【摘 要】
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太赫兹波具有宽带性、穿透性、安全性等独特优点,因此在无线通信系统、成像等领域具有广阔的应用场景。具有较高输出功率的太赫兹压控振荡器是实现上述应用的基础。CMOS工艺具有低成本,易于系统集成等优点,已成为目前太赫兹振荡器设计的主流工艺。然而,太赫兹频率已经接近甚至超过大部分CMOS工艺的最高振荡频率,这导致晶体管性能在太赫兹频段会迅速恶化,此外低供电电压限制了晶体管的输出摆幅。这些因素导致采用基波实
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太赫兹波具有宽带性、穿透性、安全性等独特优点,因此在无线通信系统、成像等领域具有广阔的应用场景。具有较高输出功率的太赫兹压控振荡器是实现上述应用的基础。CMOS工艺具有低成本,易于系统集成等优点,已成为目前太赫兹振荡器设计的主流工艺。然而,太赫兹频率已经接近甚至超过大部分CMOS工艺的最高振荡频率,这导致晶体管性能在太赫兹频段会迅速恶化,此外低供电电压限制了晶体管的输出摆幅。这些因素导致采用基波实现的太赫兹振荡器的输出功率相当有限。目前基于基波实现的振荡器输出功率大多低于0 d Bm,而采用高次谐波进行多核功率合成的设计可以实现3 d Bm以上的输出功率,但以高功耗和低效率为代价。针对上述问题,本文基于CMOS工艺围绕实现高功率太赫兹基波压控振荡器开展了研究,具体工作如下:（1）针对低供电电压导致输出摆幅受限的问题,采用堆叠结构提高供电电压进而提高输出摆幅,并利用堆叠结构的高输出阻抗特性来提高核心电路的隔离度。为了优化相位噪声性能,通过将两层晶体管的栅极电感进行耦合来实现核心振荡晶体管栅极摆幅的提升,并利用传输线的阻抗特性来抑制二次谐波,从而有效降低了相位噪声。仿真结果表明:在2.4 V供电电压下,电路振荡频率为177.4GHz～181 GHz,最高输出功率为0.8 d Bm,在频偏1 MHz处实现的最优相位噪声为-94.5 d Bc/Hz,最大直流功耗仅为26.2 m W,峰值DC-RF效率为4.7%。（2）为进一步提升输出功率,在上述研究的基础上进行了优化。针对太赫兹频段下晶体管性能迅速下降的问题,采用单边化技术来调整晶体管栅漏之间的相移和增益以最大化晶体管的基波输出能力。堆叠结构中由于寄生电容影响使得各层晶体管的输出电压相位不一致,从而导致功率合成效率下降。针对这一问题,级间采用传输线和电容构成匹配网络来调整晶体管阻抗和相移从而提高合成效率。仿真结果表明:在2.4 V供电电压下,电路调谐范围为199.3 GHz～204.4 GHz,峰值输出功率为3.25 d Bm,在1 MHz频偏处最优相位噪声达到了-98.7 d Bc/Hz,电路最大DC-RF效率为8.1%。
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