《太赫茲CMOS信號源關鍵技術研究》是依託東南大學，由李芹擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：太赫茲CMOS信號源關鍵技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李芹
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
基於CMOS工藝的太赫茲信號源技術主要存在兩個關鍵問題：1、由於CMOS工藝的限制，太赫茲信號源的輸出功率偏低，無法滿足實際套用中毫瓦級的需求；2、由於矽襯底的高損耗特性，矽基無源器件的低Q值，太赫茲信號源輸出功率無法高效率地提取並傳輸輻射出去。為了解決這兩個難點，本課題基於CMOS工藝，深入研究並實現0.3THz頻段具有波束方向控制功能的信號輻射源陣列，核心電路有源分散式輻射環單元電路（DAR）能夠同時實現倍頻、功率合成、功率提取和高效率輻射的功能。本項目將基於麥克斯韋電磁理論綜合設計矽片電流分布和輻射波場分布，研究獲得DAR電路的工作機理和設計規則。本課題也將對太赫茲輻射源陣列的關鍵子電路模組如太赫茲VCO、倍頻器、分頻器，移相器、功率分配器等開展理論研究與電路實現。 最終系統集成完成太赫茲信號源陣列總體電路的實現與測試驗證，在太赫茲波段信號源晶片關鍵技術方面取得突破。
結題摘要
本課題主要研究太赫茲信號產生的關鍵技術，研究太赫茲電磁能在矽基晶片上的傳輸、輻射機理與特性。首先研究設計了多款創新型結構的矽基片上太赫茲天線，採用不同開槽結構獲得了天線的小型化與頻寬提升。通過與場效應電晶體探測器進行片上集成，雙環天線結構探測器能夠實現較高頻率600GHz和806GHz的探測，圓型天線結構具有更高的輻射效率。其次研究設計了三種不同傳輸線形式的電感：帶地共面波導、慢波模式的共面波導和慢波模式的微帶線。GCPW結構電路輸出信號頻率為272.7GHz，輸出功率為-23.3dBm。研究結果表明，基於矽基工藝的GCPW和SCPW傳輸線在太赫茲頻段具有20以上的高Q值，適合套用於矽基太赫茲積體電路。設計了多款CMOS工藝太赫茲信號源陣列。基於CMOS工藝設計了一種三推四核太赫茲信號源。測試結果為：頻率為323.83GHz，輸出功率為-15.98dBm，10MHz處相位噪聲為-94.7dBc/Hz。本次設計的太赫茲諧波振盪器測試結果和仿真結果較為接近，太赫茲電路設計理論和方法論的正確性得到了驗證。還實現了一種基於CMOS的太赫茲注入鎖定式耦合振盪源晶片，聯合仿真結果為輸出信號頻率範圍為294.9GHz~304GHz，實現了3.2%的調諧範圍，聯合仿真結果為輸出功率範圍為-4.95dBm~-3.9dBm，相位噪聲為-85.4~ -88.1dBc/Hz@1MHz。採用該結構可以避免選用低Q 值的可變電容影響振盪器輸出信號的功率和相位噪聲，實現一定的調諧頻寬，同時也能實現輸出功率的合成，解決了太赫茲振盪器設計的難題。研究並實現了一種基於八核太赫茲振盪源的CMOS晶片，聯合仿真結果為整體電路功耗為127mW，輸出信號頻率範圍為257.1~266GHz，實現了3.4%的調諧範圍，輸出功率範圍為-3.3dBm~-30dBm，相位噪聲為-79~ -91dBc/Hz@1MHz 。最後基於鍺矽工藝對太赫茲振盪源的寬頻可調諧技術進行了研究與實現，設計了兩款太赫茲寬調諧壓控振盪源晶片。一種方式是將具有高fmax的HBT管結電容作為振盪器諧振腔中的可變電容，實現基波振盪器的頻率調諧，另外一種結構是振腔里的可調電感為變壓器次級線圈，而變壓器初級線圈共集電極組態的放大器構成的有源電感，該結構通過調節尾電流來改變有源電感的感值，改變變壓器中的次級線圈的感值，進而影響振盪器的工作頻率
