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太赫兹技术在通信、雷达成像、安全检测、医学诊断和光谱分析等方面具有很大的应用潜力。在无线通信领域,太赫兹频段更多的宽带资源、更小的信号波长、独特的信道传输特性使太赫兹通信系统在卫星通信,近距离超高速数据传输,芯片上、芯片间、计算机集群间的无线网络等方面都具有很广阔的应用前景。本文针对采用CMOS工艺实现的太赫兹无线收发机关键技术展开研究,采用TSMC 40 nm CMOS工艺,对放大器、射频前端、振荡器、锁相环和收发机等电路与系统分别进行了设计,并均完成了单独的流片验证工作。本文主要完成了如下工作:1.太赫兹放大器设计。本文提出并采用了晶体管互连线版图优化技术、中和技术、基于耦合传输线的宽带匹配技术,有效提高了放大器的增益和稳定性,扩展了放大器的带宽。基于上述技术,本文实现了太赫兹宽带放大器的设计,放大器采用差分结构,共具有四个增益级。根据流片、测试结果,放大器能够达到10.1 d B的增益,35 GHz的3 d B带宽,带宽范围能够覆盖185 GHz～220 GHz。2.收发机射频前端设计。本文提出了太赫兹收发机双向化单片集成技术,采用收发开关实现了太赫兹双向收发机射频前端。根据流片、测试结果,本文实现的收发机射频前端的接收模式能达到10.5 d B的增益,34.8 GHz的3 d B带宽;发射模式能够实现9.6 d B的增益与32.8 GHz的3 d B带宽。该收发机射频前端的实现,论证了在太赫兹频段,实现收发机单片集成,并共用输入、输出天线接口的可行性,有效降低通信系统的成本。3.太赫兹振荡器设计。本文论述了在太赫兹频段适用的各类倍频技术,并采用基于变压器的谐波倍频器实现了太赫兹压控振荡器的设计。根据流片、测试结果,压控振荡器输出频率范围为181.9 GHz～191.5 GHz,在195.5 GHz频点的输出功率为-7.26 d Bm,相位噪声能达到-97.2 d Bc/Hz@10 MHz。4.锁相环设计。本文对分布式高阶无源网络的原理与特性展开研究,并具体介绍了注入锁定技术。利用分布式高阶无源网络,实现了压控振荡器工作频率的提升和注入锁定分频器锁定范围的扩展。基于上述技术,本文具体实现了U波段锁相环的设计。锁相环振荡器的输出频率范围为46.75 GHz～54.9 GHz。输出功率能够达到2.64 d Bm,并可实现-91.76 d Bc/Hz@1 MHz的相位噪声性能。锁相环具有两路输出,可以通过自混频倍频技术实现三倍频输出,也可以支持二次混频的收发机应用操作,能够为收发机系统提供较为稳定的本振信号,为QPSK等更复杂的调制方式的实现奠定基础。5.收发机系统。本文论述了太赫兹OOK收发机的各类调制技术,并提出了Cascode倍频调制技术,实现更高的开关隔离度和更快的响应速度。本文采用40 nm CMOS工艺,实现了一款G波段OOK调制的收发机系统。收发机系统实现了发射机、接收机单片集成并共用输入、输出接口。收发机在发射模式下可以达到1.28 d Bm的最大输出功率,平均开关隔离度能够达到25 d B。收发机系统可以支持10 Gb/s数据率的数据通信。