平面纳米耿氏振荡器之间的锁相机制研究

Planar Gunn-oscillator now becomes a hot point in the studies of microwave-source for its seamless connection with monolithic microwave integrated circuits (MMICs). It would be benefit for enhancing output power and improving phase properties when oscillators are connected to form an array. However, few efforts about this have been made. As such, in this proposal, we plan to study the mutual phase-locking of planar nanometer Gunn-oscillators, which services as the key point for understanding the working principle of arrays. Ensemble Monte Carlo (EMC) method which describes the micro behaviors of electrons in the oscillators will be used to analyze the coupling between oscillators. As a result, the possible coupling path will be made sure. In order to lock the oscillators at a special phase, additional structures have been introduced to choice a coupling path or change the strength of coupling. Then the output transient signals obtained during the phase-locking process are analyzed using Hilbert-Huang transform to pick up the key information of phase-locking. Basing on the obtained key information, an equivalent circuit model will be set up to study the relationship between structural parameters and the phase-locking. Our studies will bring the phase-locking mechanism of planar nanometer Gunn-oscillators to light. Also, structures with proper parameters for realizing phase-locking are also provided. Moreover, the invention of a tiny phase-controlled microwave source maybe benefit from our researching results.

平面耿氏振荡器由于能与单片微波集成电路（MMICs）实现无缝连接，成为当前微波辐射源的研究热点之一。将振荡器组成阵列能提高辐射功率、控制并改善辐射波波阵面的相位分布，然而相关研究尚少。为此，本项目计划研究平面纳米耿氏振荡器阵列工作机制的关键——振荡器间的相位关系。内容包括:采用系综蒙特卡罗方法追踪振荡器中电子的传输行为，获取并分析振荡器间相互作用的空间分布从而确定可能存在的耦合路径；通过在振荡器间引入额外的结构改变耦合路径及强度以实现特定的相位锁定；运用自适应时变信号处理方法——“希尔伯特-黄变换”对锁相过程中输出的瞬态信号进行“时-频”分析，提取导致锁相的关键成份并根据锁相理论对其演化特性进行分析、建模；在此基础上研究并确定器件结构参数与锁相之间的关系。本研究将揭示平面纳米耿氏振荡器的锁相机制、给出实现锁相的器件结构及对应的工艺参数要求。研究成果有望为开发微型相控微波辐射源提供理论依据。

随着大数据时代的到来，为了满足海量数据的高速传输，未来无线通信载波频率不断向更高频段拓展是势在必行的。本项目所研究的平面耿氏振荡器能与单片微波集成电路（MMICs）实现无缝连接，有望成为未来无线通信载波源。.项目主要针对振荡器之间的锁相机制，采用系综蒙特卡罗方法结合“时-频”分析及模型构建开展研究。主要内容包括：器件间的耦合及相位控制方法研究；基于固定结构的锁相研究；基于表面栅的动态可调谐锁相研究；锁相瞬态过程的时频分析研究；基于表面栅的串联阵列的调控研究。.研究表明：锁相的实现取决于器件间相连部分的阻抗，通过额外引入绝缘刻槽或添加表面栅极改变相连部分的阻抗可以增强耦合从而实现锁相。锁相的类型与耦合位置相关；靠近器件输入端的耦合将导致同相位锁定，相反靠近器件输出端的耦合将导致反相位锁定。此外，我们还详细给出了器件中耿氏电子极畴的动力学过程，揭示了串联多极畴的出现是由于表面栅极在耿氏振荡沟道中产生的空间非均匀电场分布所导致的。.研究获得了：两种固定锁相结构、两种动态可调谐结构和一种畴可调谐结构。利用同相位锁定可获得最佳功率合成；利用反相位锁定能够在无需外加滤波电路的情况下合成并提取更高频率的输出信号（获得高于0.7太赫兹的输出频率）。畴可调谐结构不仅提高了耿氏器件的工作频率（三个电子极畴同相振荡能够获得3倍频率输出——超过1太赫兹），而且具有频率宽带可调谐（调谐范围达到0.7太赫兹）的特性。.未来通信载波频率的提高带来了传输容量提升的好处，但同时也对对准提出了更高的要求（因为波长减小了）。为此需要发展波束方向可调的辐射源。本项目重点研究了振荡器之间的相位控制机制，给出了实现相位动态可调谐的器件结构，为进一步设计波束方向可调的辐射源奠定了基础。