一种基于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了基于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法，在优化设计时，通过提取传输线单元结构的特性参数，建立传输线阶梯结构表征阻抗阶跃变换特性；同时在选用合适的太赫兹二极管后，建立所需工作频段的二极管电路模型；结合所设计器件建立完整的器件整体电路模型；通过设置以整体器件性能为优化目标的目标函数，进行谐波平衡仿真的优化设计，得到最优化结果。然后按照优化后的传输线单元结构的结构参数，将其组合，建立所涉及器件的无源结构整体模型，并进行无源电路整体仿真，并将仿真结果进行重新验证，以查看是否仍然满足指标。若不满足则返回前面的步骤进行调整，直到满足设计要求。本发明专利技术用于太赫兹频段器件的设计，其设计准确、高效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太赫兹电路仿真设计领域，具体包括一种适用于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法。
技术介绍
太赫兹波包含了频率为0.1到10THz的电磁波，其长、短波段分别与微波毫米波、红外光相重合，兼具微波毫米波和光波的部分优点，在宽带通信、精确制导、物体成像、环境监测及医疗诊断等领域应用前景广阔，掌握太赫兹技术具有十分重要的意义。其中太赫兹频段器件作为实现太赫兹技术的关键器件，广泛应用于通信、雷达、检测等近乎所有太赫兹应用系统，是太赫兹技术的关键研究方向。传统的分部式太赫兹频段器件优化设计方法侧重于单元电路性能的仿真优化设计，即在各个太赫兹频段器件无源结构最优化设计的基础上，设计阻抗匹配结构对二极管进行阻抗匹配，其特点在于将太赫兹频段器件电路分解为各单元电路，进行各单元电路的最优化设计，再将各单元电路有机结合组成完整的太赫兹频段器件电路，以实现太赫兹频段器件电路优化设计。但是，这种采用基于太赫兹频段器件单元电路性能的分部优化设计方法在设计二极管匹配电路时，由于太赫兹频段电路屏蔽腔尺寸很小，无法使用支节匹配等结构不规整的阻抗匹配结构，其仿真优化空间有限，因此，需要研究适用于太赫兹频段的器件电路优化设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有仿真技术中的上述问题，提供一种适用于太赫兹频段器件的准确、高效、系统的实现太赫兹频段电路结构的电路优化设计方法。本专利技术的一种基于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法，包括下列步骤：步骤1：基于太赫兹频段器件的技术指标需求设计器件结构；步骤2：对所设计器件进行单元电路划分，得到多个传输线单元结构，并提取各传输线单元结构的传输线特性参数，包括悬置微带线特性阻抗Z，有效介电常数K，单位长度传输损耗A等特性参数；步骤3：对所设计器件包含的二极管进行太赫兹二极管选材；步骤4：基于采用的太赫兹二极管建立所需工作频段的二极管电路模型；步骤5：基于步骤1设计的器件建立完整的器件整体电路模型，通过设置以整体器件性能为优化目标的目标函数，进行整体电路优化谐波平衡仿真优化设计，得到满足所述技术指
标需求的最优化结果，即以整体器件性能为优化目标，对传输线单元结构的结构参数进行优化设计，得到满足所述技术指标需求的最优传输线单元结构；步骤6：组合步骤5得到的各最优传输线单元结构，建立所设计器件的无源结构整体模型，并进行无源电路整体仿真，判断仿真结果是否满足所述技术指标需求，若是，则结束；否则，重新执行步骤2、4、3和/或1，对设计器件进行调整，直到满足设计要求。基于本专利技术设计太赫兹频段器件时，其关键技术在于将太赫兹频段器件的单元电路进一步分解为传输线单元结构，对传输线单元结构建模，得到其不连续性特性修正的理想传输线模型替代原有模型，最后结合二极管电路模型建立以太赫兹频段器件总体性能为优化目标的总体仿真电路。其技术特点是不追求太赫兹频段器件的单元电路各自的性能优化，而是以更基本的传输线单元结构为优化变量，以太赫兹频段器件的整体性能为优化目标进行优化设计。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)不要求实现各单元电路的最优化设计，节省了对单元电路的设计时间；(2)将各单元电路分拆成独立的传输线单元结构，每个传输线单元结构参数都可以作为太赫兹频段器件的优化设计变量，相对于分部优化设计方法单独对二极管进行匹配的简单匹配方式，扩展了匹配变量的数目和优化空间；(3)对每个传输线单元结构的结构参数进行优化，相对于对单元电路的最优化设计，对电路加工尺寸具有更好的容差性；(4)本专利技术的优化设计方法精确、应用方便、便于推广。附图说明图1是本专利技术具体实施方式的优化设计流程；图2是电路分解示意图；图3是悬置微带传输线HFSS和ADS模型；图4是悬置微带传输线阶梯阻抗变换结构HFSS和ADS模型；图5是低通滤波器HFSS和ADS模型；图6是减高波导HFSS和ADS模型；图7是射频直流地和波导短路面HFSS和ADS模型；图8是探针结构HFSS和ADS模型；图9是二极管在悬置微带电路中的三维电磁模型；图10是二极管在太赫兹混频器优化设计中的完整电路模型。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本专利技术作进一步地详细描述。将本专利技术的优化设计方法用于太赫兹混频器电路优化设计中，在具体实现中，使用ADS(Advanced Design system)和HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件实现优化设计。参见图1，其具体包括下列步骤：步骤S1：基于器件技术指标需求，设计器件结构；步骤S2：建立如图2所示的太赫兹混频器电路分解示意图，得到11个传输线单元结构，包括射频直流地1、RF(射频)探针结构2、RF减高波导3、二极管4、LO波导短路面5、LO波导探针6、IF低通滤波器7、LO探针8、LO减高波导9、LO低通滤波器10、RF波导短路面11。提取各传输线单元结构的传输线特性参数，包括悬置微带线特性阻抗Z，有效介电常数K，单位长度传输损耗L、频率F、损耗角正切TanD等特性参数。在HFSS中建立一段悬置微带传输线模型——矩形波导传输线，通过HFSS进行三维电磁仿真得到所需工作频段的悬置微带传输线的微带线特性阻抗Z，有效介电常数K，单位长度传输损耗A等特性参数，与ADS的理想传输线模型TLINP模型(理想传输线模型)相结合，得到可以直接应用在ADS电路仿真中的准确的太赫兹悬置微带传输线模型，如图3所示。对于悬置微带阶梯阻抗变换结构，可以通过HFSS的端口去嵌功能，将其不连续性结果导出SNP文件代入ADS的二端口S参数(散射参数)数据模型，如图4所示。继而对于由悬置微带传输线单元结构构成的本振和低通滤波器来说，其可以在ADS中表示成如图5所示电路。对于减高波导结构，则可以采用和悬置微带传输线类似的处理方式，矩形波导传输线可以直接采用ADS的矩形波导模型，如图6所示。对于本振和射频波导探针过渡的波导短路面结构以及射频波导探针过渡中的射频直流地结构可以通过去嵌，导出SNP文件代入ADS的端口S参数数据模型以表征其短路特性，如图7所示。对于本振和射频波导探针过渡的探针结构部分需在HFSS和ADS中建立四端口模型，如图8所示。步骤S3：选用合适的太赫兹二极管用于所设计器件，完成二极管选材；步骤S4：基于所选太赫兹二极管，建立二极管的电路模型，即建立二极管在悬置微带电路中的三维电磁模型(如图9所示)，提取出电路模型的S参数响应来表征二极管在太赫兹频段电路中的高频特性，进而如图10所示，与二极管本征SPICE(Simulation program withintegrated circuit emphasis)模型和已提取的太赫兹混频器传输线单元结构ADS模型构成二极管完整电路模型。步骤S5：使用以上所得模型建立太赫兹混频器ADS谐波平衡仿真的总体优化设计电路，以太赫兹混频器的总体性能为优化目标进行整体电路在ADS中进行谐波平衡仿真优化，得到满足所述技术指标需求的最优化结果，即优化的传输线单元结构的结构参数；步骤S6：组合优化后的各传输线单元结构，建立无源结构整体模型，并在HFSS中进行无源电路整体仿真，导出SNP文件；步骤S7：将步骤S6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：基于太赫兹频段器件的技术指标需求设计器件结构；步骤2：对步骤1设计的器件进行单元电路划分，得到多个传输线单元结构，并并提取各传输线单元结构的传输线特性参数；步骤3：对步骤1设计的器件包含的二极管进行太赫兹二极管选材；步骤4：基于采用的太赫兹二极管建立所需工作频段的二极管电路模型；步骤5：基于步骤1设计的器件建立完整的器件整体电路模型，并在满足所述技术指标需求的前提下进行整体电路优化谐波平衡仿真优化设计，得到优化后的传输线单元结构的结构参数；步骤6：组合步骤5优化后的各传输线单元结构，建立步骤1设计的器件的无源结构整体模型，并进行无源电路整体仿真，判断仿真结果是否满足所述技术指标需求，若是，则结束；否则，重新执行步骤2、4、3和/或1。

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹频段器件总体性能的优化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：基于太赫兹频段器件的技术指标需求设计器件结构；步骤2：对步骤1设计的器件进行单元电路划分，得到多个传输线单元结构，并并提取各传输线单元结构的传输线特性参数；步骤3：对步骤1设计的器件包含的二极管进行太赫兹二极管选材；步骤4：基于采用的太赫兹二极管建立所需工作频段的二极管电路模型；步骤5：基于步骤1设计的器件建立完整的器件整体电路模型，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，肖筑文，徐锐敏，延波，赵伟，任田昊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51