太赫兹超再生接收机电路研究及设计

发布时间：2020-03-30 02:35

【摘要】：太赫兹波由于具有丰富的频谱资源,在成像、通信和安检等领域均有很好应用前景,已成为近年来学术界工业界研究及关注热点,因此对太赫兹技术及相关电路技术的研究具有重大意义。本论文针对太赫兹成像应用中的超再生接收机进行了研究及设计。文中首先介绍太赫兹的频谱、太赫兹波的基本特性和其相关应用,概述了近年国内外太赫兹收发机的研究现状,对太赫兹超再生接收机及其相关模块进行了理论分析。在此基础上完成了297.4GHz压控振荡器、280GHz超再生接收机和280GHz全集成电荷聚集超再生接收机等三款电路的设计。论文的主要研究内容和贡献如下:(1)以提高超再生接收机的灵敏度为目标,综合考虑硅基CMOS的相关损耗机制,提出了一种差分并联电感,可改善品质因数,进而提高了超再生接收机的灵敏度。采用差分并联电感,完成了一款振荡器的设计。作为超再生接收机的核心电路单元之一,该振荡器工作频率为295.6~299.7 GHz,频率调谐范围为4.1GHz,相位噪声在10MHz频率偏移处为-106.7d Bc/Hz,1.2V电源供电时,功耗为20.8mW。(2)在前期研究基础上,基于65 nm CMOS工艺,研究并设计了一款中心工作频率为280GHz、灵敏度达到-90d Bm的超再生接收机(已经流片成功,目前在测试中)。后仿结果表明在281.5GHz处,输入信号为-20d Bm时,接收机的最大增益为16.5d B,工作带宽为2.3GHz,在1.2V电源电压下功耗为10.8mW。(3)为减少工作在太赫兹频段的片外天线与电路的互连加工工艺复杂、天线与电路之间阻抗匹配及电路中信号输入端口阻抗匹配引入的损耗大等问题,论文设计了一款集成了天线的全集成电荷聚集超再生接收机。通过以接收机信号馈入点的阻抗作为负载阻抗完成了一款片上天线的设计,在增加了电路设计的灵活性的同时,有效地改善了因片外天线与电路互连产生的工艺及损耗问题。文中设计的天线中心工作频率为280GHz,增益为-1.9d B,方向性系数为7.2d B,辐射效率为12.2%。集成了片上天线的全集成超再生接收机最大增益在280GHz处,为36.1d B。在278GHz~282GHz范围内增益在35d B以上,具有较好的增益平坦性。灵敏度达到-88d Bm,工作带宽为6.1GHz,在1.2V电源电压下功耗为17.7mW。
【图文】：

电磁频谱,太赫兹波

（也有学者认为是0.3~3THz[2]）。如图1.1为电磁波频谱[3]，由于太赫兹波在电磁频谱上的特殊位置，因此有光子和电子两种形式的太赫兹波。近年来由于日趋成熟的精密加工技术，太赫兹技术被广泛应用于短距通信和成像。太赫兹频段目前还没有被充分利用，，包含着丰富的频谱资源，具有巨大的应用前景和市场。图1.1 电磁频谱1.2 太赫兹波空隙及大气衰减特征1.2.1 太赫兹波空隙由于在电磁频谱上处于独特的位置，太赫兹波在遥感和通信应用方面也有着独特的特征，然而这些技术并没有像微波和光学技术一样成熟。太赫兹波的波长限制着高光子能量的产生（E hv），而电子学领域的太赫兹信号源和检测器被有源器件在高频频段的性能所限制（max/Tf f ）。此外，太赫兹频段的测量仪器不仅非常短缺而且价格昂贵。因此

太赫兹,功率和,频率,领域

图1.1 电磁频谱大气衰减特征处于独特的位置，太赫兹波在遥感和通信应用微波和光学技术一样成熟。制着高光子能量的产生（E hv），而电子学频段的性能所限制（max/Tf f ）。此外，太赫兹因此，目前太赫兹技术的研究状况，如太赫兹领域或红外光子领域发达。这个技术壁垒就是率和频率的关系，可清楚地发现太赫兹领域研
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN851

【参考文献】