规电路元件不同的是，准光组件有着比一个波长更大的尺 寸，因此避免了在毫米波波段设计常规电路过程中遇到的令人烦恼的电路结构问 题。 所以这项技术作为微波和毫米波频段下功率合成的有效方法越来越受到人们 的关注。尽管准光电路看起来像光学设备，但是我们可以 用简单的传输线和集总 元件组件来模拟它们，这种模拟是比 较精确的。我们还可以把随着常规微波电路 发展起来的丰富的理论知识和比较完善的计算机辅助设计工具应用到准光电路的 设计和模拟中。 过去几年里出现过许多种不同的准光功率合成方法。这些方法与经典空间功 率合成器类似， 有源器件都是连同匹 配电路一起集成进平面天线阵列 ( 例如微带 片) ，器件之间通过导波祸合、弱辐射祸合或注入外部信号的方式而相互作用。典 型的准光振荡器或放大器是由 有源器件的二维阵列构成，这个阵列构成一个反射 西北工业人学硕 1 : 学位论文第 王 章 ,f p 论 系数或传输系数大于 1的平面薄板。谐振腔提供反馈并将器件相互祸合在一起， 最终构成了高功率的振荡器，或者将有源薄板放置在两个极化器之间从而形成一 个栅格放大器。将大数目的器件集成进栅格，就可获得更大的功率。栅格的平面 结构适合于单片集成电路， 它是从固态器件获得高功率的一种极具诱惑力的方法。 栅格阵列功率合成与传统空间功率合成器之间主要的不同点是器件间隔小于 一个波长，所以这些栅格相当于一种连续的二维增益媒质，在媒质中的有源器件 通过传输线强祸合在一起，这些栅格尤其适用于同高密度的有源器件阵列和单片 集成配合使用。从电路的观点来看，有源栅格可以看作为一个包含多个有源器件 并为入射电磁波提高负阻抗的频率选择表面。 准光栅格阵列是功率合成技术采取的高效方法之一，是发展大功率固态微波 功率器件的一种有效途径。准光栅格阵列对于实现大功率低相噪的毫米波微波振 荡器、高功率毫米波微波放大器及混频器等有着十分重要的作用。 1 .2 准光栅格阵列的发展现状 集成阵列式准光功率合成是z . b . p o p o v i 6 等人于1 9 8 8 年提出的一种准光功率 合成方法【 2 。 该方法通过微带集成阵 列的 方式在准光腔中 进行功率合成。 它最大 的 特点 是合成器件数量多， 便于集成。 俄罗斯b . m . b u l g a k o v 等人在1 9 9 0 年 报 道 了在 k a波段采用栅格方法进行准光功率合成的实验情况，合成效率近似于 1 0 0 % 3 。 这是两种比 较典 型的 准光功 率合成方法， 各 种栅格阵 列设备 诸如栅格 振 荡器、栅格混频器和栅格放大器等也随之发展起来。 下面将分别介绍各种阵列的 发展情况。 1 . 2 . 1振荡器阵列 栅格振荡器是用固态有源器件嵌入而成的周期平面阵列。我们可以 从两个重 要特征来区别栅格振荡器和微带电路的准光功率合成器。第一，栅格振荡器不必 有一个大的平面，所以它不受自由空间辐射的微带模的交互作用影响。第二，基 于微带的功率合成器是单个弱祸合振荡器的集合， 这样工作频率主要取决于单个 独立振荡器的性质。 而组成振荡器的栅格元件本身并不是自由调谐振荡器，而是 西北工业人学硕 1 : 学位论文第 王 章 ,f p 论 系数或传输系数大于 1的平面薄板。谐振腔提供反馈并将器件相互祸合在一起， 最终构成了高功率的振荡器，或者将有源薄板放置在两个极化器之间从而形成一 个栅格放大器。将大数目的器件集成进栅格，就可获得更大的功率。栅格的平面 结构适合于单片集成电路， 它是从固态器件获得高功率的一种极具诱惑力的方法。 栅格阵列功率合成与传统空间功率合成器之间主要的不同点是器件间隔小于 一个波长，所以这些栅格相当于一种连续的二维增益媒质，在媒质中的有源器件 通过传输线强祸合在一起，这些栅格尤其适用于同高密度的有源器件阵列和单片 集成配合使用。从电路的观点来看，有源栅格可以看作为一个包含多个有源器件 并为入射电磁波提高负阻抗的频率选择表面。 准光栅格阵列是功率合成技术采取的高效方法之一，是发展大功率固态微波 功率器件的一种有效途径。准光栅格阵列对于实现大功率低相噪的毫米波微波振 荡器、高功率毫米波微波放大器及混频器等有着十分重要的作用。 1 .2 准光栅格阵列的发展现状 集成阵列式准光功率合成是z . b . p o p o v i 6 等人于1 9 8 8 年提出的一种准光功率 合成方法【 2 。 该方法通过微带集成阵 列的 方式在准光腔中 进行功率合成。 它最大 的 特点 是合成器件数量多， 便于集成。 俄罗斯b . m . b u l g a k o v 等人在1 9 9 0 年 报 道 了在 k a波段采用栅格方法进行准光功率合成的实验情况，合成效率近似于 1 0 0 % 3 。 这是两种比 较典 型的 准光功 率合成方法， 各 种栅格阵 列设备 诸如栅格 振 荡器、栅格混频器和栅格放大器等也随之发展起来。 下面将分别介绍各种阵列的 发展情况。 1 . 2 . 1振荡器阵列 栅格振荡器是用固态有源器件嵌入而成的周期平面阵列。我们可以 从两个重 要特征来区别栅格振荡器和微带电路的准光功率合成器。第一，栅格振荡器不必 有一个大的平面，所以它不受自由空间辐射的微带模的交互作用影响。第二，基 于微带的功率合成器是单个弱祸合振荡器的集合， 这样工作频率主要取决于单个 独立振荡器的性质。 而组成振荡器的栅格元件本身并不是自由调谐振荡器，而是 西北工业人学硕 1 : 学位论文第 王 章 ,f p 论 系数或传输系数大于 1的平面薄板。谐振腔提供反馈并将器件相互祸合在一起， 最终构成了高功率的振荡器，或者将有源薄板放置在两个极化器之间从而形成一 个栅格放大器。将大数目的器件集成进栅格，就可获得更大的功率。栅格的平面 结构适合于单片集成电路， 它是从固态器件获得高功率的一种极具诱惑力的方法。 栅格阵列功率合成与传统空间功率合成器之间主要的不同点是器件间隔小于 一个波长，所以这些栅格相当于一种连续的二维增益媒质，在媒质中的有源器件 通过传输线强祸合在一起，这些栅格尤其适用于同高密度的有源器件阵列和单片 集成配合使用。从电路的观点来看，有源栅格可以看作为一个包含多个有源器件 并为入射电磁波提高负阻抗的频率选择表面。 准光栅格阵列是功率合成技术采取的高效方法之一，是发展大功率固态微波 功率器件的一种有效途径。准光栅格阵列对于实现大功率低相噪的毫米波微波振 荡器、高功率毫米波微波放大器及混频器等有着十分重要的作用。 1 .2 准光栅格阵列的发展现状 集成阵列式准光功率合成是z . b . p o p o v i 6 等人于1 9 8 8 年提出的一种准光功率 合成方法【 2 。 该方法通过微带集成阵 列的 方式在准光腔中 进行功率合成。 它最大 的 特点 是合成器件数量多， 便于集成。 俄罗斯b . m . b u l g a k o v 等人在1 9 9 0 年 报 道 了在 k a波段采用栅格方法进行准光功率合成的实验情况，合成效率近似于 1 0 0 % 3 。 这是两种比 较典 型的 准光功 率合成方法， 各 种栅格阵 列设备 诸如栅格 振 荡器、栅格混频器和栅格放大器等也随之发展起来。 下面将分别介绍各种阵列的 发展情况。 1 . 2 . 1振荡器阵列 栅格振荡器是用固态有源器件嵌入而成的周期平面阵列。我们可以 从两个重 要特征来区别栅格振荡器和微带电路的准光功率合成器。第一，栅格振荡器不必 有一个大的平面，所以它不受自由空间辐射的微带模的交互作用影响。第二，基 于微带的功率合成器是单个弱祸合振荡器的集合， 这样工作频率主要取决于单个 独立振荡器的性质。 而组成振荡器的栅格元件本身并不是自由调谐振荡器，而是 西北工业人学硕 卜 学位论文 第 1 章 绪论 依赖十振荡器之间的相互作用。栅格都有着同样的基础结构，区别在于各栅格上 器件的连接方式不同。振荡频率和输出功率对器件间距和栅格结构形状的依赖性 很大，在阵列中的侮个器件以嵌入阻抗出现，它由栅格结构所决定。嵌入阻抗和 器件阻抗共同决定栅格振荡器的特性。 目前为止已有多种晶体管栅格结构被研究过。第一次演示的晶体管栅格振荡 器阵列构建在d u r i o d 介质衬底上 2 。 封装式m e s f e t 焊接在栅格上面。 和晶体管 漏极及栅极相连接的垂直金属引线平行于辐射电场，横跨栅格的水平金属引线用 作直流偏置线。 当漏极处于直流偏置时， 栅格在9 . 7 g h z 发生振荡。 衬底的背面经 过了 金属处理，它和厚度为刀 4 的平面电 介质板放置在栅格的前面就形成了 f a b ry - p e r o t 谐振器。 改变介质板前面的距离可以 调节1 % 频率和近乎1 0 %的 输出 功 率。总的辐射功率是4 6 4 m w，有效辐射功率是2 0 . 7 m w, d c - t o - r f的变换效率是 1 5 % o p o p o v i c 等人演示了第一个大规模的含有1 0 0 个m e s f e t 的 准光栅格振荡器， 在5 g h z 处产生了。 . 5 w的输出功率 4 . k i m等人同 样演示了 单片集成的k a 波段 的栅格振荡器， 并指出可以 将这些振荡器制成单片式的集成电 路 5 。 但是， 其输 出 功率太小，在 3 5 g h z时输出功率范围仅在 3 0 m w 内。h a c k e r 等人构建了 一个 1 o g h z 处输出功率为l o w的栅格， 还指出 这种栅格结构能够产生更大功率 6 0 原则上讲， 任何固态器件都可用于振荡器栅格中， 二端口 器件应遵循平面集 成规则， 但其d c - t o - r f 变换效率比较低， 所以在合成器件中优先考虑的是晶体管。 因为晶体管有较高的d c - t o - r f 变换效率， 还可提供一个可分隔的控制端， 并可设 计适当的反馈电路来控制其振荡，使器件性能更容易得到稳定。然而采用晶体管 器件的振荡器都是三维结构， 所以不适合单片式集成。为使晶体管栅格的工作频 率扩展到毫米波和亚毫米波， 就必须将高频率器件集成进栅格中，而且各个器件 需紧密排列在一起。这样，毫米波和亚毫米波段器件集成只有在使用了单片电路 制造技术的前提下才 一 可行，所以平面栅格结构尤为重要。 1 . 2 . 2放大器阵列 尽管振荡器对毫米波及亚毫米波系统来说是很重要的 管栅格。 放大器在毫米波及亚毫米波频段的建立是困难的 但它仅可能用于晶体 但它在许多应用里又 是必需的。栅格放大器有着和栅格振荡器一样的优点:增大功率容量;消除波导 西北工业人学硕 卜 学位论文 第 1 章 绪论 依赖十振荡器之间的相互作用。栅格都有着同样的基础结构，区别在于各栅格上 器件的连接方式不同。振荡频率和输出功率对器件间距和栅格结构形状的依赖性 很大，在阵列中的侮个器件以嵌入阻抗出现，它由栅格结构所决定。嵌入阻抗和 器件阻抗共同决定栅格振荡器的特性。 目前为止已有多种晶体管栅格结构被研究过。第一次演示的晶体管栅格振荡 器阵列构建在d u r i o d 介质衬底上 2 。 封装式m e s f e t 焊接在栅格上面。 和晶体管 漏极及栅极相连接的垂直金属引线平行于辐射电场，横跨栅格的水平金属引线用 作直流偏置线。 当漏极处于直流偏置时， 栅格在9 . 7 g h z 发生振荡。 衬底的背面经 过了 金属处理，它和厚度为刀 4 的平面电 介质板放置在栅格的前面就形成了 f a b ry - p e r o t 谐振器。 改变介质板前面的距离可以 调节1 % 频率和近乎1 0 %的 输出 功 率。总的辐射功率是4 6 4 m w，有效辐射功率是2 0 . 7 m w, d c - t o - r f的变换效率是 1 5 % o p o p o v i c 等人演示了第一个大规模的含有1 0 0 个m e s f e t 的 准光栅格振荡器， 在5 g h z 处产生了。 . 5 w的输出功率 4 . k i m等人同 样演示了 单片集成的k a 波段 的栅格振荡器， 并指出可以 将这些振荡器制成单片式的集成电 路 5 。 但是， 其输 出 功率太小，在 3 5 g h z时输出功率范围仅在 3 0 m w 内。h a c k e r 等人构建了 一个 1 o g h z 处输出功率为l o w的栅格， 还指出 这种栅格结构能够产生更大功率 6 0 原则上讲， 任何固态器件都可用于振荡器栅格中， 二端口 器件应遵循平面集 成规则， 但其d c - t o - r f 变换效率比较低， 所以在合成器件中优先考虑的是晶体管。 因为晶体管有较高的d c - t o - r f 变换效率， 还可提供一个可分隔的控制端， 并可设 计适当的反馈电路来控制其振荡，使器件性能更容易得到稳定。然而采用晶体管 器件的振荡器都是三维结构， 所以不适合单片式集成。为使晶体管栅格的工作频 率扩展到毫米波和亚毫米波， 就必须将高频率器件集成进栅格中，而且各个器件 需紧密排列在一起。这样，毫米波和亚毫米波段器件集成只有在使用了单片电路 制造技术的前提下才 一 可行，所以平面栅格结构尤为重要。 1 . 2 . 2放大器阵列 尽管振荡器对毫米波及亚毫米波系统来说是很重要的 管栅格。 放大器在毫米波及亚毫米波频段的建立是困难的 但它仅可能用于晶体 但它在许多应用里又 是必需的。栅格放大器有着和栅格振荡器一样的优点:增大功率容量;消除波导 西北 1 业大学硕 卜 学位论文 第 1 章 绪论 与反馈网络间的损耗。栅格放大器实际上是一个平面结构，此结构可以放大法向 入射到栅格表面的波。所以，栅格的设计必须能够容纳晶体管阵列并压缩潜在的 寄生振荡。另外，还需要有使输入输出隔离的方法。 1 9 9 1 年， m o o n l i k i m演示了第一个含有2 5 个晶 体管差分对的栅格放大器 7 j 此栅格放大器是一个有源准光设备。晶体管被连接成两个源极相接的差分对。两 个栅极是输入，而两个漏极是输出。背部金属窄带提供偏置，电阻和管脚与密封 晶体管前面相连。金属窄带对于偏置来说是必要的，但它也导致栅格仅有 mb大 小的3 %的带宽。这个结构对于将来单片集成来说并不是好的选择。而且，由于此 处的晶体管是密封器件，单元尺寸被迫变大使工作频段限制在相对低的频率内。 该放大器可将穿过栅格的波束进行放大， 3 .3 g h z 时的增益为1 1 d b 。 另外， 极化器 可以 使输入输出的调节独立进行，消除了彼此间的相互作用。所以，如果输入输 出波束是交叉极化，放大器的增益测试就变的非常简单。 随后相继出现了其他类型的准光放大器，所含器件数目也越来越多，最为典 型的是含有1 0 0 个h b t的栅格放大器 8 o l o g h z 下增益为i o d b , 噪音指数是mb , 最大输出功率是 4 5 0 m w。在此基础上，d e l i s i o等人又将上述栅格放大器扩展为 含有1 0 0 个h e m t 的x波段的放大器 9 . 9 g h z 下增益为1 2 d b , i o g h z 下峰值增 益为i o d b , 噪音指数是3 d b ， 最大饱和输出功率为3 .7 w。 而且， 研究表明栅格放 大器可以放大波束的角度范围达士3 0 0 ，所以它可用在电子波束控制系统里。所包 含的 有源器件以单片集成的方式存在。 金属栅格图样以 经验设计为依据， 使得h b t 和自山空间之间能够有效祸合。 栅格放大器的重要优点在于栅格单元格决定了驱动点阻抗，而放大器的功率 与栅格面积成比例。这样可以使栅格放大器的增益与噪音系数达到最佳化，而且 可以 独立 选 择栅 格尺寸 来满 足总 功率 需 要。 栅格 放大 器 可用 传 输 线 模型 模 拟 9 . 自由空间由电阻表示，衬底和空气带由传输线代替，并联的金属窄带极化器或用 低阻抗电感或用高阻抗电容表示，栅格的输入端和输出端由电感模拟，迂回弯曲 的漏源极偏置线用一个并联电感模拟。 栅格放大器是多模器件，它可放大不同形状和入射角的波束。栅格可放大信 号，可在保持传播角度、旁瓣电平和单脉冲为零的情况下使传输波束成倍增加。 放大器可以克服波束控制自 身的 损耗。 栅格放大器还可放在接收波束控制阵列之 前， 噪音特性是由栅格来确定的，而不是由波束控制损耗来决定。 西北下业人学倾 卡 学位论文 第 【 章 绪论 1 . 2 . 3混频器阵列 加载有多个二极管的栅格形成了一个适合混频或者适合检测准光信号的非线 j性设备，和传统的含有单个二极管的混频器相比，它的动态范围得到了进一步改 进。在高频混频器中，出现互调失真和动态范围问题的其它电路拓扑几乎不存在。 另外，准光栅格混频器是适合平面照相平版印刷术结构的理想混频器，这使得它 成为了高性能半导体衬底上单片集成电路的极好选择。单片式栅格混频器使功率 容量和动态范围得到了重大改进，混频器可以工作在毫米波波段或高于毫米波波 段。 加州理工学院所研制的含有 1 0 0个单元的 栅格混频器采用的就是蝴蝶结型天 线阵列 形式， 二极管安装在蝴蝶结型栅格单元上 【 1 0 e 栅格安 置在 3 .2毫米 厚的 d u r o i d 衬底上， 栅格宽3 0 毫米。 调整形状以及基片厚度使栅格反射系数降至最小， 二极管纵向串联。这种混频器的优点是由于功率分布在所有器件上而使动态范围 增大。 混频器的线性特性也越来越受人关注。最新演示的混频器阵列是含有 1 0 0个 单端二极管的栅格混频器，工作在 2 .4 5 g h z频率下，具有很好的线性和较高的动 态范 围 i l l 。 每一个元 件是两 个二极管串 联而成。 这个混 频器阵 列的 功 率容量是 采 用单个器件的微带混频器的 1 0 0多倍。它利用准光功率合成技术获得的增益比上 述栅格混频器的增益大1 3 d b a 栅格单元金属图案的选择对栅格混频器来说很重要。栅格单元金属图案的选 择影响栅格二极管的嵌入阻抗。如果选择蝴蝶结型图案， 栅格嵌入阻抗与低阻抗 传输的并联部分类似。传输线的电长度仅仅是一个波长的小部分，如果二极管有 小的结电容，这就使蝴蝶结图案适用于宽带电路。在带宽和阻抗匹配都排斥的情 况下，蝴蝶结型和窄带型栅格阵列的功率合成可帮助调节二极管电 容而不用牺牲 太多带宽或过分降低栅格的回波损耗。 栅格混频器和传统的单个二极管混频器相比，它的噪音系数及变换损耗与单 个二极管的相同，但是栅格混频器的功率容量却与栅格上的器件数量成比 例，即 器件数量的增加会使栅格饱和功率增大，动态范围也随之增大。事实上， 动态范 围与木振功率间的交换现象在所有的混频器中都会出 现。栅格混频器的优点在于 西北工业大学硕 卜 学位论文第 1 章 绪论 我们可以在不受二极管数量的限制下增大本振功率和动态范围。同时，调节每个 二极管的本振功率还可以使变换损耗和噪音系数分别最佳化。 1 .3 栅格阵列的数值算法概述 电磁领域的许多结构都具有一维或多维的周期性，例如频率选择表面 ( f s s ) 通常用在大线罩上以便于控制到达天线的能量。一个典型的 f s s由一层或多层物 质组成，每一层物质都是山二维周期排列的单元组成。最近几年来颇受关注的另 一种周期结构是光子能带隙 c p b g )结构。p b g结构是一类典型的周期电介质结 构，这类结构所在的频率范围是阻止电磁波传播的。第三种可看作周期性结构的 是阵列结构，如天线阵列等，也包括木文讨论的准光栅格阵列。如果阵列足够大， 我们可以通过假设整个阵列结构是无限大周期结构来计算阵列的许多重要参数。 用于分析周期阵列的方法有很多种。其中最简单的一种方法就是等效电路模 型。在此分析方法中，周期阵列的各种独立单元可被模拟为传输线的电感和电容 元件。从这个电路的解决方案里，我们可以得出周期阵列的反射系数和传输系数。 但是该方法采用了准静态近似法来计算电路元件，其精确度无法达到我们期望的 要求，而且它不能准确的模拟介质加载的影响。要想精确的对阵列结构展开分析 我们需要采用数值方法。 目 前用于模拟栅格阵列的众多数值方法都是以多年前模拟 f s s的方法为基础 的。在【 1 2 中 研究者采用频域的伽略金 ( g a l e r k i n )方法分析了 交叉偶极子和 j e r u s a le m十字的周期阵列。一组全域基函数正确的解释了交叉节点处感应电流的 不连续性。计算结果显示出f s s结构任意入射场的反射系数。由 任意形状切片组 成的无限周期阵列采用f f t计算出无限阵列的散射场。子域基函数得以发展。 这 些方法可以 精确且有效地分析f s s 1 3 o 采用矩量法展开对准光二极管阵列的阻抗模拟，这种方法模拟加载有二端口 半导体器件如二极管的微带或缝的 无限阵列 1 4 1 。 将一个单元作为研究对象， 把单 元模拟成波导， 利用矩量法求解出了9 9 g h z时二极管阵列的电感和电容。在【 1 5 1 出现了决定有源栅格阵列驱动点阻抗的测量技术。我们假设阵列中的有源器件同 相锁定，在这种情况下再利用阵列对称性，栅格阵列问题可简化为一个单元进行 西北工业大学硕 卜 学位论文第 1 章 绪论 我们可以在不受二极管数量的限制下增大本振功率和动态范围。同时，调节每个 二极管的本振功率还可以使变换损耗和噪音系数分别最佳化。 1 .3 栅格阵列的数值算法概述 电磁领域的许多结构都具有一维或多维的周期性，例如频率选择表面 ( f s s ) 通常用在大线罩上以便于控制到达天线的能量。一个典型的 f s s由一层或多层物 质组成，每一层物质都是山二维周期排列的单元组成。最近几年来颇受关注的另 一种周期结构是光子能带隙 c p b g )结构。p b g结构是一类典型的周期电介质结 构，这类结构所在的频率范围是阻止电磁波传播的。第三种可看作周期性结构的 是阵列结构，如天线阵列等，也包括木文讨论的准光栅格阵列。如果阵列足够大， 我们可以通过假设整个阵列结构是无限大周期结构来计算阵列的许多重要参数。 用于分析周期阵列的方法有很多种。其中最简单的一种方法就是等效电路模 型。在此分析方法中，周期阵列的各种独立单元可被模拟为传输线的电感和电容 元件。从这个电路的解决方案里，我们可以得出周期阵列的反射系数和传输系数。 但是该方法采用了准静态近似法来计算电路元件，其精确度无法达到我们期望的 要求，而且它不能准确的模拟介质加载的影响。要想精确的对阵列结构展开分析 我们需要采用数值方法。 目 前用于模拟栅格阵列的众多数值方法都是以多年前模拟 f s s的方法为基础 的。在【 1 2 中 研究者采用频域的伽略金 ( g a l e r k i n )方法分析了 交叉偶极子和 j e r u s a le m十字的周期阵列。一组全域基函数正确的解释了交叉节点处感应电流的 不连续性。计算结果显示出f s s结构任意入射场的反射系数。由 任意形状切片组 成的无限周期阵列采用f f t计算出无限阵列的散射场。子域基函数得以发展。 这 些方法可以 精确且有效地分析f s s 1 3 o 采用矩量法展开对准光二极管阵列的阻抗模拟，这种方法模拟加载有二端口 半导体器件如二极管的微带或缝的 无限阵列 1 4 1 。 将一个单元作为研究对象， 把单 元模拟成波导， 利用矩量法求解出了9 9 g h z时二极管阵列的电感和电容。在【 1 5 1 出现了决定有源栅格阵列驱动点阻抗的测量技术。我们假设阵列中的有源器件同 相锁定，在这种情况下再利用阵列对称性，栅格阵列问题可简化为一个单元进行 西北工业人学硕 学位论 义第 音 绪论 计算。单) l 放置在模拟电壁的两平行金属板之间，它的驱动点阻抗可采用介质波 导测量方法测出。偶极子阵列、蝴蝶结阵列、双 v字形阵列和缝阵列的驱动点阻 抗都可如此测出。测量结果显示偶极子阵列有最高的驱动点阻抗，缝阵列的驱动 点阻抗最小。 模拟薄矩形片和孔单元的准光栅格的方法出 现在f 1 6中。 适当的边界 条件结合基函数，矩量法分别计算出有衬底衬顶和无衬底衬顶两种情况下的周期 阵列的散射场。对于片单元则以相似的方式建立起未知面电流密度的积分方程。 任意入射场的阵列传输和反射特性都可表示出来。 来自 科罗拉多大学的 p o p o v i 6 等人组成的工作团 体致力于准光栅格的数值研 究工作 1 7 - 2 2 1 4 b u n d y 等 人发 展了 矩量法全 波分析法 1 7 - 2 0 1 。 在这 种方法中 假设 栅 格阵列是一个无限大周期结构，而且所有的有源器件同步锁相，仅考虑阵列的一 个单元，这样我们把模拟整个栅格阵列的问 题简化为模拟单个单元的问 题，单元 的边缘满足专门的边界条件。将电场和栅格金属导体的面电流密度结合在一起， 矩量法的公式就是由 此推出的，而且各公式是由傅里叶级数表示出的。众多单元 结 构诸如偶极子、交 叉偶极子、 蝴蝶结的 驱动点阻 抗都已 经给出 1 7 - 2 0 。 计算出 的驱动点阻抗可以是带有金属的电介质单元也可以是两边不带有金属的电介质单 元。与感应电 动势法相比上述方法计算出的驱动点阻抗是有效的 2 2 0 以上介绍的数值方法大都是频域内的分析方法，在时域里多采用时域有限差 分法 ( f d t d ) 对周期阵列展开分析。 f d t d因其简单、准确、 有效的 特点而在模 拟很多电磁问题时被广泛使用。1 9 9 6年时域有限差分法用于准光阵列的分析 2 3 - 2 4 。 后来又将f d t d算法用于 准光 有源器 件栅格的 分析 2 5 。 它 可以 精确的 分 析计算出衬底与空气分界面上的栅格阻 抗， 这一点用其它方法很难获得。 1 .4 论文结构安排 本论文工作主要包括以下方面: 第一:采用全波分析法对准光栅格结构进行分析。一方面对无限大准光栅格 阵列展开全波分析， 采取单元近似法， 对单元边界采取边界条件强制模拟单元间 的相互作用。矩量法在辐射电 场结合金属表面电流密度的基础下推到出一系列表 达式。另一方面是对有限准光栅格阵列的矩量法分析，考虑单元间的互祸合作用， 西北工业人学硕 学位论 义第 音 绪论 计算。单) l 放置在模拟电壁的两平行金属板之间，它的驱动点阻抗可采用介质波 导测量方法测出。偶极子阵列、蝴蝶结阵列、双 v字形阵列和缝阵列的驱动点阻 抗都可如此测出。测量结果显示偶极子阵列有最高的驱动点阻抗，缝阵列的驱动 点阻抗最小。 模拟薄矩形片和孔单元的准光栅格的方法出 现在f 1 6中。 适当的边界 条件结合基函数，矩量法分别计算出有衬底衬顶和无衬底衬顶两种情况下的周期 阵列的散射场。对于片单元则以相似的方式建立起未知面电流密度的积分方程。 任意入射场的阵列传输和反射特性都可表示出来。 来自 科罗拉多大学的 p o p o v i 6 等人组成的工作团 体致力于准光栅格的数值研 究工作 1 7 - 2 2 1 4 b u n d y 等 人发 展了 矩量法全 波分析法 1 7 - 2 0 1 。 在这 种方法中 假设 栅 格阵列是一个无限大周期结构，而且所有的有源器件同步锁相，仅考虑阵列的一 个单元，这样我们把模拟整个栅格阵列的问 题简化为模拟单个单元的问 题，单元 的边缘满足专门的边界条件。将电场和栅格金属导体的面电流密度结合在一起， 矩量法的公式就是由 此推出的，而且各公式是由傅里叶级数表示出的。众多单元 结 构诸如偶极子、交 叉偶极子、 蝴蝶结的 驱动点阻 抗都已 经给出 1 7 - 2 0 。 计算出 的驱动点阻抗可以是带有金属的电介质单元也可以是两边不带有金属的电介质单 元。与感应电 动势法相比上述方法计算出的驱动点阻抗是有效的 2 2 0 以上介绍的数值方法大都是频域内的分析方法，在时域里多采用时域有限差 分法 ( f d t d ) 对周期阵列展开分析。 f d t d因其简单、准确、 有效的 特点而在模 拟很多电磁问题时被广泛使用。1 9 9 6年时域有限差分法用于准光阵列的分析 2 3 - 2 4 。 后来又将f d t d算法用于 准光 有源器 件栅格的 分析 2 5 。 它 可以 精确的 分 析计算出衬底与空气分界面上的栅格阻 抗， 这一点用其它方法很难获得。 1 .4 论文结构安排 本论文工作主要包括以下方面: 第一:采用全波分析法对准光栅格结构进行分析。一方面对无限大准光栅格 阵列展开全波分析， 采取单元近似法， 对单元边界采取边界条件强制模拟单元间 的相互作用。矩量法在辐射电 场结合金属表面电流密度的基础下推到出一系列表 达式。另一方面是对有限准光栅格阵列的矩量法分析，考虑单元间的互祸合作用， 两北1 业大学硕士学位论文 第 1章 绪论 借助准光并矢格林函数和傅里叶变换实现了空间域和i域计算，很好的完成了阵 列的全波分析。 第二:对准光振荡器栅格进行等效电路模拟分析。运用准光栅格阵列的结构 和基本的二端口电路理论，综合分析了振荡器栅格的