太赫兹波是频率为0.1THz~10THz的电磁波,其频谱位于微波和光波之间,同时具有传统微波和光波的优点,是国际学术界公认的具有重大科学价值和战略需求的前沿技术领域。太赫兹波一系列独特的特性使其具有巨大的应用前景,可广泛用于大气和环境监测、高速无线移动通讯、安全检测、射天天文等领域。以太赫兹辐射计为主体的太赫兹被动探测技术是太赫兹技术的重要应用之一,具有高灵敏度、高分辨率等优点,能为大气成分探测提供有效的技术手段,可广泛应用于大气科学研究、环境监测和灾害性天气预报,是国家自然科学基金“十三五”发展规划中的优先发展领域。本文基于固态太赫兹技术,围绕太赫兹辐射计的实现,从肖特基二极管的建模和自主研发着手,对辐射计关键电路(混频器和倍频器)的集成化开展了深入研究。基于关键电路性能的突破,搭建了太赫兹辐射计实验验证系统,并对辐射计前端的单片集成进行了初步研究。本文主要研究内容有:(1)太赫兹谐波混频技术。谐波混频器是辐射计中的变频电路,起到将射频信号下变频到低频的功能,是实现系统噪声接收的关键技术,对提高系统性能起着至关重要的作用,特别是在缺乏固态低噪声放大器的太赫兹频段,混频器的性能更是直接决定了整个系统的性能。本文从理论上分析了肖特基二极管的物理机理及其非线性特性,建立了二极管的三维精确电磁模型,探讨了二极管封装对寄生参量的影响。结合寄生参量影响因素,优化了二极管封装,提出了小封装垂直深沟道、大宽度空气桥结构。基于二极管模型,对混合集成谐波混频电路开展了研究,并提出了一种基于场路结合的电路优化方法,来提高电路优化效率。该方法的核心是:对混频电路按照功能进行子单元电路分解,并将HFSS中优化的子单元电路线性电磁特性等效入ADS中,与二极管理想非线性模型相结合,进行性能优化。研究了GaAs单片集成、异质集成等集成技术在太赫兹谐波混频电路中的应用,通过二极管与电路的集成提高了集成度。基于砷化镓基片梁式引线技术,探索共面波导在太赫兹混频器中的应用,并通过热压金属键合工艺实现了电路的无银胶封装,提高了电路封装精度。研究了高次谐波混频器的基本原理,针对不同次数谐波混频对电路的不同需求,提出了针对性的电路,实现了对更高频段太赫兹谐波混频器的性能突破。搭建实验平台,对多种谐波混频器开展了实验研究。(2)太赫兹单片集成三倍频技术。基于半导体器件的频率倍增技术是产生太赫兹频率源的重要技术途径。本文以肖特基变容二极管工作机理为切入点,建立了二极管精确电磁模型,探讨了肖特基变容二极管主要寄生参数对倍频性能的影响,设计了用于260GHz-300GHz三倍频电路的变容二极管。基于12μm GaAs工艺,提出了采用共面波导的260GHz-300GHz三倍频电路,通过热压金属键合工艺实现了三倍频电路的无银胶封装。搭建实验平台开展了实验研究。实验结果表明,在输入功率为10mW时,三倍频器有8%的峰值效率;在输入功率为120mW时,三倍频器有4.9mW的输出峰值功率,此时倍频效率为4.08%。测试与仿真结果在趋势上表现出了较好的一致性,验证了二极管建模和电路仿真优化的有效性。(3)太赫兹辐射计技术。在实现太赫兹关键电路的基础上,本文搭建了380GHz和582GHz辐射计实验验证系统。通过Y因子测试法测得,380GHz辐射计等效噪声温度为3024.6K,当积分时间为20ms,检波前带宽为120MHz时,亮温灵敏度为3.89K;582GHz辐射计的等效噪声温度为2756.4K,当积分时间为20ms,检波前带宽为120MHz时,辐射计亮温灵敏度为3.22K。