Ontwerp van THz radiators in nanometer CMOS

In het frequentiespectrum bevindt het THz bereik zich tussen het millimetergolf en het verre infraroodspectrum. Er zijn tal van mogelijke toepassingen in het THz bereik, zoals medische en beveiligingsbeeldvorming, spectroscopie en communicatie. Bij deze toepassingen zijn THz signaalbronnen nodig om het uitgangssignaal van een zender te leveren of het LO signaal in een heterodyne transceiver te genereren. CMOS technologieën hebben het voordeel van lage kost bij volume productie en volledige integratie met digitale circuits, waardoor intensieve onderzoeksinteresse wordt gewekt in het ontwerpen van THz circuits in CMOS technologieën.

Het uitgangsvermogen van signaalbronnen moet hoog genoeg zijn om aan de eisen van het systeem te voldoen. Naast een hoog uitgangsvermogen is de mogelijkheid van een signaalbron om de bundel te sturen ook essentieel, omdat het de omvangrijke en langzame mechanische bundelsturing kan vervangen. Dit werk is gericht op het verhogen van het uitgangsvermogen van CMOS THz radiatoren en het verkennen van bundelsturing van THz radiatorrijen.

In dit werk worden de modellering van de onderlinge verbindingen van actieve componenten, het ontwerp van passieve componenten en het ontwerp van on-chip antennes in detail geïntroduceerd. Het concept van vermogencombinatie in de vrije ruimte en fasegestuurde antenne worden geïntroduceerd. Topologieën voor THz signaalopwekking en fasecontrole worden onderzocht.

Er wordt een nieuwe modelleringsmethode gebaseerd op EM-simulatie voorgesteld om een lumped model te ontwikkelen dat de parasitaire transistorverbindingen voorstelt. Deze methode kan parasitaire capaciteit, inductantie en weerstand extraheren, waardoor het geschikt is voor circuitontwerp op zeer hoge frequenties. De nauwkeurigheid van het ontwikkelde model wordt geverifieerd door de meting van een stralingsbron op 0,53 THz.

Een stralingsbron van 525 tot 556 GHz met een diëlektrische lensantenne is ontworpen en vervaardigd in 28 nm CMOS. De diëlektrische lens is ontworpen, gefabriceerd en bovenop de chip gemonteerd om de antenneprestaties op de chip te verbeteren.

Een 510-tot-545-GHz stralingsbron met een nieuwe SIW harmonisch vermogen extractor is ontworpen en vervaardigd in 40 nm CMOS. De SIW-extractor voor harmonisch vermogen is samen met de tripler ontworpen. De SIW extractor voor harmonisch vermogen verbetert de opwekking van harmonisch vermogen, zorgt voor de extractie van harmonisch vermogen en onderdrukt ongewenste lek van harmonischen. Het is de eerste keer dat een on-chip SIW samen met actieve circuits is ontworpen. Deze chip bereikt het grootste frequentie-afstemmings bereik van de silicium signaalgeneratoren boven 0,5 THz.

Een subharmonische, injectievergrendelde fasegestuurde antenne van 0,53 THz op basis van een injectievergrendelde oscillatorketen is ontworpen en vervaardigd in 40 nm CMOS. Dankzij deze architectuur wordt de fasefout in de fasegestuurde antenne gecompenseerd zonder vermogensvariatie te introduceren. Deze techniek maakt nauwkeurige bundelsturing mogelijk met een scanbereik van 60° op
0,53 THz. Om het uitgangsvermogen en de DC-naar-THz-efficiëntie van de fasegestuurde antenne met 0,53 THz te verhogen, wordt een nieuwe 6-traps triple-push oscillator voorgesteld om het uitgangssignaal te genereren. In vergelijking met een conventionele triple-push oscillator, verminderen de beperkingen door de layout, verbetert de signaalbalans en verbetert het uitgangsvermogen met ten minste 3 dB. Dit werk is de eerste fasegestuurde antenne in silicium boven 0,45 THz.

Een bundelstuurbare coherente stralerrij van 0,59 THz is ontworpen en vervaardigd in 40 nm CMOS. Om het uitgangsvermogen te vergroten, is een grootschalige rij van coherente radiatoren nodig. In dit werk wordt een compacte koppelingsstructuur voorgesteld om een schaalbare rij van coherente radiatoren te bouwen met bundelsturing. Dit werk bereikt het hoogste uitgestraalde vermogen van alle gerapporteerde silicium signaalbronnen boven 0,35 THz.