基于标准CMOS工艺的太赫兹亚谐波混频器的设计与研究

【摘要】：由于太赫兹波在电磁波谱上具有独特的位置,这一频谱位置使得太赫兹具有一种处在微波和光子学之间的独特优势,它是目前为止最后一个没有被全面开发利用的波段。也正是由于这一独特性质使得在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域存在着广泛的应用前景。近年来,随着无线通信系统不断向高频、高带宽、高集成度及低成本等方向发展,太赫兹波通信成为其中的研究热点之一。CMOS工艺由于其高集成度、低成本等优点,在通信领域有着广泛的应用。因此,本文采用TSMC 65nm标准CMOS工艺实现太赫兹亚谐波混频器的设计。首先,本文根据目前国内外的研究现状,介绍了混频器的基础理论和性能参数;然后,解释了不同结构下的太赫兹亚谐波混频器的工作原理以及本文所采用的亚谐波混频器的拓扑结构,并根据混频器的性能参数要求进行外围电路的设计,主要包括传输线的设计以及中频输出匹配的设计;最后,选择Source-pumped的电路结构进行版图的设计以及后仿真。由于在太赫兹频段下,电路的寄生效应十分显著,所以版图设计以及后仿真变得及其关键,由于工艺库中的一些模型不适用于太赫兹波段,并且该工艺库中没有提供传输线模型,本文提出无源器件通过电磁仿真,再导入电路模拟软件的方法进行设计,即电路的片上传输线以及关键信号线均通过High Frequency Structure Simulator(HFSS)进行电磁场仿真,最终以多端口S参数的形式导入Cadence中进行混合仿真。在太赫兹频率下,上述方法可以使后仿真结果更精准一些。版图后仿真结果表明,本文所设计太赫兹亚谐波混频器的射频输入信号的频率为303GHz,本振输入信号频率为152GHz,混频后的中频输出频率为1GHz,变频损耗为-34dB,噪声系数为25dB。射频端和本振端的回波损耗S11分别为-32dB和-20dB。所设计的各项指标均满足设计要求,可以应用于太赫兹通信系统中。