發(fā)布時(shí)間：2018-04-06 05:30

  本文選題：太赫茲放大器　切入點(diǎn)：InP　出處：《電子科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年太赫茲波在高速通信、安檢、醫(yī)療成像、射電天文、國(guó)防等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)展,大大刺激了各類(lèi)高性能太赫茲器件的需求。在各類(lèi)太赫茲系統(tǒng)中,放大器的輸出功率、噪聲系數(shù)和線(xiàn)性度決定了系統(tǒng)的作用半徑、靈敏度,抗干擾能力以及通信質(zhì)量,是制約太赫茲技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵器件。設(shè)計(jì)太赫茲頻段固態(tài)放大器的基礎(chǔ)在于:1)性能優(yōu)異的器件;2)準(zhǔn)確的太赫茲線(xiàn)性及非線(xiàn)性器件模型;3)適用于太赫茲的電路設(shè)計(jì)方法。磷化銦(InP)異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)以其超高頻、大功率、高線(xiàn)性度等特性?xún)?yōu)勢(shì),是最適合太赫茲單片應(yīng)用的材料,已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外太赫茲固態(tài)器件和電路研究的熱點(diǎn)。開(kāi)展太赫茲InP HBT非線(xiàn)性模型及放大器設(shè)計(jì)研究對(duì)太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用有著非常重要的意義。在國(guó)家863計(jì)劃支持下,本文依托國(guó)產(chǎn)In P HBT工藝線(xiàn),針對(duì)上述要點(diǎn),以太赫茲單片放大器為最終目標(biāo)出發(fā),系統(tǒng)地研究了太赫茲在片測(cè)試、太赫茲InP HBT非線(xiàn)性模型的建模技術(shù)及太赫茲單片(TMIC)設(shè)計(jì)技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)太赫茲去嵌方法及在片校準(zhǔn)研究。針對(duì)太赫茲測(cè)試中如何準(zhǔn)確獲得待測(cè)件(DUT)本征參數(shù)的問(wèn)題,研究了片外校準(zhǔn)+去嵌與在片校準(zhǔn)兩種測(cè)試模式。首先對(duì)比研究了LRRM校準(zhǔn)和SOLT校準(zhǔn)在太赫茲的表現(xiàn),選定了精度高、可靠性高的LRRM作為片外校準(zhǔn)方法。分析了低頻常用的Open-Short去嵌法失效的機(jī)理,提出一種Open pad-Open-Through去嵌方法,實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段測(cè)試結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)的移除。研究了片上薄膜微帶線(xiàn)的性質(zhì),提取出了苯環(huán)丁烷(BCB)介質(zhì)介電常數(shù)的頻變模型,準(zhǔn)確的制作出特定特性阻抗及相移的傳輸線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段的TRL片上校準(zhǔn)。最后測(cè)試了InP晶元上的HBT,MIM電容等有源無(wú)源結(jié)構(gòu),對(duì)比了Open-Short,Open pad-Open-Through和TRL三種方法的測(cè)試效果,驗(yàn)證了TRL和Open pad-Open-Through方法的有效性,為后續(xù)建模工作打下基礎(chǔ)。(2)片上電容的太赫茲模型研究。針對(duì)電容Line-Capacitor-Line(LCL)模型傳統(tǒng)提參方法必須在微帶線(xiàn)環(huán)境中才有效的局限,提出一種通用的模型參數(shù)提取方法。該方法基于測(cè)試數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)模型Z矩陣和Y矩陣的推導(dǎo)得出模型參數(shù)的解析解,不受電容傳輸線(xiàn)形式及結(jié)構(gòu)限制,具有高度的普適性。提取參數(shù)在0-66GHz頻段內(nèi)不需要任何微調(diào)即可達(dá)到S參數(shù)幅度最大誤差7%,相位最大誤差7°以?xún)?nèi)的擬合精度。隨后根據(jù)LCL模型提出一種在不影響容值大小情況下提升電容自諧振頻率的方法,并進(jìn)行了驗(yàn)證。然后將模型應(yīng)用擴(kuò)展到了太赫茲頻段,研究了LCL模型在太赫茲頻段的有效性,以此為根據(jù)研究了MIM電容在太赫茲頻段的頻率響應(yīng)規(guī)律,為太赫茲單片電路設(shè)計(jì)提供了高精度的無(wú)源模型庫(kù)和完善了設(shè)計(jì)方法。(3)InP HBT太赫茲模型研究。針對(duì)In P HBT的B-C結(jié)的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)帶來(lái)的色散效應(yīng),提出了一個(gè)射頻電流模型,在Agilent HBT模型基礎(chǔ)上,增加了色散支路,改善了直流跨導(dǎo)與射頻跨導(dǎo)的模擬精確性。然后根據(jù)本文所使用HBT物理結(jié)構(gòu),重新規(guī)劃了Agilent HBT模型的寄生參數(shù)分布,將寄生電感拆分為電極寄生與通孔寄生,電感考慮了平行電極之間的磁耦合和金屬寄生電阻的趨膚效應(yīng)。以此拓?fù)錇榛A(chǔ)提出一種系統(tǒng)的寄生參數(shù)EM提取方法,一步一步剝離提取了寄生參數(shù)。最終模型在0.2~325GHz全頻帶多偏置點(diǎn)上與測(cè)試數(shù)據(jù)達(dá)到了良好的擬合結(jié)果。(4)太赫茲放大器研制。針對(duì)140 GHz,220 GHz等大氣窗口頻段開(kāi)展放大器設(shè)計(jì)研究。結(jié)合之前建立的HBT非線(xiàn)性模型和電容LCL模型,提出了一套適用于太赫茲頻段的原理圖設(shè)計(jì)方法,避免了太赫茲頻段原理圖設(shè)計(jì)盲目?jī)?yōu)化的問(wèn)題�；谶@種方法,首先設(shè)計(jì)了一款超寬帶中功率放大器,測(cè)試結(jié)果顯示芯片3 dB帶寬為49.1 to 146.4 GHz,覆蓋了E波段,W波段和F波段。平均小信號(hào)增益11.2dB,140 GHz上飽和輸出功率13.7 dBm。隨后設(shè)計(jì)了220 GHz放大器,采用雙共軛匹配法挖掘晶體管最大增益,級(jí)聯(lián)六級(jí)晶體管在220 GHz上得到了13 dB的小信號(hào)增益。放大器在片測(cè)試輸出功率為2.82 dBm。最后研究了倒置微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)的放大器,研制了一款八級(jí)倒置微帶放大器,在140~190 GHz上有超過(guò)15 d B的平坦增益,其輸出功率在220 GHz為-2.688 dBm。三款放大器成功實(shí)現(xiàn)了可實(shí)用化的太赫茲固態(tài)電路。
[Abstract]:榪戝勾澶但鍏規(guī)嘗鍦ㄩ珮閫熼，

本文編號(hào)：1718190