高功率太赫兹基波压控振荡器设计

傅海鹏，孙辉

（天津大学 微电子学院，天津 300072）

太赫兹频段具有穿透性、安全性、宽带性等独特优点，因此在无线通信、公共安全检测、成像等领域具有十分广阔的应用场景[1].而上述应用均需要具有较高输出功率的太赫兹振荡器.但是由于太赫兹频率已接近硅基晶体管的最高振荡频率fmax，晶体管的可用增益会急剧下降，此外，在如此高的频率下，无源器件受趋肤效应、寄生等影响产生的损耗更加显著，这些因素使得基于硅基工艺的晶体管输出功率有限.尽管使用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺可以使太赫兹频段的振荡器设计实现较优的性能[2-3]，但是高昂的工艺成本令其目前无法大规模应用.

CMOS 工艺具有低成本、集成度高等优势，并且随着CMOS 技术不断发展，CMOS 工艺可达到的fmax不断提高，CMOS 工艺的性能也不断提升，因此采用CMOS 工艺设计高性能太赫兹振荡器已成为可能.由于太赫兹频带接近或超过大多数CMOS 工艺的fmax，提取高次谐波实现太赫兹工作频率是目前基于CMOS 工艺的主要选择[4-5]，但由于提取高次谐波使得振荡器的输出功率相当有限.为了解决谐波提取功率受限的问题，文献[6-9]采用多核耦合进行功率合成的方法实现了较高的输出功率和较优的相位噪声，然而功率合成会不可避免地导致高功耗和高损耗，从而使电路DC-RF 效率较低，并且会增加电路的设计复杂度，占用较大的面积.

直接利用基波实现太赫兹振荡器可以避免谐波提取导致的基波能量浪费……