高灵敏度W波段狄克辐射计硅基集成芯片研究

W-band imaging system has been widely used in systems for space, security, sensing, diognastic etc. But the imaging systems based on GaAs or InP radiometer chips usually suffer cost and compactivity issues, which handicap the application of imaging systems that need to integrate hundards of radiometer chips. In contrast, the radiometer chips fabricated on silicon can make the imaging sytem smaller, lighter and consume less power. Therefore, the research on silicon-based W-band radiometer becomes a research hotspot recently. However, limited by the characteristics of high frequency circuits on silicon processes, W-band Dicke radiometer encounter the issue of low sensitivity. In this project, novel circuit techniques will be developed to improve the performance of each sub-block like calibration circuit, low noise amplifier and power detector. Through the above research, the project is expected to enhance the sensitivity of the silicon-based Dicke radiometer effectively.

W波段成像系统广泛地应用于航天，安检，遥感，医疗诊断等领域。但在GaAs或者InP基片上制造面临成本高、不易集成的问题，限制了通常需要数以百计辐射计芯片的成像系统的应用。而使用硅基辐射计芯片可以使成像系统体积更小、重量更轻、功耗更低。因此W波段硅基辐射计芯片近年来成为研究热点。但受限于硅工艺的高频特性，硅基W波段的狄克辐射计面临灵敏度低的问题。本项目将采用新型的电路结构设计来提高校准电路、低噪声放大器以及功率探测器等各子模块芯片的性能。通过以上研究，以期有效提高狄克辐射计硅基芯片的灵敏度。

辐射计是通过被动地接收目标的辐射能量进行目标探测，高灵敏度的毫米波辐射计可广泛应用于飞机着陆指引、低能见度环境导航、对地观测及人体安检成像等诸多领域。但是GaAs和InP衬底上制造W波段辐射计面临成本高、不易集成的问题，不利于像毫米波焦平面阵列成像系统的应用，但在硅基上制造W波段辐射计面临灵敏度低的问题，其中采用的无源单刀双掷开关损耗较大，此损耗会直接增加到辐射计前端的噪声系数中，降低狄克辐射计的灵敏度。因此，研究实现低损耗的新型开关结构，提高硅基辐射计芯片的灵敏度具有重要意义。.本项目基于0.13 um SiGe BiCMOS工艺研究实现了高灵敏度的W波段狄克辐射计集成芯片，此辐射计芯片集成了低开关损耗的单刀双掷放大器、高增益低噪声放大器以及检波器电路。主要的研究工作如下：（1）首次研究实现了一种低损耗分布式单刀双掷放大器，既实现了狄克辐射计中所必须的开关功能，又对有用信号进行了低噪声放大，有效地降低了传统辐射计中由无源单刀双掷开关引入的噪声系数。（2）采用四级cascode放大单元研究实现了具有40 dB增益的宽带低噪声放大器，噪声系数低于7.5 dB。为实现低噪声的输出电压和高灵敏度响应而研究设计了W波段检波器，最小等效噪声功率可达到2.5 pW/Hz1/2。（3）研究实现了集成以上单刀双掷放大器、低噪声放大器以及检波器的W波段硅基辐射计芯片，噪声等效辐射温差为0.21Ｋ，经二维成像系统验证，该辐射计芯片可分辨的目标距离为0.7 m。.本项目研究实现的W波段硅基狄克辐射计集成芯片，具有0.21 K的噪声等效辐射温差，达到了同类设计中最高灵敏度，同时可在成像系统中实现高质量的成像分辨率。该研究成果可广泛应用于毫米波探测成像等领域，具有明确的预期贡献。