基于40nm CMOS工艺的太赫兹倍频器设计

论文摘要

太赫兹频段（0.110THz）是人类目前尚未完全利用的频段,国内外对太赫兹的研究仍处于探索阶段,太赫兹波因其脉冲短、带宽较宽、低能性等特征被广泛的应用于各个领域,如太赫兹波成像、公共安全检查、太赫兹雷达、太赫兹通信技术等。世界各国科研机构对太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹信号源、太赫兹发射和接收器、太赫兹探测器等领域。本文主要针对太赫兹信号源技术开展研究,基于40nm CMOS工艺,完成了320GHz太赫兹四倍频器的设计。本文介绍了太赫兹倍频器的基本原理、指标和分类,简要分析了太赫兹倍频器的主流实现方法,重点研究了基于推-推结构二倍频器的原理,以及实现推-推二倍频器所需要的关键Marchand巴伦的理论分析。对太赫兹四倍频电路进行分模块研究,分别设计完成了160GHz二倍频器、160GHz功率放大器、320GHz二倍频器,并针对三级电路之间的阻抗匹配进行了研究。利用ADS momentum和HFSS两款电磁仿真软件,通过精准的衬底模型建立,设计完成了两款工作频率分别为80GHz和160GHz的Marchand巴伦,以及采用共面波导和微带线结构的电感,完成了硅基片上MOM电容的电磁仿真。本文完成了太赫兹四倍频器的电路设计,版图设计和路场联合仿真,芯片版图面积约为0.43mm2。后仿真结果表明电路最终实现输出频率为320GHz,3dB功率带宽为22.8GHz。在输入5dBm基波功率条件下,输出四次谐波最大功率为-13.7dBm。倍频损耗小于20dB。二次谐波相对于四次谐波的抑制比为41dBc,总体功耗为19.7mW,基本符合预期指标。芯片最终流片,并进行了在片测试。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 论文背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外的研究现状

1.2.2 国内的研究现状

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织结构

第二章倍频器概述

2.1 倍频器基本理论

2.2 倍频器的性能指标

2.3 倍频器的分类

2.4 倍频器的主流实现方法

2.4.1 基于PN变容二极管的倍频器

2.4.2 基于肖特基势垒二极管的倍频器

2.4.3 基于有源晶体管的倍频器

2.5 推-推结构二倍频的电路理论分析

2.6 巴伦的基本理论和指标

2.6.1 巴伦的关键指标

2.6.2 Marchand巴伦的理论分析

第三章四倍频器电路的各部分设计

3.1 160 GHz二倍频器的设计与前仿真

3.2 160GHz 功率放大器的设计与前仿真

3.3 320 GHz二倍频器的设计与前仿真

3.4 太赫兹四倍频器电路的前仿真

第四章 320GHz四倍频器整体电路的设计与仿真

4.1 电磁仿真软件的介绍

4.1.1 ADS Momentum软件中硅衬底模型的建立和仿真的设置

4.1.2 HFSS仿真模型的建立和参数的设置

4.2 80 GHz和160GHz Marchand巴伦的设计

4.2.1 Marchand巴伦的设计方案分析

4.2.2 Marchand巴伦的具体实施

4.3 关键电感电容的设计与仿真

4.4 四倍频器电路的版图设计

4.4.1 版图设计的几个注意事项

4.4.2 焊盘选取和版图布局

4.5 总体电路的联合仿真

第五章四倍频器的流片和测试

5.1 四倍频器的原理图和芯片图对照

5.2 四倍频器芯片的测试方案

5.3 四倍频器芯片的实际测试

5.3.1 直流工作点测试

5.3.2 输出频率和功率测试

5.3.3 测试结果分析及总结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙奥迪

导师: 李芹,陈健

关键词: 太赫兹,倍频器,推推,巴伦

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TN771;O441.4

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003187

总页数: 88

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