硅基太赫兹通信集成电路基础理论与关键技术

THz communication has the advantages of wide bandwidth, high data rate, good directional transmission and little interference, and has been widely used in family multi-media entertainment systems, wideband access and military communications. Along with the developments of Si-based technology, it becomes feasible to implement THz communication ICs in Si technology, but the implementation of Si-based THz communication ICs has a lot of challenges due to several hundreds GHz operation frequency. The project plan to research on basic theory and key techniques of Si-based THz communication ICs, including: statistics Si-based THz EM analysis method; Si-based THz devices and modelling; Si-based THz circuit theory and design techniques as well as chip implementation; Ultra-high data rate communication baseband processing and implementation; Si-based THz high gain antenna techniques; Si-based THz communication system architecture and demo verfication techniques. The goal is to implement THz front-end chip with integrated antenna and high speed communication baseband processing chip in <32nm CMOS technology and build THz communication demo systems with >10Gbps data rate. The project would solve the key techniques of Si-based THz communication IC design and make a good foundation for future THz communication system developments.

太赫兹通信具有频带宽、通信速率高、定向传输特性好、干扰少等优点，在家庭多媒体娱乐、宽带接入和军事通信等领域得到了广泛应用。随着硅基工艺的进步，硅基工艺已能支持实现太赫兹通信集成电路，但高达几百GHz的工作频段使太赫兹通信集成电路的实现面临一系列挑战。本项目围绕硅基太赫兹通信集成电路的基础理论与关键技术进行如下方面的研究：硅基太赫兹电磁场统计分析方法、硅基太赫兹元器件与建模技术、硅基太赫兹集成电路原理与设计方法及芯片实现技术、超高数据率通信基带处理与实现技术、硅基太赫兹高增益天线设计方法、硅基太赫兹通信电路的系统架构与原型验证技术。最终采用32nm以下CMOS工艺研制出集成片上天线的太赫兹前端电路芯片和高速通信基带处理芯片，并基于研发的芯片组搭建10Gbps以上数据率的太赫兹通信原型验证系统。该项目致力于解决硅基太赫兹集成电路设计过程中的关键技术问题，为实现实用的太赫兹通信系统奠定良好基础。

太赫兹通信具有频带宽、通信数据率高、定向传输特性好、干扰少等优点，但由于极高的载波频率，其电路实现面临一系列挑战。项目组针对硅基太赫兹通信集成电路基础理论和关键共性技术进行了研究，取得了如下研究成果：.（1）提出了硅基太赫兹电磁场的统计分析方法，并将之应用于电路的性能统计分析；.（2）研究了数字控制人工电介质传输线及其在频率自校准放大器中的应用、基于片上变压器的耦合谐振腔及宽带放大器设计方法、硅基新型肖特基二极管等新型元器件，并建立了硅基片上无源元件以及传统反型与无结型FinFET的等效模型；.（3）提出了基于传输线模型的片上解嵌结构和太赫兹放大器设计方法，可基于测试结果获得准确的中和放大器核心单元的电学特性；提出了基于互感正反馈的太赫兹放大器设计方法，提高了太赫兹放大器的增益；提出了一种太赫兹功率合成技术，在150GHz实现了高输出功率；提出了基于环路相移控制技术和开关耦合电感技术的硅基信号源设计方法，提高了基频振荡器的振荡频率；提出了基于Bang-Bang 技术的数模混合频率合成技术，并应用于实现大调频带宽的FMCW雷达信号源；.（4）提出了数模混合QPSK和16QAM超高数据率通信基带处理技术，规避了高采样率高功耗ADC/DAC和高复杂度高速数字基带处理的设计难题；.（5）实现了150GHz OOK发射机和接收机芯片，测试达到了12Gbps的通信数据率；实现了150GHz的宽带无线收发机芯片，达到了11GHz和9.6GHz的发射链路和接收链路带宽；实现了60GHz的数字密集型收发机芯片，采用喇叭天线测试的空中传输数据率达到了10Gbps；.（6）研究了高增益太赫兹/毫米波天线与阵列设计技术，实现了各种太赫兹/毫米波天线阵列；.（7）将相关技术应用于实现太赫兹探测器，基于0.18um CMOS工艺实现了860GHz和3000GHz的探测器阵列，并实现了物体成像演示。.项目组发表了55篇标注该项目资助号的学术论文，包括26篇IEEE期刊论文（1篇集成电路领域顶级期刊JSSC论文、10篇微波领域顶级期刊IEEE TMTT论文）和42篇SCI论文，申请了30项国家发明专利。项目组撰写的毫米波雷达芯片论文被评为A-SSCC国际会议Distinguished Design Award（三个获奖团队之一）。项目组培养了16名博士生（已毕业6名）和20名硕士生（已毕业10名）