一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器

1.本发明涉及太赫兹倍频器和混频器集成电路设计领域，尤其涉及一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器。


背景技术：

2.太赫兹(thz)频段在电磁波谱中处于微波与光学之间，频率范围通常为0.1-10thz。太赫兹性能独特，与微波相比，太赫兹有着宽带，方向性好的特点；与光学频段相比，太赫兹有着效率高、穿透性好的特点。由于其特殊的频谱特性，太赫兹成为6g通信最有前景的电磁频段之一，已经被各国科研工作者提上研究日程。
3.太赫兹能够应用的首要前提是太赫兹信号的产生。长期以来，太赫兹频段被称为电磁波谱中的“太赫兹鸿沟”。产生太赫兹信号的主流方法有两种：其一，采用电子学手段，从微波上变频至太赫兹；其二是采用光学手段，从光学频段下变频至太赫兹。当前，主流的太赫兹信号源昂贵而笨重，甚至有部分信号源需要运行在低温环境，导致太赫兹信号源的鲁棒性差、寿命短、可移动性差、价格昂贵。随着硅基工艺尤其是低成本cmos技术的不断发展，使得以电子学手段实现室温运行、低成本、可移动的太赫兹信号源成为可能。
4.尽管硅基制造工艺已经有了长足的进步，晶体管的单位功率增益频率f
max
已接近300ghz。但是，当频率接近f
max
时，晶体管不再能够提供足够的增益。因此，采用标准cmos工艺产生太赫兹信号的功率极为有限。除此之外，标准cmos工艺的衬底是低阻硅，不能够阻止信号耦合到衬底上，造成较大的衬底损耗，同时，该工艺的金属线较薄，品质因数较低，会造成较大的金属损耗。在硅基毫米波太赫兹电路中，差分电路是最常用的结构，因此，基于耦合线的变压器、巴伦等也是硅基毫米波太赫兹电路最常用的差分无源器件。当工作超过300ghz，晶体管已不能够提供增益，降低无源器件的损耗是提升输出功率最有效的方法之一。对于基于耦合线的无源器件，通过降低导体损耗和耦合损耗均能降低器件整体的的插入损耗。由于导体损耗与制造工艺相关，难以降低，采用适当的耦合结构降低耦合损耗以提升整个无源器件的性能是最便捷的途径。因此，如何在标准cmos工艺实现具有强耦合和高设计自由度特点的耦合结构，成为太赫兹技术应用的关键问题。


技术实现要素：

5.技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器，输入输出巴伦均采用了半封闭耦合结构，能够有效地降低片上无源器件的耦合损耗，并保留了高设计自由度，提升了太赫兹倍频器的输出功率。
6.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
7.一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器，包括输入匹配网络、四次谐波倍频单元、级间变压器、单平衡混频单元、输出匹配网络，其中所述输入匹配网络和所述输出匹配网络中的巴伦都采用了半封闭耦合结构。
8.所述输入匹配网络用于将输入信号转成两路差分信号注入到所述四次谐波倍频
单元中，同时分出一路信号作为所述单平衡混频单元的本振；所述四次谐波倍频单元输出单端四次谐波信号，由所述级间变压器引出，并从所述单平衡混频单元的源级端注入；所述单平衡混频单元将基波和四次谐波进行混频，产生的五倍频信号从所述单平衡混频单元的漏级端以差分模式引出；所述输出匹配网络将差分的五倍频信号转成单端信号输出；所述半封闭耦合结构由初级顶层金属、通孔、次顶层金属、次级顶层金属构成一种半封闭耦合结构。
9.进一步的，所述输入匹配网络包括基于半封闭耦合结构的输入巴伦balun-1、电容c1、电容c2、电感l1、电感l2；电容c1的正端接入信号线，负端接地；输入巴伦balun-1的次级线圈的中心抽头处加载晶体管栅极偏置电压vbias；电容c2的正负端跨接在输入巴伦balun-1次级线圈的两端；电感l1和电感l2分别串联在差分信号线两端，正端连接输入巴伦balun-1的两个输出端，负端连接所述四次谐波倍频单元。
10.进一步的，所述四次谐波倍频单元包括晶体管q1和晶体管q2；晶体管q1和q2的栅极分别连接在电感l1和l2的负端，晶体管q1和q2的源级同时接地，晶体管q1和q2的漏级接在一起连接到所述级间变压器的初级线圈正端。
11.进一步的，所述级间变压器的初级线圈正端连接所述四次谐波倍频单元的漏级端，负端加载漏级电压vdd1，次级线圈正端连到地，负端连到所述单平衡混频单元的源级端。
12.进一步的，所述单平衡混频单元包括晶体管q3和晶体管q4；晶体管q3和q4的栅极分别连接到晶体管q1和q2的栅极，晶体管q3和q4的源级接在一起连到所述级间变压器次级线圈的负端，晶体管q3和q4的漏级以差分模式引出。
13.进一步的，所述输出匹配网络包括一个基于半封闭耦合结构的输出巴伦balun-2和电容c3；输出巴伦balun-2的初级线圈的差分端口连接所述单平衡混频单元的差分输出端口，初级线圈的中心抽头连接到漏级电压vdd2，次级线圈的一端开路，另一端连接到射频信号输出端口rfoutput。
14.有益效果：
15.1、本发明提出了一种半封闭耦合结构，能够提升耦合传输线的耦合系数，降低耦合损耗，并且保留了较高的设计自由度。
16.2、本发明提出的半封闭耦合结构能够应用于包括但不限于：变压器、marchand巴伦、耦合线滤波器、lange耦合器等片上无源器件，有着广泛的应用前景。
17.3、本发明采用的自混频方案能够最大程度的提升倍频器的输入线性度，进而提升工作在超过300ghz的太赫兹倍频器最大输出功率。
18.4、本发明采用标准cmos工艺实现，具有集成度高、成本低的特点。
附图说明
19.图1为本发明中太赫兹五倍频器的自混频方案；
20.图2为本发明中太赫兹五倍频器的电路结构和耦合无源结构；
21.图3为本发明中输出巴伦的插入损耗；
22.图4为本发明中太赫兹五倍器的大信号s参数；
23.图5为本发明中太赫兹五倍器的变频增益。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明做进一步的解释。
25.如图1所示，本实施例的一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器中，基波信号输入四次谐波倍频单元ⅱ中产生四倍频信号，自输入端引出一路基波信号，将这两路信号分别加载到单平衡混频单元ⅳ上，单平衡混频单元ⅳ输出五倍频。倍频器的输入线性度会制约倍频器的最大输出功率，相比传统的推推五倍频器，本发明在拓扑结构上提升了太赫兹倍频器的输入线性度，进而提升了最大输出功率。
26.如图2所示，一种基于半封闭耦合结构的硅基太赫兹五倍频器，具体包括输入匹配网络ⅰ、四次谐波倍频单元ⅱ、级间变压器ⅲ、单平衡混频单元ⅳ、输出匹配网络
ⅴ
，其中输入匹配网络ⅰ和所述输出匹配网络
ⅴ
中的巴伦都采用了半封闭耦合结构ⅵ。半封闭耦合结构ⅵ由初级顶层金属1、通孔2、次顶层金属3、次级顶层金属4构成。
27.输入匹配网络ⅰ包括基于半封闭耦合结构的输入巴伦balun-1、电容c1、电容c2、电感l1、电感l2；电容c1的正端接入信号线，负端接地；输入巴伦balun-1的次级线圈的中心抽头处加载晶体管栅极偏置电压vbias；电容c2的正负端跨接在输入巴伦balun-1次级线圈的两端；电感l1和电感l2分别串联在差分信号线两端，正端连接输入巴伦balun-1的两个输出端，负端连接四次谐波倍频单元ⅱ。
28.四次谐波倍频单元ⅱ包括晶体管q1和晶体管q2；晶体管q1和q2的栅极分别连接在电感l1和l2的负端，晶体管q1和q2的源级同时接地，晶体管q1和q2的漏级接在一起连接到级间变压器ⅲ的初级线圈正端。
29.级间变压器ⅲ的初级线圈的正端连接四次谐波倍频单元ⅱ的漏级端，负端加载漏级电压vdd1，次级线圈正端连到地，负端连到单平衡混频单元ⅳ的源级端。
30.单平衡混频单元ⅳ包括晶体管q3和晶体管q4；晶体管q3和q4的栅极分别连接到晶体管q1和q2的栅极，晶体管q3和q4的源级接在一起连到级间变压器ⅲ次级线圈的负端，晶体管q3和q4的漏级以差分模式引出。
31.输出匹配网络
ⅴ
包括一个基于半封闭耦合结构的输出巴伦balun-2和电容c3；输出巴伦balun-2的初级线圈的差分端口连接单平衡混频单元ⅳ的差分输出端口，初级线圈的中心抽头连接到漏级电压vdd2，次级线圈的一端开路。
32.上述结构中，基波信号自rfinput端口进入输入匹配网络ⅰ，单端信号由输入巴伦balun-1转换成两路差分信号注入到四次谐波倍频单元ⅱ中，同时功分一路信号作为单平衡混频单元ⅳ的本振信号。四次谐波倍频单元ⅱ输出单端四次谐波信号，由级间变压器ⅲ注入到单平衡混频单元ⅳ的源级，作为混频单元的中频信号。单平衡混频单元ⅳ将基波信号和四次谐波信号进行混频产生五次谐波信号，并由单平衡混频单元ⅳ的漏级以差分模式引出。输出匹配网络
ⅴ
的输出巴伦balun-2实现差分转单端的功能将五次谐波信号从rfoutput端口输出。
33.本实施例中晶体管q1、晶体管q2、晶体管q3、晶体管q4应均采用nmos管，基于40nm cmos工艺，本发明对上述电路结构和无源结构进行了仿真。
34.图3给出了输出巴伦的插入损耗，差分端口的差分阻抗结合实际电路设置为33ω，在300-400ghz，插入损耗均小于2.5db，最小的插入损耗为1.27db，该指标对于标准cmos工艺来说极为优越。图4给出了太赫兹五倍频器的输入和输出端口的大信号s参数，输入端口
的回波损耗在输入频率64-80ghz均大于8.5db，输出端口的回波损耗在300-400ghz均大于10db。图5给出了太赫兹五倍频器的变频增益，在320-374ghz频率范围内其变频增益为-25.6-28.6db，3db带宽为18.7％。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。