太赫兹CMOS信号源关键技术研究

There are two major challenges existing in CMOS-based THz signal sources: First, the signal sources outputs tens of nano Watts of power, far too small to be of much practical use because of the limiting of the CMOS process. Second, due to the high-loss silicon substrate and low quality factor, the generated power could not be efficiently extracted, delivered to the load or radiated to the free-space. To solve the two problems, this project proposed to research and design a 0.3THz power-generation and beam-steering array in CMOS based on distributed active radiator(DAR). The DAR could achieve the generation, extraction of the desired signal together, for the efficient conversion of DC into radiated THz signal. Surface currents on metal layers in silicon chip are manipulated to created the desired field pattern. The passives and actives in the DAR unit are designed conjointly to synthesize,control and manipulated the surface currents. The circuit theory and designing method of other key components in this radiator array, such as THz VCO, frequency multiplier , frequency divider and etc would be explored. Finally the system of the THz signal source would be taped out and measure to verify the correction of the circuit- designing methodology. This research would get the breakthrough in the key techniques of THz CMOS signal source.

基于CMOS工艺的太赫兹信号源技术主要存在两个关键问题：1、由于CMOS工艺的限制，太赫兹信号源的输出功率偏低，无法满足实际应用中毫瓦级的需求；2、由于硅衬底的高损耗特性，硅基无源器件的低Q值，太赫兹信号源输出功率无法高效率地提取并传输辐射出去。为了解决这两个难点，本课题基于CMOS工艺，深入研究并实现0.3THz频段具有波束方向控制功能的信号辐射源阵列，核心电路有源分布式辐射环单元电路（DAR）能够同时实现倍频、功率合成、功率提取和高效率辐射的功能。本项目将基于麦克斯韦电磁理论综合设计硅片电流分布和辐射波场分布，研究获得DAR电路的工作机理和设计规则。本课题也将对太赫兹辐射源阵列的关键子电路模块如太赫兹VCO、倍频器、分频器，移相器、功率分配器等开展理论研究与电路实现。 最终系统集成完成太赫兹信号源阵列总体电路的实现与测试验证，在太赫兹波段信号源芯片关键技术方面取得突破。

本课题主要研究太赫兹信号产生的关键技术，研究太赫兹电磁能在硅基芯片上的传输、辐射机理与特性。.首先研究设计了多款创新型结构的硅基片上太赫兹天线，采用不同开槽结构获得了天线的小型化与带宽提升。通过与场效应晶体管探测器进行片上集成，双环天线结构探测器能够实现较高频率600GHz和806GHz的探测，圆型天线结构具有更高的辐射效率。.其次研究设计了三种不同传输线形式的电感：带地共面波导、慢波模式的共面波导和慢波模式的微带线。GCPW结构电路输出信号频率为272.7GHz，输出功率为-23.3dBm。研究结果表明，基于硅基工艺的GCPW和SCPW传输线在太赫兹频段具有20以上的高Q值，适合应用于硅基太赫兹集成电路。.设计了多款CMOS工艺太赫兹信号源阵列。.基于CMOS工艺设计了一种三推四核太赫兹信号源。测试结果为：频率为323.83GHz，输出功率为-15.98dBm，10MHz处相位噪声为-94.7dBc/Hz。本次设计的太赫兹谐波振荡器测试结果和仿真结果较为接近，太赫兹电路设计理论和方法论的正确性得到了验证。还实现了一种基于CMOS的太赫兹注入锁定式耦合振荡源芯片，联合仿真结果为输出信号频率范围为294.9GHz~304GHz，实现了3.2%的调谐范围，联合仿真结果为输出功率范围为-4.95dBm~-3.9dBm，相位噪声为-85.4~ -88.1dBc/Hz@1MHz。采用该结构可以避免选用低Q 值的可变电容影响振荡器输出信号的功率和相位噪声，实现一定的调谐带宽，同时也能实现输出功率的合成，解决了太赫兹振荡器设计的难题。.研究并实现了一种基于八核太赫兹振荡源的CMOS芯片，联合仿真结果为整体电路功耗为127mW，输出信号频率范围为257.1~266GHz，实现了3.4%的调谐范围，输出功率范围为-3.3dBm~-30dBm，相位噪声为-79~ -91dBc/Hz@1MHz 。.最后基于锗硅工艺对太赫兹振荡源的宽带可调谐技术进行了研究与实现，设计了两款太赫兹宽调谐压控振荡源芯片。一种方式是将具有高fmax的HBT管结电容作为振荡器谐振腔中的可变电容，实现基波振荡器的频率调谐，另外一种结构是振腔里的可调电感为变压器次级线圈，而变压器初级线圈共集电极组态的放大器构成的有源电感，该结构通过调节尾电流来改变有源电感的感值，改变变压器中的次级线圈的感值，进而影响振荡器的工作频率