220 GHz固态放大技术研究

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太赫兹波具有带宽宽,穿透力强,光子能量低的特性,可应用于下一代的通信、安检和医疗检测领域。由于太赫兹潜在的巨大价值,国内外研究机构先后开展了相关的研究工作。作为太赫兹系统收发前端的重要组成部分,太赫兹放大器性能的好坏决定着整个太赫兹系统的性能。因此,太赫兹固态放大电路也受到越来越多的关注。本文主要关注固态太赫兹放大技术,围绕频率220 GHz这个衰减相对较小的“大气窗口”,重点研究了磷化铟(InP)单片放大器的设计及放大器的封装技术,并搭建了太赫兹通信系统收发前端的部分电路。在太赫兹功率放大器的研究中,本文先设计了一款平面空间功率合成(IPS)功分器,然后根据单片设计指标和可选工艺线,利用IPS功分器,采用0.5μm InP DHBT工艺设计一款六路八级功率放大器单片,其仿真数据显示,在205-235GHz,该放大器单片拥有大于10 dB的小信号增益,在220 GHz频点拥有13.1dBm的饱和输出功率。接着,利用国产低噪声放大器芯片进行了放大器模块研究。在模块化过程中,将紧凑微带单元(CMRC)低通滤波器放置在芯片直流端,利用其在太赫兹频段隔离信号的特性,防止射频信号向直流端泄漏,提升了模块性能。测试结果表明,该模块在200-240 GHz的小信号增益均在10 dB以上,在203-217 GHz小信号增益达到16-18 dB,在220 GHz频点的P1dB为3.2 dBm。对比芯片在片测试结果,整体趋势与芯片相同,推算出该低噪声放大器单端封装损耗在2 dB以内。进一步,利用低噪声放大器成功的封装经验,采用国产的两款220 GHz功率放大器芯片进行了模块封装,测试结果表明,InP HBT功率放大器模块最大饱和输出功率大于4 dBm,是国内公开报道中第一款220 GHz频段HBT功率放大器模块。InP HEMT功率放大器模块在224 GHz饱和输出功率达到10 dBm,这是国内公开报道中第一款饱和输出功率达到10 dBm的220 GHz功率放大器模块。最后,利用封装好放大器模块结合课题组研制的其他功能单元,共同搭建了一套220 GHz太赫兹通信系统的收发前端。经过测试,在7米范围内,采用16QAM调制,七个载波聚合,达到45 Gbps的传输速度。该太赫兹通信收发前端为6G通信技术研发奠定了一定的基础。
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