基于固态电子的太赫兹（THz）电脉冲辐射的研究与实现

This project study of terahertz(THz) theory and technology in the field of information.The main work is research and implementation of THz electrical pulses radiation based on solid state electronic.We will focus on the mechanism of generating electrical pulses radiation When the digital step signal through the network with differential characteristics .Using the signa with steep edge to impulse THz band antenna, using the differential characteristics of the THz antennas, can receive THz electrical pulses radiation.Compared with the traditional technology of THz radiation, the project has advantages of simple structure, miniaturization, and low cost. The project focused on overcoming difficulties in terms of research and implementation of THz electrical pulses radiation mechanism.We will use advanced processing technology to realize circuits, THz antennas and signal coupling,and ultimately, realize 0.3THz electrical pulses radiation and complete the test. Pre-project study has been carried out fully,we have verified the feasibility of the project ideas at low frequency band；related circuits is being designed；THz antenna design and processing has been carried out,100GHz antenna achieved the desired results, and 1THz antenna array has finished processing and is being tested. The project is expected to achieve a international novel THz pulse radiation in the field of THz,related technology has unique advantages in communications and other applications,thereby promoting the development of terahertz radiation and communication ICs.

本项目是信息领域的太赫兹理论与技术研究，主要开展基于固态电子的太赫兹（THz）电脉冲辐射的研究与实现。主要研究数字阶梯信号通过微分特性网络产生电脉冲辐射信号的机理。利用陡边沿信号冲激THz频段的天线，利用THz天线的微分特性，产生THz电脉冲辐射。相比传统的THz辐射技术，本项目具有结构简单、小型化、造价低等优点。 项目重点突破THz电脉冲辐射机理研究和实现的难点，将利用先进加工工艺实现电路和THz天线以及信号耦合，最终实现辐射频率0.3THz以上的电脉冲信号并完成测试。 项目前期已开展了比较充分的研究，在低频段验证了本项目思想的可行性；相关电路正在设计；THz天线已开展了设计加工，其中100GHz天线取得了理想的测试结果，1THz天线及阵列已加工正在测试。 本项目有望在国际THz领域实现一种新型THz脉冲辐射，相关技术在通信等应用领域具有独特优势，从而推动太赫兹辐射通信集成电路的发展。

本项目主要开展基于固态电子的太赫兹（THz）电脉冲辐射的研究与实现。.项目通过数字信号边沿缩窄、冲击微分网络产生窄脉冲等机理的分析，建立了太赫兹电脉冲特性分析的方法，完善了数字信号转换THz电脉冲辐射（Digital to Impulse，D2I）的理论。.完成了基于纳米CMOS工艺的微分网络的特性研究，研究了半导体器件构建微分网络的特性，重点研究并实现了了效率较高、面积较小的RC微分网络设计。.完成了基于纳米CMOS工艺的晶体管、传输线、天线等器件的等效电路建模，纳米超高速晶体管模型技术成果发表在集成电路器件领域国际核心期刊IEEE EDL(2016)，研究了THz天线等效电路模型技术，设计并实现了太赫兹片上天线，利用THz传输线等效电路模型，研究了低损耗信号传输与高效率功率合成的设计与实现。.完成了基于纳米CMOS工艺的太赫兹超窄脉冲产生芯片的设计与实现。实现了三种拓扑结构的脉冲发生器芯片，包括基于单稳态电路的脉冲发生器，基于整形微分网络的脉冲发生器以及基于RLC网络充放电机理的脉冲发生器。其中单稳态型脉冲发生器基于数字逻辑，可以实现最高数字基带速率12Gb/s，而微分型及RLC型脉冲发生器采用无源器件进行负载设计，有利于片上天线的协同设计并实现电脉冲辐射。.项目所完成的太赫兹电脉冲产生芯片，可以实现1~12Gb/s的数字基带信号至THz脉冲信号的转化。脉冲宽度约15ps，脉冲幅度60mV，50GHz信号功率-38dBm，100GHz信号功率-52dBm。.研究了窄脉冲片上功率合成技术，设计实现了4路合成太赫兹脉冲产生芯片，实现脉冲宽度25ps，幅度约200mV的脉冲输出，100GHz信号功率-51dBm，300GHz信号功率-76dBm。利用设计实现的100GHz及300GHz的片上天线实现太赫兹电脉冲的空间辐射。.本项目将数字信号产生电脉冲的机理创新性地应用在THz领域，并利用片上THz天线实现辐射。相比传统的THz源技术，具有结构简单、小型化、功耗低、成本低等优点。项目所设计的太赫兹脉冲发生器，具有工作速率宽范围可调、工作速率高、输出频谱应用灵活等优点，可应用于基于脉冲体制的宽带高速无线通信系统以及太赫兹成像系统中。