关键词：
硅基
毫米波频率源
EKV模型
倍频器
压控振荡器
摘要：
硅基毫米波源是实现下一代硅基高速毫米波通讯、高精度雷达以及高分辨率成像等诸多毫米波应用的重要支撑。随着工作频率的升高,晶体管的非线性也更加复杂化,这对晶体管非线性的描述和建模带来了重大阻碍。同时,倍频器和压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)作为硅基毫米波源中的关键非线性电路模块在更高的频率操控非线性以产生高能效高品质的毫米波源将更为困难。本文针对以上问题,以高频毫米波源的研究为导向,基于提出的晶体管EnzKrummenacher-Vittoz(EKV)拓展模型,重点开展了对高频毫米波倍频器的研究工作,并对高频毫米波VCO进行了研究,概要如下:
针对毫米波段晶体管在多谐波非同步相移条件下非线性描述和建模困难的问题,提出了EKV拓展模型,实现了对毫米波段晶体管的谐波产生、控制和优化的直观和准确的描述。利用数值计算验证了基于EKV晶体管拓展模型的正确性,并完成了EKV多谐波幅相调控技术的验证与最佳幅相条件的优化。这一工作,为毫米波晶体管的非线性分析提供了一种新方法,并为本文基于晶体管多谐波幅相位控制非线性电路的研究奠定了理论基础。
采用EKV拓展模型,建立了对晶体管输出端基波、二次谐波和三次谐波的调控电路,首次实现了具有多谐波幅相调控机制的F类二倍频器电路拓扑,与当时最高水平相比,输出功率提升了86%。针对高频毫米波段倍频器输出功率的需求,采用大信号电路仿真验证了F类二倍频器中晶体管输出端多谐波幅相调控的最优化条件。基于55-nm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺设计实现了一款工作频率为112-125 GHz,输出功率高达7.8 dBm的F类二倍频器。采用谐波牵引方法,将EKV多谐波幅相调控技术转化为对多谐波阻抗的调控,并应用于SiGe工艺中实现对双极型晶体管多谐波的调控。在130-nm SiGe工艺下实现了一款工作频率为170 GHz,输出功率高达15.6dBm,倍频效率为12.1%的高功率高效率共射共基(Cascode)二倍频器,达到了同频段的最高功率和最高效率,并以98.1的功率密度优于其它同类硅基二倍频器。在130-nm SiGe工艺下实现了另一款工作频率为340 GHz的高功率高效率二倍频器,输出功率为5.5 dBm,倍频效率为4.92%。
提出了一种多谐波输入改进型达林顿(Darlington)管倍频核心,通过引入额外的正反馈回路并采用谐波反馈极点交错分布(pole-stagger)技术,实现了毫米波段倍频带宽和效率的同步提升。采用提出的大信号下类泰勒级数、VolterraWiener级数以及EKV晶体管拓展模型对改进型Darlington管倍频核心的非线性进行了对比分析,完善了本文提出的EKV晶体管拓展模型在输入端多谐波条件下的非线性特性的分析,验证了多谐波输入Darlington管倍频器对带宽拓展和倍频效率提升的可能性。基于55-nm CMOS工艺,实现了一款工作频率为19-45 GHz,相对带宽高达81.3%以及倍频效率达到23.2%的超宽带高效率多谐波输入Darlington管二倍频器。基于130-nm SiGe工艺对多谐波输入Darlington管倍频器进行了优化,实现了一款工作频率为36-101 GHz,相对带宽高达88.4%以及倍频效率达到20.5%的二倍频器。提出的多谐波输入Darlington管倍频核心以不牺牲芯片面积为代价,为突破毫米波倍频器的工作带宽和倍频效率的相互制约关系提供了新方法。
结合本文的EKV多谐波幅相调控技术、谐波牵引方法、谐波反馈技术、polestagger技术,采用多模块联合优化方法,设计并实现了两种340 GHz频率源系统:集成片上VCO的功率源和多级倍频的八倍频链路。采用谐波调控技术和多谐振腔磁耦合技术,实现了170 GHz紧凑型低相噪B/C类融合VCO。基于130-nm SiGe工艺,集成VCO的340 GHz高频毫米波源,实现了335.5-346.7 GHz频率范围内的信号输出以及-2.4 dBm到-2.6 dBm的输出功率;基于倍频器的340 GHz八倍频链路通过多级倍频器的级联,实现了45 GHz信号到340 GHz信号的倍增,在317-352 GHz频率范围内输出功率大于0 dBm,最大输出功率可达2.9 dBm。
综上所述,本文基于EKV晶体管非线性拓展模型,围绕着谐波产生、调控和优化等系统的对硅基毫米波源及其关键非线性电路开展了理论研究、数值分析、软件仿真、加工测试等工作。本文中所提出EKV晶体管拓展模型及其附带的创新方法和创新技术可以为未来非线性系统的研究提供一种新的参考和启发,对未来硅基非线性电路的研究提供了一些新的思路。
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