本發(fā)明涉及太赫茲通信系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于lienard方程高輸出功率rtd太赫茲振蕩器。

背景技術(shù)：

1、隨著虛擬現(xiàn)實、超高清視頻通信和智能制造等新興技術(shù)的推廣應用，未來數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，因而對數(shù)據(jù)通信的帶寬和容量需求日益旺盛。盡管目前5g通信的數(shù)據(jù)峰值傳輸速率可達10gbit/s，但仍然無法滿足未來的帶寬和容量需求。根據(jù)未來無線通信的發(fā)展預期，6g通信傳輸速率將是5g通信的10～100倍，即峰值傳輸速率最高將達到1tbit/s，而當前的微波/毫米波頻段無法提供足夠的帶寬，因而亟需尋找更高帶寬的頻譜資源。

2、太赫茲介于毫米波與遠紅外頻段之間，頻率資源豐富，可利用的工作帶寬可達幾十ghz，滿足tbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率的帶寬需求，因而成為極具潛力的6g關(guān)鍵候選頻段。目前，已確定的太赫茲通信頻段包括：d頻段(110ghz～170ghz)、g頻段(140ghz～220ghz)和h/j頻段(220ghz～330ghz)。要實現(xiàn)上述頻段的太赫茲通信，亟需加快太赫茲器件與芯片的研發(fā)。

3、作為太赫茲通信的核心部件，太赫茲源是制約太赫茲通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。尤其是輸出功率，其直接決定太赫茲通信的傳輸距離，因而成為當前太赫茲研究的熱點之一。目前太赫茲波的產(chǎn)生方式主要有光學和電學兩種方案。與光學方式相比，全固態(tài)電學方案更易于集成，可實現(xiàn)小型化、低功耗的原型樣機。在眾多固態(tài)電子器件中，基于共振隧穿二極管(resonant?tunnelling?diode,rtd)構(gòu)建的振蕩器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、室溫工作和振蕩頻率高等優(yōu)點，因而成為當前最具應用潛力的太赫茲源[1]。

4、目前，已有利用rtd負阻特性研制太赫茲振蕩器的設(shè)計，例如，cimbri?d等人利用量子輸運仿真器優(yōu)化設(shè)計了一種rtd的器件結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，該器件有望在300ghz附近為振蕩電路提供高達6mw的輸出功率，但其并未說明rtd輸出高功率的理論依據(jù)和優(yōu)化設(shè)計流程[2]。此外，al-khalidi?a等人基于電路阻抗分析提出了一種j頻段rtd太赫茲振蕩器的設(shè)計方法，研制出了一款利用短路共面波導的rtd太赫茲振蕩器，其在260ghz附近可獲得1mw的輸出功率，但難以滿足中距離太赫茲無線通信鏈路的功率需求[3]。目前，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于rtd太赫茲振蕩器優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)專利公布。

5、綜上所述，為了實現(xiàn)中遠距離的太赫茲通信，迫切需要研發(fā)高輸出功率的rtd太赫茲源，以便為未來6g通信提供強大的技術(shù)支撐。

6、參考文獻：

7、[1]cimbri?d,wang?j,al-khalidi?a,et?al.resonant?tunneling?diodes?high-speed?terahertz?wireless?communications-areview[j].ieee?transactions?onterahertz?science?and?technology,2022,12(3):226-244.

8、[2]cimbri?d,morariu?r,ofiare?a,et?al.in0.53ga0.47as/alas?double-barrierresonant?tunnelling?diodes?with?high-power?performance?in?the?low-terahertzband[c].2022fifth?international?workshop?on?mobile?terahertz?systems,2022:1-5.

9、[3]abdullah?a?k,khalid?h?a,wang?j,et?al.resonant?tunneling?diodeterahertz?sources?with?up?to?1mw?output?power?in?the?j-band[j].ieeetransactions?on?terahertz?science?and?technology,2020,10(2):150-157.

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、由于當前rtd太赫茲振蕩器的設(shè)計理論不完備，且輸出功率較低，因而限制了其在中遠距離太赫茲無線通信中的實際應用。為此，本發(fā)明提出了一種基于lienard方程的rtd太赫茲振蕩器，優(yōu)化設(shè)計rtd器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以期實現(xiàn)rtd太赫茲振蕩器的高功率輸出。本發(fā)明提出的rtd振蕩器設(shè)計有望用于高功率rtd太赫茲振蕩器的實際研發(fā)中，詳見下文描述：

2、一種基于lienard方程的高輸出功率rtd太赫茲振蕩器，其特征在于，所述振蕩器包括：

3、構(gòu)建rtd太赫茲振蕩器的理論模型；

4、通過對理論模型的分析，實現(xiàn)輸出功率和rtd器件參數(shù)的協(xié)同設(shè)計；

5、所述rtd器件的結(jié)構(gòu)包括：核心區(qū)域為雙勢壘量子阱結(jié)構(gòu)，在核心區(qū)域兩側(cè)，分別為隔離層、輕摻雜層、集電極和發(fā)射極、集電極接觸層和發(fā)射極接觸層。

6、所述理論模型為：

7、

8、其中，τ、u、ε、β均為模型參數(shù)，其表達式如下：

9、

10、

11、其中，v是rtd器件大信號等效電路模型中受控電流源兩端的電壓；a和b均為擬合參數(shù)；rs、crtd分別是rtd器件的接觸電阻和電容；l是rtd太赫茲振蕩器的諧振電感；rl是測試儀器或天線的阻抗。

12、所述太赫茲振蕩器輸出功率和rtd器件參數(shù)的協(xié)同設(shè)計為：對于雙量子阱結(jié)構(gòu)，勢壘層厚度的選取折中考慮；薄的量子阱增強量子阱內(nèi)電子的束縛能力，阱內(nèi)第一束縛能級e1與導帶底的間距增加，進而增大rtd的峰值電壓vp；同時，e1與e2的能級間距增大，表現(xiàn)為谷值電壓vv和峰谷電壓差δv變大；隔離層在rtd器件結(jié)構(gòu)中起到阻擋雜質(zhì)擴散的作用，較薄的隔離層降低δv，但對δi影響不大，增大a值；集電極與發(fā)射極的摻雜濃度在1018cm-3量級保證足夠的載流子數(shù)目，接觸層的摻雜濃度設(shè)置在1019cm-3量級。

13、其中，所述勢壘層厚度為1.2nm，量子阱厚度為4.1nm。所述隔離層的厚度為1.5nm、輕摻雜層的厚度為25nm、摻雜濃度為2×1016cm-3。所述集電極的厚度為160nm、摻雜濃度為2×1018cm-3；發(fā)射極的厚度為25nm、摻雜濃度為2×1018cm-3。所述集電極接觸層的厚度為40nm、摻雜濃度為3×1019cm-3；發(fā)射極接觸層的厚度為400nm、摻雜濃度為3×1019cm-3。

14、本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

15、1、本發(fā)明從rtd太赫茲振蕩器電路的基本理論出發(fā)，建立了基于lienard方程的理論模型，并從該理論模型出發(fā)，推導出rtd器件輸出高功率時需要滿足的基本條件，從而建立振蕩器穩(wěn)定振蕩和rtd器件結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系，實現(xiàn)了振蕩器輸出功率和rtd器件參數(shù)的協(xié)同設(shè)計，為高輸出功率rtd太赫茲振蕩器的設(shè)計提供了理論依據(jù)；

16、2、本發(fā)明建立的rtd太赫茲振蕩器理論模型中考慮了接觸電阻rs的影響，因而整體模型更接近實際情況，能夠更全面地指導高輸出功率rtd太赫茲振蕩器的設(shè)計；

17、3、本發(fā)明所設(shè)計的rtd太赫茲振蕩器具有輸出功率高和振蕩建立時間短等優(yōu)點，可以應用在中遠距離的太赫茲無線通信鏈路中。

18、綜上所述，本發(fā)明提出的基于lienard方程的高輸出功率rtd太赫茲振蕩器設(shè)計在實際應用中具有良好的應用前景。