CMOS太赫兹信号源相位噪声下降与输出功率提升理论及技术研究

Terahertz has important applications in future broadband communication, medical imaging, spectroscopy, scurity etc. The scalling of CMOS procss improves the transistor speed a lot, making it possible to realize THz circuits. Recently, the research of CMOS THz circuits has become a hot topic, drawing extensive attention.In principle, THz signal can be generated with mm-wave signal sources through their harmonic mechanism, therefore based on our previous works,this porject will investigate the CMOS THz signal sources, in particular for the 120 GHz and 240 GHz bands. Firstly, the characterisitics of CMOS active and passive devices will be studied thoroughly, and their impact of on the signal sources will be clarified. Secondly, the analytical phase noise expression will be developed. Thirdly, regarding the existing signal source power combining methods,several problems, such as the tuning range, phase noise and output power, will be studied. Furthermore, some new power combining method will be explored. In the end, the theory and design methodology of mm-wave and THz signal sources will be established and verified. The results of this project will give a solid foundation for the research and development of THz circuits and systems.

太赫兹频段在未来宽带通信、医疗、天文学、光谱学以及公共安全等领域具有重要应用。CMOS工艺的进步使得基于CMOS太赫兹系统的实现成为可能，并逐渐成为研究热点，引起广泛关注。在CMOS工艺下，太赫兹信号源可借助毫米波信号源谐波机制产生。基于以前的工作基础，本项目将面向120GHz及240GHz频段应用，开展基于CMOS工艺的毫米波及太赫兹信号源的联合研究。深入研究CMOS工艺有源及无源器件工艺特性，揭示无源器件及有源器件对信号源性能的影响，建立毫米波及太赫兹频段下的相位噪声解析表达式，研究已有信号源功率合成方法中的调谐范围、相位噪声及输出功率等问题，发掘并寻求性能优良的功率合成方法，形成较为完整的毫米波及太赫兹信号源设计理论及方法，完成实验验证，为未来高集成度CMOS太赫兹系统的实现提供理论及技术支撑。

太赫兹频段在未来宽带通信、医疗、天文学、光谱学以及公共安全等领域具有重要应用。CMOS毫米波及太赫兹系统已成为研究热点。着眼于未来毫米波及太赫兹系统应用，本项目分别从以下几个方面开展了研究：.1）.有源器件及无源器件研究：.采用二端口线性矩阵分析方法，表征了晶体管、无源器件性能；给出晶体管性能最优相移、有源及最优增益边界条件；.2）.毫米波及太赫兹信号源设计.采用65nm CMOS工艺，开展两款毫米波及太赫兹信号源设计。第一款可调谐信号源采用基于变压器的交叉耦合振荡器结构。第二款采用八级环形耦合结构，其包括核心振荡器、移相器、谐波提取及功率合成等。采取变容管调谐、晶体管电容调谐、背栅电容调谐及耦合注入锁定等方法提升调谐范围。后仿真结果总结如下：第一款功耗 32.9mW，工作频率 221.3GHz，调谐范围 8.8%，输出功率-5.9dBm，相位噪声-82.8dBc/Hz@1MHz；第二款功耗 166mW，工作频率220.6GHz，调谐范围 5.1%，输出功率2.4dBm，相位噪声-94.9dBc/Hz@1MHz。.3）.毫米波及低频锁相环系统.开展了毫米波及低频锁相环系统研究。50GHz该锁相环带内相位噪声为-91dBc /Hz, 在1MHz 频偏下输出相位噪声为-96dBc /Hz @1MHz offset,杂散性能为-65dBc，调谐范围约为15%。为提升相位噪声，降低电源敏感度及频率漂移，1-2GHz 锁相环采用级联Type II PLL系统架构，面积为0.043 平方毫米，其锁定时间为4.2us，带内相位噪声为-113 dBc，功耗为3.84 mW。..4）.天线及其他新型电路技术。.立足国内封装加工条件，面向天线带宽等指标，开展了天线与电路的协同设计方法研究，实现了材料空气槽及非空气槽天线。在60GHz频段，两者的|S11|相对带宽分别为13.8 and 26.2%。天线增益测试值大于12dBi，仿真辐射效率大于90%。提出了新型差分宽带匹配互联封装方案，互联损耗降低至0.2dB以下。提出电感增益增强放大器结构。在0.1THz 频率处，放大器Gmax可从8提高至10dB。..相信以上工作将有力推动我国毫米波及太赫兹技术的进步。