一种采用cmos工艺实现的太赫兹发射机电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种太赫兹发射机结构。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的太赫兹 发射机电路。
【背景技术】
[0002] 近年来，高速无线通信系统正不断朝着更高频率、更宽带宽、更高集成度以及更低 成本方向发展。太赫兹频段(300GHz-3THz)介于微波和红外线之间，处于宏观理论向微观量 子理论的过渡区，电子学和光子学的交叉区域，特殊的位置决定了其具有同其他波段不同 的特殊性质。太赫兹频段是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一 个波谱区间，在通信频带日益紧缺的今天，对太赫兹波通信技术的研究具有重要意义。
[0003] 太赫兹波的频带宽度是微波的1000倍，是很好的宽带信息载体，特别适合宽带无 线移动通信。太赫兹波在星际空间，由于频带宽，方向性好，散射小，高频数据流可以提供 10GB/S的无线传输速率，可以提高星间信息交换速度。此外，太赫兹波通信技术也能够广泛 应用于生活的各个方面，由于其自身所具有的独特性质以及在光谱中的位置，太赫兹波在 通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域 存在着广泛的应用前景。
[0004] 随着工艺特征尺寸的不断减小，深亚微米CMOS工艺及其MOSFET的特征频率已经达 到200GHz以上，使得利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路成为可能。在硅CMOS、 BiCMOS、双极工艺、GaAs MESFET、异质结双极晶体管(HBT)、GeSi器件等众多工艺中，虽然硅 CMOS的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小，并 且它具有与数字集成电路部分良好的兼容性，硅基CMOS工艺应用也最为广泛，因此CMOS射 频集成电路是近年来发展的趋势。随着射频识别技术的发展，世界各国的研究人员在CMOS 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量研究，使CMOS射频集成电路的性能不断提高。 随着硅基工艺的进步，硅基工艺已能支持实现太赫兹通信集成电路，但高达几百GHz的工作 频段使太赫兹通信集成电路的实现面临一系列挑战。
[0005] 传统的数字CMOS工艺技术之所以没有在超高频电路(频率超过100GHz)应用方面 被充分考虑，是因为CMOS振荡器电路受到器件的截止频率(f T)和最大振荡频率(fmax)的限 制。然而，工艺技术的发展使得器件尺寸不断缩小，器件的工作频率不断增加，使在CMOS工 艺下场效应晶体管截止频率能够接近甚至达到太赫兹的频率范围，令采用CMOS工艺实现在 太赫兹波频段下工作的电路成为可能。
[0006] 无线发射机作为无线收发机中的重要组成部分，发射机系统承担着将基带信号调 制到载波，并通过天线向外界发射信号的任务。信息源输出的数据需要经过发射机的调制 和上变频后，转换为适合在通信信道中传送的格式，经过天线辐射后，在通信信道中传播。 在发射机中，输入的信号是有用信号，但是随着载波频率的提高，维持较高的信号能量、保 证相对较小的衰减，则成为了发射机设计当中不可避免的挑战。
[0007] 采用CMOS工艺实现的太赫兹波电路已有研究，但是因为CMOS工艺器件在截止频率 附近工作性能较差，极大地限制了在该频段电路有源器件的工作性能。而又由于发射机系 统结构与振荡器等单元电路相比结构相对复杂，并且很多部分不可避免地使用有源器件作 为主要工作器件，由于工作频率过高导致的性能上的恶化极大地增加，因此在太赫兹波段 实现的发射机实现的结构方案还鲜有报道。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用标准的CMOS工艺实现，集成度高、成 本低、易于大规模生产的采用CMOS工艺实现的太赫兹发射机结构。
[0009] 本发明所采用的技术方案是:一种采用CMOS工艺实现的太赫兹发射机电路，包括 有用于将接收到的中频信号调制成射频信号的上变频单元，所述上变频单元的信号输入端 还连接本振单元，所述上变频单元的信号输出端连接用于将所接收的信号分为两路相同信 号的功率分离单元，所述功率分离单元的一路输出连接用于对接收的信号进行放大和倍频 的第一放大倍频单元，另一路输出连接由放大电路和倍频电路构成的用于对接收的信号进 行放大和倍频的第二放大倍频单元，所述第一放大倍频单元和第二放大倍频单元的输出端 共同连接用于将所接收到的两路信号合为一路信号提供给负载的功率合成单元的输入端， 所述功率合成单元的输出端构成太赫兹发射机电路的输出端连接阻抗负载。
[0010] 所述的本振单元包括有由NMOS管构成的第一 MOS管Ml~第六MOS管M6、第一电感Ll ~第六电感L6、第一可变电容CU第二可变电容C2以及第七MOS管M0,其中，第一可变电容Cl 的一端和第二可变电容C2的一端共同连接调节电压Vtune，所述第一可变电容Cl的另一端分 别连接第一电感Ll的一端以及第一 MOS管Ml的漏极，所述第二可变电容C2的另一端分别连 接第二电感L2的一端以及第二MOS管M2的漏极，所述第一电感Ll和第二电感L2的另一端共 同连接用于提供电流源的第七MOS管MO的漏极，所述第七MOS管MO的栅极连接偏置电压 Vbias，源极连接振荡器电压Vdd，所述第一 MOS管Ml和第二MOS管M2的源极均接地，第一 MOS管 Ml的栅极和第二MOS管M2的漏极共同连接第四MOS管M4的栅极，第二MOS管M2的栅极和第一 MOS管Ml的漏极共同连接第三MOS管M3的栅极，所述第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管 M5和第六MOS管M6的源极均接地，所述第三MOS管M3的漏极分别连接第三电感L3的一端以及 第五MOS管M5的栅极，所述第五MOS管M5的漏极构成第一输出端OUTl，第五MOS管M5的漏极还 连接第五电感L5的一端，所述第三电感L3和第五电感L5的另一端共同连接缓冲级电压 Vdd,buff，所述第四MOS管M4的漏极分别连接第四电感L4的一端以及第六MOS管M6的栅极，所 述第六MOS管M6的漏极构成第二输出端0UT2,第六MOS管M6的漏极还连接第六电感L6的一 端，所述第四电感L4和第六电感L6的另一端共同连接缓冲级电压Vdd, buff。
[0011] 所述的功率分离单元采用变压器结构的功率分离器Tl，所述功率分离器Tl的输入 端连接所述上变频单元的信号输出端PA_IN，所述功率分离器Tl的输出为输出相同信号的 两路，第一路具有两个输出端连接第一放大倍频单元的信号输入端，第二路具有两个输出 端连接第二放大倍频单元的信号输入端。
[0012] 所述的功率合成单元是采用变压器结构的电流功率合成器T3,电流功率合成器T3 有两路输入一路输出，其中一路输入具有两个输入端连接所述第一放大倍频单元的输出 端，另一路输出具有两个输入端连接所述第二放大倍频单元的输出端。
[0013] 所述的第一放大倍频单元和第二放大倍频单元结构相同，均包括有：由匪OS管构 成的第十一MOS管Mil~第十四MOS管M14、变压器T2和第一传输匹配网络TLl~第八传输匹 配网络TL8,所述第一传输匹配网络TLl和第三传输匹配网络TL3的一端分别对应连接构成 所述功率分离单元的功率分离器Tl的两路输出中的一路输出的两个端，所述第一传输匹配 网络TLl的另一端连接第十一 MOS管Mll的漏极，所述第三传输匹配网络TL3的另一端连接第 十二MOS管M12的漏极，所述第十一 MOS管Mll的源极连接第二传输匹配网络TL2的一端，第十 二MOS管M12的源极连接第四传输匹配网络TL4的一端，所述第二传输匹配网络TL2和第四传 输匹配网络TL4的另一端分别对应连接所述变压器T2的两个输入端，所述变压器T2的两个 输出端分别对应连接所述第五传输匹配网络TL5和第七传输匹配网络TL7的一端，所述第五 传输匹配网络TL5的另一端连接第十三MOS管M13的漏极，所述第七传输匹配网络TL7的另一 端连接第十四MOS管M14的漏极，所述第十三MOS管M13的源极连接第六传输匹配网络TL6的 一端，第十四MOS管M14的源极连接第八传输匹配网络TL8的一端，所述第六传输匹配网络 TL6的另一端和第八传输匹配网络TL8的另一端分别连接构成功率分离单元的电流功率合 成器T3的两路输入中的一路输入的两个输入端。
[0014] 本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹发射机电路，采用标准的CMOS工艺实 现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了 CMOS工艺截止频率附近工 作性能差的限制，实现对太赫兹波频段的发射机功能。本发明具有如下优点：
[0015] 1、本发明所提出的发射机工作在太赫兹频段，在通信频带日益紧缺的今天，该频 段是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，此外，太 赫兹频段具有特殊的特性，在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无