硅基CMOS太赫兹双向放大器技术研究

Silicon-based Terahertz (THz) technology is an important research area in THz science and technology, where amplifier circuits are used as the fundamental building blocks in silicon-based THz integrated circuits and systems. This proposal aims: 1.To study the matching techniques for unbalanced network designs in silicon-based THz circuits, and develop novel bidirectional matching networks for THz bidirectional amplifier designs; 2.To analyze the noise and large-signal theory with associated new enhancement methods; 3.To propose novel planar waveguide that is suitable for high-performance THz passive devices in silicon with merits of low insertion loss and high quality factor; 4.To investigate the co-design methodology of both passive and active circuits at THz frequencies in silicon technology. Through this research, we are able to solve the bidirectional impedance matching, noise matching, and power matching problems. The high loss issue in silicon-based THz passive devices is also resolved. In addition, promising solutions are also given to the co-design of multi-modules at THz frequencies. In the end, we intend to design a novel D-band bidirectional amplifier with experimental verifications in a commercial 65nm CMOS technology, which aims to meet the state-of-the-art performance.

硅基太赫兹（THz）是THz研究的一个重要方向，其中放大器电路是硅基THz集成电路系统的基础模块之一。本项目拟研究硅基THz失衡网络的匹配技术，并提出新型双向匹配网络用于THz双向放大器设计。结合匹配网络研究THz电路噪声降低、功率提升的机理和新方法探索。研究硅基CMOS新型平面波导并用于降低无源器件损耗、提高品质。研究硅基THz无源电路与放大电路的融合设计技术。通过此项目的研究，可解决硅基THz双向放大器双向阻抗、噪声、功率匹配的问题，THz无源器件在硅衬底上的高损耗问题，THz多模块融合设计的问题。并使用商用65nm CMOS工艺完成D波段新型双向放大器设计，加工并测试芯片样片，达到国际领先水平。

课题组在严格执行项目计划书的基础上，不断与国际前沿专家、国内专家及课题组深入交流和研讨，经过3年的研究，已完成全部项目预期研究目标及预期成果。. 课题组针对研究硅基太赫兹（THz）双向放大器核心问题和关键技术，依据计划有序展开研究。完成了新型不对称平面片上波导传输线的研究并完成两项太赫兹新型开关电路设计，提出相应等效电路模型，并进行分析优化；设计太赫兹高增益放大器、太赫兹宽带放大器，并提出新型强失衡双向阻抗匹配网络；研制出多款硅基D波段新型双向放大器，提出了采用电流模式的功率合成放大器，极大提升了发射模式下的输出功率和线性度，使双向放大器在接收、发射模式下的工作状态更加合理。研制的芯片综合性能达到国际领先水平。. 在项目实施过程中，孟凡易（负责人）从副教授晋升教授职称、获得中国电子学会优秀科技工作者称号。共申请国家发明专利1项，培养研究生8名（2人已毕业，6人在读），发表（录用）10篇SCI/EI论文，参与国际合作交流8次。研究生刘浩的论文获得2020年国际会议UCMMT最佳学生论文三等奖。天津市科学技术协会在2020年第3期《科技工作者要闻》中，科普性介绍并高度评价了本项目的科研成果。项目负责人因在本课题中取得的国际先进科研成果，成功获得了科技部国家重点研发计划课题子课题的资助，课题编号2019YFB1803202，项目从2020年1月至2023年12月，本人负责经费183万元。. 课题组拟在现有的研究基础上，针对小型化、低功耗、集成化等随着技术进步引申出的严苛要求，进一步深入研究THz相控阵片上系统关键技术，并在该领域取得突破性成果。