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随着半导体集成电路技术的不断发展,全球已经开始把目光瞄准了频率更高的太赫兹频段。太赫兹超外差收发系统在通信、雷达、材料科学、安全应用、生物医学、地球科学和天文探测等领域具有巨大的应用潜力。典型太赫兹收发系统通常包括倍频器、混频器、放大器和滤波器等核心器件。开展肖特基势垒二极管模型、倍频、混频、滤波和集成等关键技术的研究,对实现高性能太赫兹固态源和无线收发系统具有重要的理论意义和实用价值。本文主要基于肖特基势垒二极管,对肖特基二极管多物理场热模型及物理基电热模型、太赫兹倍频技术、太赫兹谐波混频技术、太赫兹波导滤波技术以及相关集成技术等展开了系统研究。主要研究内容包括:（1）肖特基势垒二极管电热模型研究。应用于太赫兹倍频器的肖特基势垒变容二极管通常对输入功率有较高要求,在实际工作时内部自热效应比较明显。因此本文针对肖特基势垒二极管的自热效应,采用固体传热和电磁热两种物理场耦合方式,分别建立了砷化镓肖特基势垒四管芯变容二极管和六管芯变容二极管的热模型。深入研究了二极管的温度分布和电流分布,以及耗散功率、环境温度和衬底等对肖特基势垒二极管温度的影响,并提取了热阻。肖特基势垒二极管中与温度相关的本征参数和非本征参数随工作状态而变化,这会对二极管的电流-电压（I-V）特性和变频特性产生较大影响。针对该问题,本文首先基于与温度相关的饱和电流和串联电阻等参数建立了肖特基二极管SPICE（simulation program with integrated circuit emphasis）电热模型和单端口SDD电热模型。然后再结合提取的热阻,率先建立了基于四端口SDD（symbolically defined devices）模型的肖特基二极管物理基SDD自洽电热模型I。并进一步利用与温度相关的砷化镓电子迁移率对电流进行了修正,建立了肖特基二极管物理基SDD自洽电热模型II。同时研究了温度、耗散功率、热阻、饱和电流和串联电阻等参数对二极管I-V特性的影响。与不考虑自热效应的传统肖特基二极管SPICE模型相比,肖特基二极管物理基SDD自洽电热模型均出现了明显的电流饱和现象。这里建立的肖特基二极管电热模型具有通用性,为二极管的结构优化和可靠性设计以及后文太赫兹倍频器自热效应研究提供了模型指导。（2）太赫兹变频电路设计方法研究。从设计原则、实例、流程和优缺点等方面依次对分部设计方法（subdivision design method,SDM）、整体设计方法（global design method,GDM）和半分部-半整体设计方法（half-subdivision and half-global design method,HS-HGDM）进行了系统研究。采用HS-HGDM设计的太赫兹谐波混频器和倍频器,与SDM相比具有优化空间大和电路拓扑灵活等特性,与GDM相比提高了电路收敛性、稳定性和通用性,减少了零陷现象及多值性等问题。综合上述设计方法,将SDM的通用性和GDM的唯一性进行了有机统一,提出了四种应用于太赫兹混频器的单无源结构HS-HGDM。与双无源结构HS-HGDM相比,具有设计灵活、优化空间大和电路拓扑简单等特性。太赫兹变频电路设计方法研究为实现高性能太赫兹混频器和倍频器奠定了基础,也为后文220 GHz次谐波混频器和500 GHz次谐波混频器的研究工作提供了方法指导。（3）基于自热效应的太赫兹倍频器研究。常见的肖特基二极管SPICE模型在设计太赫兹倍频器和混频器时,饱和电流、串联电阻和理想因子等参数通常定义为恒定常数,一定程度上忽视了自热效应对太赫兹变频电路的影响。针对该问题,本文基于自主建立的肖特基二极管物理基SPICE电热模型和SDD自洽电热模型,对三款太赫兹倍频器进行了验证研究。与采用恒定参数的传统二极管SPICE模型相比,使用自主建立的二极管物理基电热模型得到的倍频器仿真结果更接近实测结果。验证了自建肖特基二极管物理基SPICE电热模型和SDD自洽电热模型的通用性、准确性和有效性,为设计高性能太赫兹倍频器奠定了坚实的模型基础。（4）太赫兹谐波混频器及波导滤波集成式谐波混频器研究。基于砷化镓肖特基二极管,分别采用GDM和单无源HS-HGDM对两款220 GHz次谐波混频器进行了设计加工及装配测试。基于GDM的220 GHz次谐波混频器:本振频率为108GHz时,在射频频段199-238 GHz,实测单边带变频损耗为7.84-12.4 d B。基于单无源HS-HGDM的220 GHz次谐波混频器:中频频率为1.8 GHz时,在射频频段200-240 GHz,单边带变频损耗为6.61-8.12 d B。通过对比不同设计方法的肖特基二极管混合集成式220 GHz次谐波混频器,基于单无源HS-HGDM设计的200-240GHz次谐波混频器整体性能与国内外文献报道的同类型混频器最高水平相当。为了提高太赫兹超外差系统的集成度,本文首先基于单无源HS-HGDM设计了一款500 GHz次谐波混频器,本振频率为250 GHz时,在射频频段473-519 GHz,最佳实测单边带变频损耗为13.4 d B。然后将250 GHz波导滤波器和500 GHz波导滤波器集成到一款500 GHz次谐波混频器的本振端口和射频端口。本振频率为250GHz时,在中频频段0-20 GHz,混频器的实测双边带变频损耗为10.1-11.5 d B,并且在本振频段241-260 GHz内工作良好。该500 GHz波导滤波集成式次谐波混频器整体性能优良,集成度高。