太赫兹(Terahertz,THz)波是毫米波与红外之间的电磁带隙,具有量子能量低、频带宽和穿透非极性材料等特点,在雷达、通信、医疗、射电天文、空间探测、安全检测等领域具有广泛的应用前景和价值,被誉为―改变世界未来‖的十大技术之一。太赫兹信号发生和接收技术是太赫兹科学研究和工程应用的关键,实现方式主要包括电子学和光子学两种。其中,基于倍频和混频的固态太赫兹信号发生和接收,凭借其体积小、寿命长、频率可调谐等诸多优势,成为太赫兹技术领域研究热点之一。随着半导体技术的不断发展,太赫兹倍频源和混频探测器的性能有了长足的进步,但如何解决宽频带和高效率之间的相互制约,实现宽带高效率太赫兹倍频器和混频器,依然是一个技术难题。论文针对高功率、高灵敏度和大动态范围测试仪器的应用需求,围绕固态宽带太赫兹倍频器和混频器设计难题,重点开展了太赫兹平面肖特基二极管精准建模、宽带高效奇次和偶次倍频、宽带低变频损耗偶次谐波混频、宽带倍频源及混频探测器链路等方面的技术研究。论文主要的研究工作和成果如下:1.针对太赫兹变频电路频率高,非线性器件模型要求高等特点,提出基于非线性参数端口阻抗影响的器件三维模型等效寄生参数提取方法,并通过电路测试反演,不断修正电路模型,确保二极管模型的准确性。基于上述模型,提出了太赫兹变频电路全电磁场一体化精准设计方法,建立了电路全电磁场仿真模型,并将基板加工、波导加工、二极管及腔体装配等误差分量考虑在内,降低了微尺寸太赫兹电路混合集成对装配加工工艺的要求。上述非线器件和电路建模方法,有效地解决了宽频带太赫兹变频电路的设计实现问题。2.提出了太赫兹无介质二倍频方法,建立了由金属鳍线和巴伦构成的二倍频电路模型。巴伦由垂直于输入波导宽边的渐变金属脊配合槽线构成,用于将输入信号等幅反向地馈至T形二极管。为满足宽带特性,金属脊渐变符合n阶正弦和指数拟合函数,金属鳍线用于提取倍频后的二次谐波信号。同时利用横跨在金属脊上的空气桥,确保二次谐波信号向输出端口单向传输。相对于传统的二倍频方法,消除了介质损耗和介质基底的寄生参数,提高了倍频效率、扩展了带宽。利用上述方法设计了140~220GHz宽带二倍频器,并进行了实验验证,在全波导带宽内,该电路的倍频效率测试值为8.7%~12.7%,电路测试结果和仿真结果一致。测试的倍频器效率等性能指标优于其它已发表的同频段二倍频器的结果。3.开展了基于薄膜工艺的宽带平面集成电路技术研究,建立了以波导作为平衡结构和微带探针作为不平衡结构的170~260 GHz二倍频电路宽带模型。该电路采用了高Q值、尺寸紧凑的“工字型”基波滤波单元结构,降低基波信号杂散对倍频电路的影响,实现了85~130 GHz输入信号至串联二级管的高效耦合;建立了T形二极管的三维电磁场模型,配合输出探针和波导进行了一体化宽带匹配,实现了170~260GHz频段信号在二极管阳极端的高效耦合输出,扩展了带宽,提高了倍频效率。最后完成了170~260 GHz二倍频器的制造、装配和测试,该电路在全波导带宽内变频效率优于4%,输出功率典型值大于2 mW,电路测试结果和仿真结果一致。4.基于空间功率合成技术,提出了空间多层倍频方法,建立了110~170 GHz频段三倍频器模型。该倍频器整体采用的空间多层金属鳍线结构,有效地提高了倍频器的压缩点;无介质基片电路结构的使用,消除了介质损耗,提高了倍频效率;脊波导的良好对称性消除了非线性器件物理长度带来的相位影响,能够有效地抑制偶次谐波与杂散;此外,器件与金属腔体直接互联,能够显著提高器件热耗散效率,保证倍频器的可靠性。本章最后完成了110~170 GHz双层三倍频器的制造、装配和测试,输入功率为147~208 mW时,该三倍频器在全带宽内的效率为5.7%~7.8%,功率承受能力大于0.5 W,电路测试结果和仿真结果一致。5.提出了基于反向并联肖特基二极管对的偶次谐波混频器设计方法,建立了分布式接地的宽带偶次谐波混频电路模型。射频输入端采用双接地结构,提高了射频的耦合效率,有效地抑制混频产物对器件工作状态的影响,实现了射频信号的宽带阻抗匹配,进一步拓展带宽。本振输入端采用高Q值悬置微带谐振单元级联结构,在实现本振信号宽带阻抗匹配的同时,减少本振谐波泄露到管芯和射频端口,消除了本振谐波对混频器宽带性能的影响,提高混频效率,增强本振和射频端口的隔离度,提高射频信号馈入二极管的效率。基于上述方法设计了325~500 GHz四次谐波混频器与260~400 GHz二次谐波混频器,并进行制造和测试。在325~500 GHz全带宽内实现了15~22 dB的变频损耗,在260~400 GHz全带宽内实现了10~14 dB的变频损耗,电路测试结果和仿真结果一致。6.开展了325~500 GHz倍频链路和混频链路的方案设计。325~500 GHz倍频链路采用36次倍频级联方案,由8~28 GHz二倍频器,36~56 GHz二倍频器,36~56 GHz功率放大器,108~166 GHz三倍频器和325~500 GHz三倍器五部分组成。325~500GHz混频链路采用四次谐波混频方案,本振采用6次倍频级联方案实现,由27~41.7 GHz倍频放大器和81.3~125 GHz三倍频器两部分组成。针对倍频和混频链路的各个部件进行设计制造和测试验证,实现了325~500 GHz倍频链路的输出功率大于-10 dBm和混频链路变频损耗小于22dB的技术指标。