硅基CMOS太赫兹双向放大器技术研究

发布时间：2021-11-02 21:39

　　太赫兹频段作为下一代移动通信技术的重要频段,具有频谱资源丰富和数据传输速率高等特点,非常适用于大连接、多用户的实时通信等场景,因此太赫兹无线通信技术已成为学术界和工业界研究的热点之一。然而,当无线通信系统工作在太赫兹频率时,信号传输过程中产生的空间路径损耗会非常严重,为了不影响通信质量,太赫兹无线通信系统往往采用相控阵技术,并采用射频性能优异的化合物半导体（III-V族）工艺制备所需的射频器件。然而,要实现太赫兹无线通信系统的大规模商用,必定会约束通信设备的制作成本。为了降低成本,一方面可以采用基于双向放大器的新型收发机架构,减少射频模块的数量;另一方面也可以采用低成本、高集成度的硅基工艺制作射频器件。因此,采用硅基工艺设计高性能双向放大器芯片对太赫兹无线通信技术的商业化普及和推广具有重大意义。本文围绕硅基太赫兹双向放大器关键技术开展研究。首先调研了已发表的有关双向放大器的文章,总结归类了现有双向放大器的拓扑类型,并分析了各类双向放大器的工作原理。然后介绍了放大器的主要性能指标及其意义。基于上述理论基础,针对宽带宽、高增益需求设计了两款太赫兹放大器,并提出了新型太赫兹双向放大器拓扑。完... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【图文】：

图2-1时分双工收发机架构(a)射频开关型;(b)环形器型

简化的无开关型双向放大器的示意图如图2-2(a)所示,主要包含两个双向阻抗变换网络、低噪声放大器核心电路、功率放大器核心电路以及未做说明的偏置电路、控制电路等。由MOS晶体管的特性可知,MOS晶体管在开启和关闭时表现出的阻抗不同,利用此原理可以构建三端口阻抗变化网络,对两种工作模式同时进行匹配。其工作原理以天线端口作以说明,在接收模式下,如图2-2(b)所示,功率放大器中的MOS晶体管处于关闭状态,其看进去的阻抗ZPA_OFF参与低噪声放大器输入端与天线端的阻抗匹配,并保证天线端口看向功率放大器的阻抗值为无穷大。发射模式的工作原理与接收模式相反,如图2-2(c)所示。2.2 双向放大器的主要性能指标

截止频率fT定义为晶体管的电流放大系数下降到1时对应的频率,是表征晶体管高频特性的最常用的一个参量。最大谐振频率fmax是晶体管的功率增益为1时对应的频率,也是表征晶体管高频特性的参量[32,33]。随着放大器的工作频率越来越高,特别是到达太赫兹后,研究晶体管的截止频率fT和最大谐振频率fmax显得尤为重要。MOS管在高频状态下的等效电路模型如图2-3所示,可用于计算MOS管的截止频率fT和最大谐振频率fmax。假设将共源接法的MOS的漏极交流接地,栅极由一个理想电流源驱动。在这样的电路结构里,漏-衬底电容Cdb和栅串联电阻对电流增益都不起作用。进一步假定,栅漏电容Cgd只在计算输入阻抗时被考虑,而对通过其在输出电流中的正向馈送电流的贡献则忽略不计。这样,电流增益可写为:

【参考文献】：
期刊论文
[1]太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望[J]. 李欣,徐辉,禹旭敏,朱正贤.  空间电子技术. 2013(04)
[2]太赫兹空间应用研究与展望[J]. 姚建铨,钟凯,徐德刚.  空间电子技术. 2013(02)
[3]太赫兹技术空间应用研究探讨[J]. 林栩凌,阮宁娟,周峰.  航天返回与遥感. 2012(01)
[4]微波固态电路设计[J]. 顾墨琳.  微波学报. 1989(04)



本文编号：3472420