基于锁相、倍频及功率合成技术的CMOS单片集成太赫兹源研究

The terahertz (THz) frequency, located between millimeter wave and infrared ray，exhibits advantages such as wideband, transient nature and high penetration ability, and shows great research value and wide-application prospect. The THz source is the bottleneck of the THz application, while the nano-scale CMOS technology provides a way to implement a solid-state THz source with small package and stable performance. This project researches on CMOS THz source based on phase locking、frequency multiplication and power combination technologies.120GHz Quadrature signals with high stability and low phase noise are generated based on negative-resistance enhanced I/Q VCO and phase-locked-loop, then 240GHz differential signals are generated by harmonic selectors based on phase characteristics of second harmonics, a passive frequency doublers with high efficiency is driven by this differential signal to generate THz source at 0.48THz with combined power at the order of micro-Walter. The project explores the feasibility and the potential advantages of CMOS Terahertz Monolithic Integrated Circuit (TMIC)，takes full usage of Si-based CMOS process combined with new component, new circuit topology to implement high-performance THz source, expects to solve the limitation of stability, tenability, and output power with conventional THz sources, and establishes a solid foundation for the research and application of THz frequency.

介于微波与远红外光之间的太赫兹波呈现宽带性、瞬态性和良好的穿透性等优点，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。太赫兹源是实现太赫兹应用的关键和瓶颈，而纳米尺度硅基CMOS工艺为实现小型、稳定的固态太赫兹源提供了技术支撑。本项目研究基于锁相、倍频和功率合成技术的CMOS太赫兹信号源，利用负阻增强压控振荡器和锁相环路产生稳定、低相噪的120GHz I/Q振荡源，利用I/Q输出中二次谐波相位关系和基于传输线的谐波选择器产生240GHz的差分信号，利用此差分信号驱动高效无源二倍频电路输出频率为0.48THz、合成功率达mW级的太赫兹信号。本项目探索用硅基工艺实现单片集成THz电路的可行性和潜在的优势，充分利用先进的硅基CMOS工艺并结合新型器件、新型电路拓扑来实现高性能太赫兹信号，以期解决已有太赫兹信号源其稳定性、可调性、及输出功率等性能受限的问题，为太赫兹波的研究和推广应用打下坚实基础。

介于微波与远红外光之间的太赫兹波呈现宽带性、瞬态性和良好的穿透性等优点，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。太赫兹源是实现太赫兹应用的关键和瓶颈，而纳米尺度硅基CMOS工艺为实现小型、稳定的固态太赫兹源提供了技术支撑。本项目对太赫兹波段无源结构及其特性、太赫兹波段压控振荡器、太赫兹波段注入锁定分频电路、太赫兹波段无源倍频器、功率合成技术、锁相技术等关键技术展开了研究，并采用GF 65nm、TSMC 90nm CMOS工艺实现。通过研究，提出了基于开口谐振环技术的高Q值片上电感结构和基于多层布线的小尺寸垂向电感结构，并设计了相应的LC-VCO对其性能进行了验证。解决了振荡频率fosc接近晶体管截止频率fT时的能量补偿、太赫兹振荡器push-push结构中谐波有效抽取、太赫兹振荡器功率合成、太赫兹频段正交本振信号产生、太赫兹频段压控振荡器的宽频带覆盖、太赫兹频段振荡器的相位噪声等压控振荡器关键问题，实现了振荡频率为291GHz（管子的fT=190GHz）、输出功率达-9.4dBm的Triple-push VCO，基于尾电流源二次谐波注入锁定技术的140GHz正交VCO，基于二次谐波双端注入混频锁定技术的140GHz正交VCO，基于耦合开关电感、频率覆盖73.3~88.1GHz的宽带VCO，基于数字可控差分传输线可调电感、频率覆盖139.4GHz-145.3GHz的宽带VCO，基于电流复用前置放大和双端混频技术、频率覆盖81~110GHz的宽频带注入锁定分频器，基于积累型MOS变容管、输入频率为100GHz、倍频损耗为-12dB的二倍频器，并基于上述技术实现了一个输出频率40GHz，输出功率-12.6dBm，相位噪声-107dBc/Hz@1MHz，参考杂散-41dBc 的固定分频锁相环电路。项目执行期间，共发表学术论文9篇，其中SCI论文6篇。申请发明专利9项，截止目前已授权发明专利5项。培养研究生2人。总体来说，项目达到了预期的研究目标。