关键词:
太赫兹单片集成电路
高频电热二极管模型
有源无源解耦
输出可调倍频技术
紧凑型功率合成匹配技术
摘要:
太赫兹信号的产生与接收是太赫兹技术的核心问题,采用单片集成形式的高性能、高集成收发组件是太赫兹技术发展的必然趋势。因此,研究太赫兹单片集成电路对于未来太赫兹高速通信和高分辨率感知成像系统的发展具有重要意义。目前,基于肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)和磷化铟基高电子迁移率晶体管(InP High Electron Mobility Transistor,InP HEMT)的器件体系是太赫兹单片集成电路的主流研究方向。而与传统微波单片集成电路相比,太赫兹频段的高频特殊物理效应和高频分布式效应更加显著,限制了器件模型的准确性;高频高次模的产生以及场路联合迭代仿真增加了电路设计的时间;高频电路损耗的增加和工艺成本的上升则迫切需要开发新型电路架构,以实现高性能高集成的单片电路。
本文围绕上述关键问题,通过精确器件模型、电路设计方法及创新电路架构的递进式研究路径,深入研究了肖特基二极管的高频电热模型、InP HEMT的分布式小信号模型、有源与无源解耦的电路设计方法、新型输出可调倍频技术、紧凑型功率合成倍频技术,以及InP HEMT有源/异质集成无源电路等太赫兹单片集成电路的关键技术。主要研究内容包括:
(1)肖特基二极管高频电热模型研究。提出了一种高频电热二极管模型,综合考虑了二极管高频与高功率状态下的涡流效应、趋肤效应与自热效应,攻克了传统经验基二极管模型在高频大功率倍频器设计中准确性较低的难题。相比于传统二极管模型,采用该高频电热模型设计验证的太赫兹高效率单片三倍频与宽带混合集成三倍频,仿真与实测一致性分别提升了20%和80%。
(2)InP HEMT分布式小信号模型研究。利用4种去嵌图形开展了去嵌入技术研究,验证的P-T-O去嵌入算法得到了准确的InP HEMT器件数据。提出了一种基于5种全波仿真辅助器件结构的分布式小信号模型,解决了模型寄生参数多值性、无物理意义解与算法优化繁琐的问题。该参数提取方法通过实际还原器件尺寸,并构建相应的等效电路与求解算法,从外到内实现了寄生参数的剥离与求解。固定寄生后,在0-40 GHz范围内小信号模型实现了两种尺寸下多偏置下误差4%以内精确拟合,并扩展至D波段在减薄50μm衬底上进行了器件测试数据验证。
(3)有源无源解耦的电路设计方法。针对工作在波导环境的太赫兹倍频电路以及平面传输线环境的HEMT单片电路,提出了一种通用的基于有源-无源解耦的电路设计方法,避免了传统电路设计方法的划分冗杂性、匹配局限性以及迭代重复性等问题。利用该方法可以在设计初就指向最佳性能,大幅地提升了电路拓扑结构设计的灵活性,同时可以计算每部分的匹配损耗为电路的各部分优化提供了依据。
(4)新型输出可调倍频技术。提出了一种基于波导可拆卸组装的倍频架构,化解了太赫兹倍频电路的带宽-效率固有矛盾,通过可重复组装的内嵌输入波导匹配腔体与多频段输出匹配单片实现了单个倍频电路在多频段的高效率输出。同时,研究了输入匹配波导拆卸过程中,无接触法兰技术与腔体缝隙对嵌入阻抗与传输损耗影响。所研制的WR5频段可调输出倍频器,实现了可调节的170-183-220 GHz三个频段高效率输出,在150 m W输入功率下,三个频段的峰值效率分别为38%、34.5%与22.3%。进一步地,对该款单片研究了紧凑型功率合成技术,提出了一种基于波导T型结匹配的功率合成倍频器架构,将功率分配与阻抗匹配功能集成到波导T型结中,解决了传统功率合成倍频器腔体枝节多,阻抗匹配复杂的问题。基于该架构的两路功率合成倍频器在500 m W输入下,在168-189 GHz带内平均输出80 m W,并在182 GHz峰值输出107.8 m W,带内平坦度低于1.26 d B。
(5)InP HEMT有源电路与异质集成无源电路研究。针对太赫兹单片集成电路设计中版级仿真失效与设计复杂等问题,搭建了全三维电磁仿真布线环境,分析了减薄50μm衬底下的传输线单模传输条件与无源组件寄生效应,开展了D波段InP HEMT的小信号放大器研究,测试结果显示该三级放大器在110-137 GHz范围内增益大于15 d B,110-147 GHz范围内增益大于为10 d B。针对单InP衬底的片上传输高频损耗问题,开展了苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)异质集成架构与BCB薄膜低损耗传输线研究。给出了现有工艺条件下,低传输损耗(~1 d B@mm)与宽阻抗选取范围(25Ω-110Ω)的BCB薄膜传输线尺寸,并在220-325 GHz频段验证了基于该传输线设计的2路,4路功率合成网络与滤波器的性能。