Generation of tunable narrow-band surface-emitted terahertz radiation in periodically poled lithium

1 Department 2 Department ∗
of Physics, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China of Electrical Engineering, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA 3 fliu@
© 2015 Optical Society of America
OCIS codes: (230.4555) Coupled resonators; (050.6624) Subwavelength structures; (130.3120) Integrated optics devices; (300.1030) Absorption; (300.3700) Linewidth.
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第50卷第5期2021年5月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.50㊀No.5May,2021Cs 2HfCl 6和Cs 2HfCl 6ʒTl 晶体的生长、光学和闪烁性能研究成双良1,2,任国浩2,吴云涛2(1.上海理工大学材料科学与工程学院,上海㊀200082;2.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海㊀201800)摘要:本文使用坩埚下降法制备了ϕ7mm 的未掺杂Cs 2HfCl 6与Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl(摩尔分数)单晶,对晶体样品进行了物相㊁杂质含量㊁光学和闪烁性能的研究㊂该晶体属于立方晶系,空间群为Fm 3m ㊂在荧光和X 射线激发下,未掺杂Cs 2HfCl 6晶体的发光主峰皆为380nm,对应于自陷激子发光㊂Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl 晶体在荧光和X 射线激发下,发射光谱中除了存在380nm 处的自陷激子发光,也存在505nm 处Tl +的sp-s 2跃迁发光㊂Cs 2HfCl 6和Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl 晶体的光输出分别为37000photons /MeV 和36500photons /MeV,在662keV 处的能量分辨率皆为3.5%㊂在137Cs 源激发下,Cs 2HfCl 6晶体的闪烁衰减时间为0.37μs (4.2%)㊁4.27μs (78.9%)和12.52μs (16.9%),Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl 晶体的闪烁衰减时间为0.33μs (3.5%)㊁4.09μs (81.9%)和10.42μs (14.5%)㊂关键词:Cs 2HfCl 6ʒTl;自陷激子发光;sp-s 2跃迁;闪烁晶体;坩埚下降法;能量分辨率中图分类号:O734㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2021)05-0803-06Optical and Scintillation Properties of Cs 2HfCl 6and Cs 2HfCl 6ʒTl Single Crystals Grown by the Bridgman MethodCHENG Shuangliang 1,2,REN Guohao 2,WU Yuntao 2(1.School of Materials Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082,China;2.Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China)Abstract :The ϕ7mm undoped Cs 2HfCl 6and Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl(mole fraction)single crystals were grown by the Vertical Bridgman method.The phase,impurities concentrations,luminescence and scintillation properties of crystal samples were studied.Both crystals belong to the cubic crystal structure and the space group of Fm 3m .When excited by ultraviolet light andX-ray,both crystals exhibit an emission peak at 380nm originated from self-trapped excitons emission,and Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl crystal exhibits an extra Tl +sp-s 2transition induced emission at 505nm.Cs 2HfCl 6and Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl possess high light yields of 37000photons /MeV and 36500photons /MeV respectively and both have excellent energy resolutions of 3.5%at 662keV under excitation of 137Cs source.The scintillation decay time of undoped Cs 2HfCl 6is comprised of 0.37μs (4.2%),4.27μs (78.9%)and 12.52μs (16.9%).The scintillation decay time of Cs 2HfCl 6ʒ0.2%Tl is comprised of 0.33μs (3.5%),4.09μs (81.9%)and 10.42μs (14.5%).Key words :Cs 2HfCl 6ʒTl;self-trapped exciton emission;sp-s 2transition;scintillation crystal;Bridgman method;energy resolution㊀㊀㊀收稿日期:2021-03-09㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(11975303);上海市自然科学基金(20ZR1473900);上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重大项目(ZJ2020-ZD-005);上海市科委 科技创新行动计划 高新技术领域项目(20511107400)㊀㊀作者简介:成双良(1996 ),男,江苏省人,硕士研究生㊂E-mail:csl123450@ ㊀㊀通信作者:吴云涛,博士,研究员㊂E-mail:ytwu@ 0㊀引㊀㊀言近年来,随着核医学成像㊁国土安全以及高能物理等领域对于核辐射探测器性能要求的日益提高,作为探测器核心的闪烁晶体也在不断发展[1-3]㊂高性能辐射探测谱仪要求闪烁晶体拥有高密度㊁高光输出㊁高能804㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷量分辨率和快衰减时间等性质㊂到目前为止,最具有代表性的高性能γ能谱探测闪烁晶体是LaBr3ʒCe和SrI2ʒEu㊂这两种闪烁晶体都有非常优异的光输出(>60000photons/MeV)和能量分辨率(<3%@662keV)等性质[4-5]㊂然而这两种晶体的强潮解性和晶体结构对称度较低所造成的各向异性,严重影响着这些晶体材料的生长和加工,大大提高了使用成本㊂不仅如此,由于掺杂离子带来的自吸收和发光不均匀性也使这些晶体的闪烁性能随着尺寸的增加而明显劣化㊂因此,开发一种潮解性弱㊁结构对称性高㊁本征发光㊁无自吸收且同时有着优异闪烁性能的卤化物闪烁晶体成为国际闪烁晶体领域追逐的目标㊂美国Fisk大学的Burger教授在2015年发现的Cs2HfCl6(CHC)单晶正是一种有着以上诸多优异特性的闪烁晶体[6]㊂CHC有着较高的相对原子序数(Z eff=58)和密度(ρ=3.86g/cm3),对射线的阻止能量强㊂CHC属于立方晶系,对称度高,同时潮解性微弱,易于生长和加工㊂由于这种材料的发光机理为自陷激子发光,拥有较大的斯托克斯频移(约2.5eV),所以具有高发光效率和弱自吸收的优点㊂同时,CHC晶体闪烁性能优异,光输出达到54000photons/MeV,能量分辨率为3.3%@662keV[7-9]㊂不仅如此,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Steve Payne博士在基于能量非线性响应曲线的拟合中发现,CHC的理论能量分辨率可以达到1.37%@662keV,这表明在经过合理的晶体质量和组分优化后,CHC晶体很可能成为首个在662keV处能量分辨率突破2%的闪烁材料[6]㊂Tl+是一种常用的闪烁晶体掺杂剂,广泛应用在NaIʒTl和CsIʒTl等传统闪烁晶体中㊂日本东北大学的Saeki为了优化CHC的闪烁性能,生长并研究了Tl+掺杂的CHC晶体,并报道了部分闪烁性能,其光输出为23700photons/MeV,明显劣于未掺杂的CHC晶体(27500photons/MeV)[10]㊂然而该研究中使用的HfCl4原料纯度较低(质量分数99.9%),未经过进一步提纯处理,并且样品光学质量较差㊂本文使用升华法提纯了HfCl4原料,使用坩埚下降法成功生长了高光学质量的CHC与CHCʒTl单晶,研究了提纯前后杂质含量与晶体内Tl+的实际含量,并对Tl+掺杂前后CHC晶体的物相㊁光学性能与闪烁性能进行了系统的表征和分析㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀晶体生长晶体生长使用的原料为HfCl4(99.9%,APL Engineered Materials)㊁CsCl(99.999%,Sigma Aldrich)和TlBr (99.995%,Sigma Aldrich)㊂由于市售HfCl4纯度较低,在使用前须经过升华提纯处理,基于HfCl4的高蒸气压与低升华点[11],升华温度为350~450ħ,时间为24h㊂将准备好的原料以Cs2HfCl6与Cs2HfCl6ʒ0.2%Tl (摩尔分数)的化学计量比配好,并装到直径为7mm的石英坩埚中㊂石英坩埚在使用前经过去离子水清洗,并在真空中烘干12h以确保坩埚内壁无水分与其他杂质㊂将装有原料的石英坩埚进行抽真空操作,当坩埚内气压小于10Pa后进行焊封以保证晶体生长过程处于真空状态㊂整个装料与封管过程均在充满氩气的手套箱中进行,手套箱内的水氧含量均小于10-7㊂将封好的装有原料的坩埚置于布里奇曼晶体生长炉内,根据相图,Cs2HfCl6的熔点为820ħ,因此升温至850ħ并保温24h以保证原料充分熔化并反应[12]㊂将温度降至熔点820ħ并进行晶体生长,晶体生长速度为0.5mm/h,结晶界面的温度梯度约为30~35ħ/cm㊂在晶体生长结束后以10ħ/h的速率降温至室温㊂1.2㊀性能测试原料提纯前后杂质含量与晶体内Tl+含量使用美国安捷伦公司的5100vdv型电杆耦合等离子体发射(ICP-OES)光谱仪进行测试㊂粉末X射线衍射(PXRD)图谱使用丹东浩元公司的DX-2800型X射线粉末衍射仪进行测试㊂使用的靶材为Cu,测试范围2θ为10ʎ~70ʎ,使用的电压和电流分别为40kV和40mA㊂吸收光谱使用PermkinElmer Lambda950型紫外-可见-近红外分光光度计进行测试㊂测试的波长范围为200~800nm㊂荧光激发和发射光谱使用Horiba FluoroMax+型荧光光谱仪进行测试,使用的光源为氙灯㊂X射线激发发射光谱测试中使用JF-10型携带式诊断X射线机作为激发光源,并且联立Horiba FluoroMax+型荧光光谱仪进行谱图采集,使用的电压和电流分别为50kV和5mA㊂㊀第5期成双良等:Cs 2HfCl 6和Cs 2HfCl 6ʒTl 晶体的生长㊁光学和闪烁性能研究805㊀137Cs 源激发下晶体的多道能谱使用经过量子效率校正的滨松R2059光电倍增管(PMT)和高量子效率的滨松R6231-100PMT 进行测试,分别用于单光子峰法标定绝对光输出和能量分辨率的计算[13],使用的高压分别为-1700V 与-1000V,使用的时间门宽均为10μs 以尽可能收集闪烁光㊂闪烁衰减时间曲线使用滨松R6231-100PMT 与Tektronix DPO 5104数字荧光示波器测试,使用的电压为-1000V㊂2㊀结果与讨论2.1㊀晶体生长与物相分析生长得到的晶体与加工后的样品如图1所示㊂图1(a)㊁(b)分别为未掺杂的CHC 与CHCʒTl 的晶锭和加工后的样品照片㊂晶体的直径为7mm,切割并抛光后的样品的尺寸为4mm ˑ4mm ˑ3mm㊂图中可以看出生长出的晶体透明㊁无色且无包裹体㊂未掺杂的CHC 与CHCʒTl 的PXRD 图谱如图2所示㊂由于Tl +的掺杂含量很低,掺杂前后的衍射峰角度与强度几乎不变㊂两种材料的衍射图谱与CHC 的标准卡片PDF#32-0233一致,并且没有多余的衍射峰出现,这表明不存在第二相㊂CHC 与CHCʒTl 均属于立方晶系,空间群为Fm 3m [14]㊂如表1所示,经过升华提纯后的HfCl 4原料中的Zr 含量只有0.046%(摩尔分数,下同),比提纯前(0.098%)减少了近53%,这证明升华提纯工艺可以显著提高原料的纯度,从而减少晶体中的杂质含量㊂对于CHCʒTl 晶体,在初始掺杂0.2%Tl +的情况下,晶体中Tl +的实际含量为0.12%㊂这说明Tl +在CHC 晶体生长过程中存在明显的分凝现象㊂图1㊀CHC(a)与CHCʒTl(b)的晶锭和样品照片Fig.1㊀Photographs of crystal ingots and samples of CHC (a)and CHCʒTl(b)图2㊀CHC 与CHCʒTl 的粉末X 射线衍射图谱Fig.2㊀PXRD patterns of CHC and CHCʒTl表1㊀提纯前后HfCl 4原料㊁CHC 与CHCʒTl 晶体中Zr 与Tl 的含量(摩尔分数)Table 1㊀Zr and Tl concentration in HfCl 4(before and after purification ),CHC and CHCʒTl crystals (mole fraction )Zr content /%Tl content /%HfCl 4(raw)0.098 HfCl 4(purified)0.046 CHC 0.062 CHCʒTl 0.0430.122.2㊀光学性能为了研究CHC 与CHCʒTl 的光学性能,首先测试了这两种晶体的吸收光谱㊁荧光激发和发射光谱㊂样品为直径7mm㊁厚度约1.5mm 的晶片且双面抛光㊂如图3(a)所示,CHC 与CHCʒTl 的吸收光谱中都存在三个吸收峰,分别位于215nm㊁245nm 和270nm 处㊂根据文献报道,215nm 处的吸收峰与CHC 的自陷激子发光相关,245nm 处的吸收峰与HfCl 4原料中伴生的Zr 杂质相关,270nm 处强吸收峰的来源尚未见报道[15]㊂但在Vanecek 等[16]的研究中发现,CHC 的激发光谱中存在以270nm 左右为中心的激发峰,对应的发光峰与215nm 紫外光激发得到的发光一致,也在380nm 左右㊂这个吸收可能来自某种未知杂质或缺陷,有待进一806㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷步研究㊂对比未掺杂的CHC的吸收峰,在CHCʒTl的吸收光谱中没有观察到Tl+吸收峰,这可能是由于Tl掺杂量较低或者Tl+的吸收与其他吸收带有重叠㊂CHC与CHCʒTl的荧光激发与发射光谱如图3(b)㊁(c)所示㊂当监测380nm处发光时,两种晶体的激发光谱几乎一致,激发峰位于270nm左右,这与吸收光谱中270nm处的吸收峰相对应,与文献报道一致[16]㊂而当使用300nm的紫外光激发CHCʒTl样品时,观察到发射光谱中出现一个505nm处的发光峰,与Tl+相关㊂当监测505nm处发光时,激发光谱中245nm处的激发峰增强,同时观察到280nm处的激发峰㊂根据文献报道,245nm处的激发峰对应Zr杂质相关的发光,此激发峰变强是因为505nm处除了Tl+相关发光外,还包含了一部分Zr杂质相关的发光[10]㊂Zr杂质相关的发光峰位于435nm左右,当监测505nm处时这部分发光强于监测380nm处,因此245nm处的激发峰变强㊂而280nm处的激发峰对应Tl+相关的505nm处发光,根据文献报道,可以认为这个发光来自Tl+的sp-s2跃迁[10]㊂图3㊀(a)CHC和CHCʒTl的吸收光谱;(b)CHC的荧光激发与发射光谱;(c)CHCʒTl的荧光激发与发射光谱Fig.3㊀(a)Absorption spectra of CHC and CHCʒTl;photoluminescence excitation and emissionspectra of CHC(b)and CHCʒTl(c)2.3㊀闪烁性能CHC与CHCʒTl的X射线激发发射光谱如图4(a)所示㊂这两种晶体的主发射峰均位于380nm左右,对应CHC的自陷激子发光㊂而CHCʒTl在505nm处的相对发光强度略强于未掺杂的CHC,这部分发光来自Tl+的sp-s2跃迁,与荧光光谱结果一致㊂为了标定CHC与CHCʒTl的绝对光输出,使用经过量子效率校正的滨松R2059PMT测试了样品在137Cs 源激发下的多道能谱,并同时测试了直径1英寸(2.54cm)的NaIʒTl标样作为参比样品,具体能谱如图4(b)所示㊂使用单光子峰法标定得到的CHC㊁CHCʒTl和NaIʒTl的绝对光输出分别为(37000ʃ2000)photons/MeV㊁(36500ʃ2000)photons/MeV和(45000ʃ2000)photons/MeV㊂未掺杂CHC的绝对光输出与报道中最佳的结果(36400photons/MeV)接近,并且比Saeki报道的结果高35%,而CHCʒTl的光输出比Saeki的结果高56%[8,10]㊂这与本文中制备晶体的高光学质量和低杂质含量相关㊂本文采用了高量子效率的滨松R6231-100PMT评价CHC和CHCʒTl样品的能量分辨率㊂137Cs源激发下的多道能谱如图5所示㊂未掺杂的CHC与CHCʒTl的在662keV处的能量分辨率均为(3.5ʃ0.2)%,该结果与报道的最佳能量分辨率接近(2.8%@ 662keV)[8]㊂CHC和CHCʒTl晶体在137Cs源激发下的闪烁衰减曲线如图6所示,采用三指数衰减曲线拟合㊂未掺杂的CHC的衰减时间分别为0.37μs(4.2%)㊁4.27μs(78.9%)和12.52μs(16.9%),CHCʒTl的衰减时间分别为0.33μs(3.5%)㊁4.09μs(81.9%)和10.42μs(14.5%)㊂两种晶体的三个分量占比都很接近,CHCʒTl 的衰减时间要略快于未掺杂的CHC样品㊂其中4μs左右的主分量来自CHC的自陷激子发光,慢于10μs的分量,来自晶体中存在的Zr杂质,而最快的分量来源尚且未知,有待进一步研究㊂CHCʒTl的衰减曲线中未发现Tl+对应的衰减时间分量,这可能是Tl+的发光在整个闪烁脉冲中占比较低,与其他分量叠加到一起导致的㊂㊀第5期成双良等:Cs2HfCl6和Cs2HfCl6ʒTl晶体的生长㊁光学和闪烁性能研究807㊀图4㊀(a)CHC和CHCʒTl的X射线激发发射光谱;(b)137Cs源激发下的CHC㊁CHCʒTl和NaIʒTl的多道能谱(滨松R2059PMT)Fig.4㊀(a)X-ray induced radioluminescence spectra of CHC and CHCʒTl;(b)pulse height spectra of CHC,CHCʒTl and NaIʒTl under137Cs irradiation图5㊀137Cs源激发下的CHC(a)和CHCʒTl(b)的多道能谱(滨松R6231-100PMT)Fig.5㊀Pulse height spectra of CHC(a)and CHCʒTl(b)under137Cs irradiation图6㊀CHC(a)和CHCʒTl(b)的闪烁衰减时间曲线Fig.6㊀Scintillation decay curves of CHC(a)and CHCʒTl(b)3㊀结㊀㊀论本文使用坩埚下降法生长了高质量Cs2HfCl6与Cs2HfCl6ʒ0.2%Tl单晶㊂相比CHC晶体,CHCʒTl晶体除了380nm处的本征自陷激子发光外,还观察到Tl+的sp-s2跃迁所对应的505nm处发光㊂CHC和CHCʒTl晶体光输出分别为37000photons/MeV和36500photons/MeV,而662keV处的能量分辨率都可达到3.5%㊂808㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第50卷CHCʒTl的闪烁衰减时间为0.33μs(3.5%)㊁4.09μs(81.9%)和10.42μs(14.5%),各分量都略快于未掺杂的CHC㊂后续工作中,将进一步优化Tl+的掺杂量,研究Tl+对CHC晶体闪烁发光物理过程以及闪烁性能的影响㊂参考文献[1]㊀NIKL M,YOSHIKAWA A.Recent R&D trends in 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scintillator:cesium hafnium chloride(Cs2HfCl6)[J].The Journal of Physical Chemistry C,2016,120(22):12187-12195.[8]㊀ARIESANTI E,HAWRAMI R,BURGER A,et al.Improved growth and scintillation properties of intrinsic,non-hygroscopic scintillatorCs2HfCl6[J].Journal of Luminescence,2020,217:116784.[9]㊀LAM S,GUGUSCHEV C,BURGER A,et al.Crystal growth and scintillation performance of Cs2HfCl6and Cs2HfCl4Br2[J].Journal of CrystalGrowth,2018,483:121-124.[10]㊀SAEKI K,FUJIMOTO Y,KOSHIMIZU M,et al.Luminescence and scintillation properties of Tl-and Ce-doped Cs2HfCl6crystals[J].JapaneseJournal of Applied Physics,2017,56(2):020307.[11]㊀HAWRAMI R,ARIESANTI E,BULIGA V,et al.Advanced high-performance large diameter Cs2HfCl6(CHC)and mixed halides scintillator[J].Journal of Crystal Growth,2020,533:125473.[12]㊀KRÁL R,ZEMENOVÁP,VANĚC㊅EK V,et al.Thermal analysis of cesium hafnium chloride using DSC-TG under vacuum,nitrogen atmosphere,and in enclosed system[J].Journal of Thermal Analysis and 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基于GaN HEMT Doherty宽带功率放大器程知群;张明;李江舟【摘要】研究了宽带Doherty功率放大器设计的相关问题.为了拓宽Doherty功率放大器的带宽,提出了一种新型负载调制网络.采用CREE半导体公司的GaN HEMT功放管CGH40010F,应用新型负载调制网络设计了一款宽带Doherty功率放大器并进行了实物加工测试.主功放工作在AB类,直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7V;辅功放工作在C类,直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.测试结果显示,新型宽带Doherty功率放大器实物在1.5～2.3 GHz的800 MHz带宽内,饱和输出功率为42.66～44.39 dBm,饱和效率在52％～66％之间,输出功率回退6 dB处的效率在46％～50％之间,相对带宽为42.1％,且增益平坦,验证了设计方案的可行性.【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】4页(P1-4)【关键词】Doherty功率放大器;宽带;负载调制网络;效率【作者】程知群;张明;李江舟【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN454随着无线通信技术的迅速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要.为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，通信商通常采用非常复杂的调制方式，而这将导致信号的峰均比(Peak to Average Power Ratio， PAPR)变大，而使用传统的功率放大器如A类、AB类对非恒包络信号进行放大效率很低，尤其在大功率回退的时候效率更低[1-2].各种提高功率放大器效率的技术已在相关文献中报道[3-9]，在诸多技术中，Doherty功率放大器因结构简单，性能卓越且成本较低而成为当今无线通信所采用功率放大器的主流形式[10].一个典型的Doherty功率放大器包括主辅两个功率放大器，主辅功放输入端由功分器将信号一分为二分别输入，输出端通过一个负载调制网络将信号合路输出，根据输入信号的大小动态调制主辅功率放大器的有效负载阻抗，从而使Doherty功放在输出功率大幅度回退的情况下仍然具有很高的效率[11].但传统Doherty功率放大器也有一定的弊端，如负载调制网络中λ/4传输线限制了Doherty功放的工作带宽，面对频谱资源的日益短缺，能同时覆盖多个工作频段并兼容多种协议制式的无线宽带通信系统已经成为无线技术的发展重点.因此，宽带Doherty功率放大器已经成为近年来学术界和工业界的研究热点[12].本文在分析传统Doherty功放的负载调制网络对带宽的影响基础上，提出了一种新型负载调制网络以提高Doherty功放带宽，实现了1.5～2.3 GHz的宽带Doherty功率放大器.1.1 传统Doherty功放的带宽限制因素传统Doherty功放拓扑结构如图1所示.在低功率输入时，主功放工作，辅助功放截止.负载调制网络使得主功放的输出阻抗两倍于最优阻抗，使得主功放在电流仅有最大输出电流一半的时候电压已经达到了饱和，因此，效率达到最高.当输入功率继续增大时，辅助功放开启，使得主功放输出阻抗减小，电压饱和而电流增大，使得输出功率继续增大.主辅功放输出阻抗最终都减小至最优阻抗，主辅功放均达到饱和，Doherty功放效率和输出功率都达到最高.Doherty功放中，负载调制网络中的两段λ/4传输线是限制带宽的主要因素，而起最主要限制因素的是主功放输出端的一段λ/4传输线.文献[13]给出了λ/4传输线的工作带宽表达式：其中，Δf/f0为λ/4阻抗变换线的相对带宽；Γm为最大能接受的反射系数；Zin 和Zout为λ/4传输线输入、输出两个端口的阻抗值；可见，为了增大相对带宽(即Δf/f0的值)，可通过减小Zin和Zout的比值来实现.1.2 新型负载调制网络分析图1中，传统Doherty主功放输出端的λ/4传输线特性阻抗为50 Ω，在低功率输入时，将主功放输出阻抗通过负载调制网络从25 Ω调制至100 Ω，阻抗变换比为4∶1，阻抗变换比较大，这极大地限制了Doherty功放的带宽.基于新型负载调制网络的Doherty功放电路原理框图如图2所示.可以看到，主功放输出端采用了特性阻抗为70.7 Ω的λ/4传输线.在低功率输入时，将主功放输出阻抗通过新型负载调制网络从50 Ω调制至100 Ω，阻抗变换比为2∶1，由式(1)可知，由于阻抗变换比的减小，新型负载调制网络将增大Doherty功放的带宽.同时该结构消去了整体Doherty合路输出端的35 Ω λ/4传输线，减小了负载调制网络的尺寸，使Doherty功放输出端更为紧凑.新型负载调制网络与传统负载调制网络带宽的仿真结果如图3所示，从图3中可以看到，新型负载调制网络在较宽的频带内保持了主功放输出端阻抗的恒定，因此使得Doherty功放在较宽的频带内可以维持稳定的性能.为了验证本文提出的新型负载调制网络的实用性，采用CREE公司的CGH40010F 功放管，板材选用Rogers4350B(板材厚度H=10 mil，介电常数εr=3.66).应用新型负载调制网络设计了一款宽带Doherty功率放大器并进行了实物加工测试.主功放工作在AB类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-2.7 V；辅功放工作在C类，直流偏置Vds=28 V,Vgs=-5.5 V.新型宽带Doherty功率放大器实物电路图如图4所示.为了更直观地观察宽带Doherty功放在整个频带内的特性，对宽带Doherty功放实物在1.4～2.4 GHz频带内使用单音连续波进行测试.图5、图6分别为新型宽带Doherty功放在1.4～2.4 GHz的带宽内饱和点和输出功率回退6 dB点的效率、输出功率和增益的测试数据.可以看出，所设计的新型宽带Doherty功率放大器在1.5～2.3 GHz的800 MHz带宽内，饱和输出功率为42.66～44.39 dBm，饱和效率在52%～66%之间，输出功率回退6 dB处的效率在46%～50%之间，相对带宽为42.1%，且增益平坦.本文设计方法与近几年相关文献方法的性能比较如表1所示.从表1中可以看出，相比于文献[15-17],本文设计的新型宽带Doherty功放的带宽性能最好，相对带宽高达42.1%，且回退效率和饱和输出功率也相对较高.而相比于文献[14]，相对带宽相同，但此次设计的回退效率高于文献[14]；相比于目前性能较为优越的文献[2],本次设计的相对带宽略有逊色，但回退效率高于文献[2].本文采用GaN HEMT晶体管完成了一款Doherty功率放大器的设计.根据版图加工实物并测试，测试结果显示，饱和输出功率回退6 dB后的效率在46%～50%之间，相对带宽高达42.1%，基于新型负载调制网络的宽带Doherty功率放大器较好地解决了传统Doherty功放带宽较窄的问题.【相关文献】[1]SON J, KIM I, MOON J, et al. A highly efficient asymmetric Doherty power amplifier witha new output combining circuit[C]//Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems (COMCAS), 2011 IEEE International Conference on. IEEE, 2011:1-4. [2]CHEN S, WANG G, CHENG Z, et al. A Bandwidth Enhanced Doherty Power AmplifierWith a Compact Output Combiner[J]. IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2016,26(6):1-3.[3]COX D. Linear amplification with nonlinear components[J]. IEEE transactions on Communications, 1974,22(12):1942-1945.[4]RAAB F H, ASBECK P, CRIPPS S, et al. Power amplifiers and transmitters for RF and microwave[J]. IEEE transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002,50(3):814-826.[5]WANG F, KIMBALL D F, POPP J D, et al. An improved power-added efficiency 19-dBm hybrid envelope elimination and restoration power amplifier for 802.11 g WLAN applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006,54(12):4086-4099.[6]IWAMOTO M, WILLIAMS A, CHEN P F, et al. An extended Doherty amplifier with high efficiency over a wide power range[J]. IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 2001,49(12):2472-2479.[7]KIM J, MOON J, WOO Y Y, et al. Analysis of a fully matched saturated Doherty amplifier with excellent efficiency[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008,56(2):328-338.[8]HONE T M, BENSMIDA S, MORRIS K A, et al. Controlling active load-pull in a dual-input inverse load modulated Doherty architecture[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012,60(6):1797-1804.[9]MOON J, KIM J, KIM J, et al. Efficiency enhancement of Doherty amplifier through mitigation of the knee voltage effect[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011,59(1):143-152.[10]陈世昌,薛泉,王高峰.基于改进型负载调制网络的宽带Doherty功率放大器设计[C]//全国微波毫米波会议.2015:1264-1267.[11]殷家斌.一种新型Doherty功放——A-Doherty[D].成都：电子科技大学，2009.[12]叶笃野.宽带Doherty功放技术研究[D].北京：北京邮电大学，2015.[13]POZAR D M. Microwave Engineering[M]. 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基于IMPATT管固态器件的太赫兹源潘结斌;谢斌;程怀宇【摘要】太赫兹频谱有很多优越特性,在生物医疗、安全检查及军事领域中具有重要的应用前景.太赫兹源是太赫兹波领域研究中的关键技术,制约着太赫兹技术的发展.从介绍太赫兹源的研究与发展动态出发,阐述了雪崩渡越时间二极管(IMPATT)器件的工作机理、等效分析模型及注锁牵引稳频振荡理论,给出了几种基于IMPATT 管获取电子学固态太赫兹源的方法.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2018(018)004【总页数】5页(P33-37)【关键词】固态电子学;IMPATT管;电路模型;稳频振荡;太赫兹源【作者】潘结斌;谢斌;程怀宇【作者单位】华东光电集成器件研究所,安徽蚌埠233030;华东光电集成器件研究所,安徽蚌埠233030;华东光电集成器件研究所,安徽蚌埠233030【正文语种】中文【中图分类】TN312+.71 前言太赫兹（THz）波常称为“太赫兹间隙”，频率介于0.1～10 THz之间，波长范围是 3 mm～30 μm，介于毫米波与红外光之间相当宽的电磁波谱区域，具有低能、安全、穿透、相干及光谱分辨等特性。

太赫兹技术综合了电子学和光子学的特色，是一个典型的交叉前沿学科，在太赫兹成像、光谱分析、生物感知、工业领域产品质量检查、医学和药品检测、太赫兹天文学、反恐与环境监测、保密通信、空间探测、国防军事等领域具有广阔的应用前景[1～2]，将对多个应用领域带来深远影响，世界发达国家争相将THz波技术列为战略性科技研究方向[3]。

太赫兹源是太赫兹技术研究中极为关键的技术之一，太赫兹源的产生主要基于电子学、光子学和光电子学来实现。

图1给出了三类技术产生太赫兹源的功率分布[4]。

图1左侧是一些采用电子学技术产生的太赫兹源，通过负阻器件振荡效应或利用非线性电子元件把低频段微波源向太赫兹频段拓展，工作频率常低于1 THz，功率不到毫瓦量级，具有体积小巧、便携的优势。