太赫茲InPHBT非線性模型及單片放大器研究.pdf

1、近年太赫茲波在高速通信、安檢、醫(yī)療成像、射電天文、國防等方面取得長足進(jìn)展，大大刺激了各類高性能太赫茲器件的需求。在各類太赫茲系統(tǒng)中，放大器的輸出功率、噪聲系數(shù)和線性度決定了系統(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：性能優(yōu)異的器件；準(zhǔn)確的太赫茲線性及非線性器件模型；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、高線性度等

2、特性優(yōu)勢，是最適合太赫茲單片應(yīng)用的材料，已成為近年來國內(nèi)外太赫茲固態(tài)器件和電路研究的熱點(diǎn)。開展太赫茲InP HBT非線性模型及放大器設(shè)計(jì)研究對太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用有著非常重要的意義。在國家863計(jì)劃支持下，本文依托國產(chǎn)InP HBT工藝線，針對上述要點(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試、太赫茲InP HBT非線性模型的建模技術(shù)及太赫茲單片（TMIC）設(shè)計(jì)技術(shù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對太赫茲測試

3、中如何準(zhǔn)確獲得待測件（DUT）本征參數(shù)的問題，研究了片外校準(zhǔn)+去嵌與在片校準(zhǔn)兩種測試模式。首先對比研究了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)了太赫茲頻段測試結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)的移除。研究了片上薄膜微帶線的性質(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

4、特定特性阻抗及相移的傳輸線，實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻段的TRL片上校準(zhǔn)。最后測試了InP晶元上的HBT，MIM電容等有源無源結(jié)構(gòu)，對比了 Open-Short，Open pad-Open-Through和 TRL三種方法的測試效果，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)。⑵針對電容Line-Capacitor-Line（LCL）模型傳統(tǒng)提參方法必須在微帶線環(huán)境中才有效的局限，提出一種通用的模型

5、參數(shù)提取方法。該方法基于測試數(shù)據(jù)，通過對模型Z矩陣和Y矩陣的推導(dǎo)得出模型參數(shù)的解析解，不受電容傳輸線形式及結(jié)構(gòu)限制，具有高度的普適性。提取參數(shù)在0-66 GHz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°以內(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

6、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)提供了高精度的無源模型庫和完善了設(shè)計(jì)方法。⑶針對InP HBT的B-C結(jié)的異質(zhì)結(jié)勢壘結(jié)構(gòu)帶來的色散效應(yīng)，提出了一個射頻電流模型，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)。

7、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)上與測試數(shù)據(jù)達(dá)到了良好的擬合結(jié)果。⑷太赫茲放大器研制。針對140 GHz，220 GHz等大氣窗口頻段開展放大器設(shè)計(jì)研究。結(jié)合之前建立的HBT非線性模型和電容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)盲目優(yōu)化的問題?；谶@種方法，首先設(shè)計(jì)了一款超寬帶中功率放大器，測試結(jié)果顯示

8、芯片3dB帶寬為49.1 to146.4 GHz，覆蓋了E波段， W波段和F波段。平均小信號增益11.2 dB，140GHz上飽和輸出功率13.7dBm。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，級聯(lián)六級晶體管在220 GHz上得到了13dB的小信號增益。放大器在片測試輸出功率為2.82 dBm。最后研究了倒置微帶線結(jié)構(gòu)的放大器，研制了一款八級倒置微帶放大器，在140～190 GHz上有超過15 dB的平坦增益