CN113394574B - 一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，交叉耦合电路与差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路产生的三次谐波差分信号由差分基片集成波导缝隙天线辐射，差分基片集成波导缝隙天线包括基于叉指结构构成的半开放式基片集成波导腔体。本发明将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路集成到一起，差分基片集成波导缝隙天线作为二者构成的振荡回路所需的电感、三次谐波辐射天线以及同时作为交叉耦合振荡电路的直流偏置，无需差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路之间的匹配电路，集成度高、成本低。

Description

一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法
技术领域
本发明涉及振荡器和天线技术领域，尤其涉及一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法。
背景技术
太赫兹波段（THz）在电磁波谱中位于微波毫米波和远红外之间，频率范围通常为0.1~10THz。与微波毫米波相比，其传输频带宽、分辨率高；与光波段相比，太赫兹光子能量低、能量效率高、穿透性好。因其在电磁频谱中所处的位置，使其具有独特的性能，太赫兹波在生物医学、安全检查、高速通信、无损检测等领域具有巨大的应用潜力。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和检测方法，形成了电磁波谱中的“太赫兹鸿沟”。由于高损耗以及低载流子速率，对于电子器件来说，太赫兹波段频率太高；由于缺乏足够小的带隙材料，对于光子器件来说，太赫兹波段频率太低。
当前太赫兹系统笨重且昂贵，甚至还需要低温条件且结构脆弱，导致太赫兹系统可靠性差、寿命短。因此，硅基平台尤其是低成本CMOS和SiGe技术随着成本和特征尺寸不断降低越来越具有吸引力。太赫兹系统完全集成于硅基平台，能显著降低成本，具有更低的功耗，可实现室温工作。同时，硅基太赫兹系统也可与其他片上系统集成实现更复杂的功能。
产生太赫兹信号是实现太赫兹系统的第一步，尽管随着硅基制造工艺的不断进步，但是硅基工艺产生的太赫兹信号输出功率极其有限，主要原因有：（1）即使硅基器件的特征尺寸不断减小，晶体管的最大振荡频率f max仅仅接近300GHz，其设定了振荡器可产生基波振荡的理论限制，当工作频率超过晶体管的f max时，由于晶体管不存在增益，基波振荡将不会发生。（2）在先进工艺节点，薄栅氧层导致低击穿电压，导致振荡器的输出摆幅低，严重限制了基波和谐波功率。（3）硅基工艺的无源结构通常品质因素低，导致极大的能量损耗，且限制了振荡器的工作频率。（4）信号电磁耦合进入低阻硅介质增加了额外的损耗。除了有限的输出功率，太赫兹信号的产生仍存在其他的挑战，例如有限的能量效率和调频带宽等。
随着频率上升到太赫兹波段，传统的封装技术（如金丝键合）将太赫兹电路与片外天线互连，将增加系统的损耗与不确定性，严重恶化系统性能。片上天线可以直接与硅基前端太赫兹电路相连，能够消除金丝键合等封装技术引入的巨大损耗和不确定性，降低封装难度。片上天线作为发射机最后一级，通常设计为50欧姆阻抗与前端电路相连，当振荡器与片上天线直接相连时，振荡器的最优负载通常偏离50欧姆，需要设计额外匹配电路，导致发射机的输出功率降低且增大了芯片面积。因此，如何解决振荡器与片上天线的功率传输以及阻抗匹配问题，获得高输出功率的太赫兹振荡器，成为太赫兹技术应用的关键问题。
发明内容
技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法，差分天线同侧馈电的特性使得基片集成波导缝隙天线能够与交叉耦合电路直接相连，结构紧凑，避免引入额外电感，实现振荡频率与天线辐射频率匹配，同时实现三次谐波最优负载，使得交叉耦合电路产生的三次谐波输出功率最大化传输到天线中。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种集成差分天线的太赫兹振荡器，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，其中交叉耦合电路与差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路产生的三次谐波差分信号通过差分基片集成波导缝隙天线辐射，所述差分基片集成波导缝隙天线包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构构成的半开放式基片集成波导腔体。
优选地，所述叉指结构包括顶层金属、底层金属、若干上叉指和若干下叉指，所述所有的上叉指与顶层金属相连，所有的下叉指与底层金属相连，上叉指和下叉指呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。
优选地，所述所有的上叉指与底层金属不接触，所有的下叉指与顶层金属不接触。
优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线还包括第一馈线、第二馈线和天线缝隙，所述天线缝隙为在顶层金属开设的通槽；所述第一馈线和第二馈线构成差分馈线，并位于半开放式基片集成波导腔体的同一侧，其一端连接顶层金属上，另一端延伸至半开放式基片集成波导腔体外，用于连接交叉耦合电路。
优选地，所述第一馈线和第二馈线的外周设有馈线缝隙。
优选地，所述天线缝隙只有一个，并设置在半开放式基片集成波导腔体的中心位置。
优选地，所述第一馈线和第二馈线对称分布于天线缝隙的两侧。
优选地，所述基片集成波导缝隙天线还包括虚地端，所述虚地端设置于顶层金属上，虚地端连接直流偏置VDD；底层金属接地。
优选地，所述交叉耦合电路包括第一场效应管、第二场效应管、第一电感和第二电感，所述第一场效应管和第二场效应管的源极接地，第一场效应管的漏极通过第一电感与第二场效应管的栅极连接，第二场效应管的漏极通过第二电感与第一场效应管的栅极连接，第一场效应管和第二场效应管的漏极输出三次谐波差分信号。
一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线，所述方法包括：通过控制交叉耦合电路在三次谐波等效的等效信号源阻抗与差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗共轭匹配，将交叉耦合电路和差分基片集成波导缝隙天线直接相连构成振荡回路，并集成至太赫兹振荡器中，实现场路融合。
优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过半开放式基片集成波导腔体的尺寸进行调控。
优选地，所述差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过第一馈线和第二馈线的长度及宽度进行调控。
优选地，所述第一馈线和第二馈线的外周设有馈线缝隙，差分基片集成波导缝隙天线等效的负载阻抗通过馈线缝隙的大小及位置进行调控。
有益效果：
1、本发明将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路集成到一起，差分基片集成波导缝隙天线作为二者构成的振荡回路所需的电感、三次谐波辐射天线以及同时作为交叉耦合电路的直流偏置，无需差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路之间的匹配电路；
2、差分天线辐射三次谐波突破了硅基CMOS工艺最大振荡频率对振荡器输出频率的限制，同时差分结构有利于改善振荡器的相位噪声；
3、叉指结构有利于分离电路直流偏置和直流地，同时构成半开放式基片集成波导腔体，半开放式结构不改变基片集成波导模式；
4、差分天线同侧馈电的特性使得差分基片集成波导缝隙天线能够与交叉耦合电路直接相连，结构紧凑，避免引入额外电感，实现振荡频率与天线辐射频率匹配，同时实现三次谐波最优负载，使得三次谐波输出功率最大化传输到差分天线中；
5、本发明采用标准CMOS工艺实现，具有集成度高、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明中太赫兹振荡器的结构原理图；
图2为本发明中太赫兹振荡器基波等效电路；
图3为本发明中太赫兹振荡器基波小信号简化电路；
图4为本发明中太赫兹振荡器三次谐波小信号简化电路；
图5为差分基片集成波导缝隙天线在基波段的等效电感和Q值；
图6为差分基片集成波导缝隙天线在三次谐波段的阻抗值；
图7为差分基片集成波导缝隙天线在140GHz处的辐射方向图；
图8为集成差分天线的太赫兹振荡器的仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一种集成差分天线的太赫兹振荡器及其场路融合方法做进一步的说明和解释。
在传统交叉耦合振荡器的基础上，将差分天线与交叉耦合振荡器集成为一体，实现差分天线与电路融合。
如附图1所示，一种集成差分天线的太赫兹振荡器，包括交叉耦合电路Ⅰ和差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ，其中交叉耦合电路Ⅰ与差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ直接相连构成振荡回路，差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ向交叉耦合电路Ⅰ提供所需的电感，以及提供交叉耦合电路Ⅰ所需的直流偏置，进而交叉耦合电路Ⅰ与差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ之间构成振荡回路。也就是说，本发明将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路Ⅰ产生的三次谐波差分信号通过差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ辐射，所述差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构3构成的半开放式基片集成波导腔体。半开放式的结构是为了解决封闭式结构中上下层金属连接在一起的问题，半开放式的结构使得上下层金属分开，又不影响天线的性能。
叉指结构3包括顶层金属31、底层金属32、若干上叉指33和若干下叉指34，所述所有的上叉指33与顶层金属31相连，所有的下叉指34与底层金属32相连，上叉指33和下叉指34呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。其中，所有的上叉指33与底层金属32不接触，所有的下叉指34与顶层金属31不接触。叉指结构3有利于分离电路直流偏置和直流地，同时构成半开放式基片集成波导腔体，半开放式结构不改变基片集成波导模式.
差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ还包括第一馈线1、第二馈线2和天线缝隙4，天线缝隙4为在顶层金属31开设的通槽，天线缝隙4只在顶层金属31开通槽，底层金属32为整个金属面；所述第一馈线1和第二馈线2位于半开放式基片集成波导腔体的同一侧，其一端连接顶层金属31上，另一端延伸至半开放式基片集成波导腔体外，用于连接交叉耦合电路Ⅰ。此外，第一馈线1和第二馈线2的外周设有馈线缝隙11。
在一些实施例中，天线缝隙4只有一个，并设置在半开放式基片集成波导腔体的中心位置。
为实现差分天线的功能，第一馈线1和第二馈线2构成为差分馈线，并对称分布于天线缝隙4的两侧。现有的三次谐波很容易超过晶体管的最大振荡频率f max，而基波在超过f max时不能产生振荡，而采用差分天线辐射三次谐波突破了振荡器输出频率的限制。差分天线辐射三次谐波突破了硅基CMOS工艺最大振荡频率对振荡器输出频率的限制，同时差分结构有利于改善振荡器的相位噪声。
另外，差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ还包括虚地端5，所述虚地端5设置于顶层金属31上，虚地端5连接直流偏置VDD；底层金属32接地。
第一馈线1和第二馈线2只与顶层金属31连接，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2的漏极需要直流偏置VDD，通过第一馈线1、第二馈线2和顶层金属31的虚地端5连接，虚地端5提供直流偏置VDD，而底层金属32要连接至直流地GND，正因为叉指结构分离顶层金属31和底层金属32，才不会导致直流偏置VDD与直流地GND短路。
交叉耦合电路Ⅰ包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第一电感L1和第二电感L2，所述第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的源极接地，第一场效应管Q1的漏极通过第一电感L1与第二场效应管Q2的栅极连接，第二场效应管Q2的漏极通过第二电感L2与第一场效应管Q1的栅极连接，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的漏极输出三次谐波差分信号。第一馈线1和第二馈线2分别连接至第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的漏极。
第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第一电感L1和第二电感L2的交叉耦合连接，增强了交叉耦合振荡器的等效负导。在太赫兹波段，通常利用晶体管的寄生电容作为振荡器所需电容，振荡器所需电感由差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ提供，即在电路结构中差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ在基波等效为电感。
差分基片集成波导缝隙天线Ⅱ具有三重作用：提供交叉耦合电路所需的电感，辐射三次谐波的天线，以及提供交叉耦合电路所需的直流偏置。也就是说，本发明将差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路直接相连构成振荡回路，进而集成到一起，差分基片集成波导缝隙天线作为二者构成的振荡回路所需的电感、三次谐波辐射天线以及同时作为交叉耦合电路的直流偏置，无需差分基片集成波导缝隙天线与交叉耦合电路之间的匹配电路。交叉耦合电路的直流偏置是指该电路中场效应管所需的偏置电压。
差分天线同侧馈电的特性使得基片集成波导缝隙天线能够与交叉耦合电路直接相连，结构紧凑，避免引入额外电感，实现振荡频率与天线辐射频率匹配，同时实现三次谐波最优负载，使得三次谐波输出功率最大化传输到差分天线中。本发明采用标准CMOS工艺实现，具有集成度高、成本低的优点。
一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路（Ⅰ）和差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ），方法包括：通过控制交叉耦合电路Ⅰ在三次谐波等效的等效信号源阻抗与基片集成波导缝隙天线Ⅱ等效的负载阻抗共轭匹配，将交叉耦合电路Ⅰ和基片集成波导缝隙天线Ⅱ直接相连构成振荡回路，并集成至太赫兹振荡器中，实现场路融合，场路融合即电磁场与电路融合，并通过仿真设计和验证，差分天线基于电磁场设计，振荡器基于电路设计，本发明中的一种集成差分天线的太赫兹振荡器中既包含电磁场仿真也包含电路仿真，即同时通过电磁场设计和电路设计集成太赫兹振荡器。共轭匹配能提高交叉耦合电路Ⅰ的输出功率，并且使得交叉耦合电路Ⅰ和基片集成波导缝隙天线Ⅱ直接相连，无需阻抗匹配网络。
本发明中的场路融合方法不限于该特定设计，可拓展至其它无源器件与有源电路的相关领域。
以下给出场路融合的原理：
太赫兹振荡器在基波的等效电路如图2所示，差分基片集成波导缝隙天线在基波等效为差分第一电感L3和差分第二电感L4，其中，差分第一电感L3和差分第二电感L4的数值大小与半开放式基片集成波导腔体的尺寸、第一馈线1和第二馈线2的长度及宽度、馈线缝隙11的大小及位置均有关系，可通过仿真计算出具体的数值大小。等效电路构成了交叉耦合振荡器，其小信号等效电路简化模型如图3所示，交叉耦合电路等效为负导G m与寄生电容C eq并联，交叉耦合电路中晶体管尺寸决定了负导和寄生电容，负导越大输出功率越高，寄生电容与等效电感决定了振荡频率。
差分基片集成波导缝隙天线等效为电感L T和电导G T并联，交叉耦合振荡器起振需要满足G m>G T，为保证获得较高的输出功率，负导应尽可能大，电感的电导应尽可能小，即需要高Q值电感，第一电感L1和第二电感L2能增强交叉耦合电路的负导，基波频率由振荡回路中的寄生电容C eq和等效电感L T确定，选择合适的晶体管尺寸以及差分基片集成波导缝隙天线的基波等效电感的值，晶体管的漏极产生差分基波信号，同时由于晶体管的非线性性晶体管的漏极输出也存在谐波信号。
所述集成差分天线的太赫兹振荡器在三次谐波的小信号简化电路如图4所示，交叉耦合振荡器在三次谐波等效为一个三次谐波信号电流源I 3f 和等效信号源阻抗Z S，差分基片集成波导缝隙天线等效为负载阻抗Z Load，当负载阻抗与源阻抗共轭匹配时，即Z Load=Z S*，三次谐波信号输入到差分基片集成波导缝隙天线的能量最大，实现最优功率匹配。等效信号源阻抗为交叉耦合电路在三次谐波呈现的阻抗，由第一场效应管、第二场效应管、第一电感和第二电感决定，但这些参数在基频振荡回路时已经确定，共轭匹配时只能设计相应的负载阻抗Z Load获得最大的输出功率，基片集成波导缝隙天线Ⅱ等效的负载阻抗Z Load通过半开放式基片集成波导腔体的尺寸、第一馈线1和第二馈线2的长度及宽度、馈线缝隙11的大小及位置进行调控，调控负载阻抗即根据交叉耦合电路的三次谐波源阻抗，优化差分基片集成波导缝隙天线的结构参数，使得天线的等效负载阻抗与源阻抗能达到共轭匹配，这里的结构参数包括半开放式基片集成波导腔体的尺寸、第一馈线1和第二馈线2的长度及宽度、馈线缝隙11的大小及位置。
实施例：
本实施例中，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2均采用NMOS管，基于0.18μm CMOS工艺，最大振荡频率约为70GHz，本发明对上述电路结构进行了仿真优化，选择第一场效应管、第二场效应管的尺寸，固定交叉耦合电路等效的负导G m与寄生电容C eq。
图5给出了差分基片集成波导缝隙天线在基波段的等效电感和Q值，在47GHz处，差分基片集成波导缝隙天线呈现一个Q值为12.5、电感量为30.7pH的差分电感。图6给出了差分基片集成波导缝隙天线在三次谐波段的阻抗值，在140GHz处，差分基片集成波导缝隙天线呈现一个阻抗值为24-j11的负载。图7给出了差分基片集成波导缝隙天线在140GHz处的辐射方向图，表明差分基片集成波导缝隙天线在140GHz处具有-3.5dBi增益。图8给出了集成差分天线的太赫兹振荡器的仿真结果，表明集成差分天线的太赫兹振荡器能产生140GHz信号，输出功率为-18dBm，发射机的等效全向辐射功率EIRP为-21.5dBm。
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。

Claims (12)

1.一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路（Ⅰ）和差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ），其中交叉耦合电路（Ⅰ）与差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）直接相连构成振荡回路，交叉耦合电路（Ⅰ）产生的三次谐波差分信号通过差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）辐射，所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构（3）构成的半开放式基片集成波导腔体；
所述叉指结构（3）包括顶层金属（31）、底层金属（32）、若干上叉指（33）和若干下叉指（34），所述若干上叉指（33）与顶层金属（31）相连，所有的下叉指（34）与底层金属（32）相连，上叉指（33）和下叉指（34）呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。
2.根据权利要求1所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述若干上叉指（33）与底层金属（32）不接触，所有的下叉指（34）与顶层金属（31）不接触。
3.根据权利要求1所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）还包括第一馈线（1）、第二馈线（2）和天线缝隙（4），所述天线缝隙（4）为在顶层金属（31）开设的通槽；所述第一馈线（1）和第二馈线（2）构成差分馈线，并位于半开放式基片集成波导腔体的同一侧，其一端连接顶层金属（31）上，另一端延伸至半开放式基片集成波导腔体外，用于连接交叉耦合电路（Ⅰ）。
4.根据权利要求3所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述第一馈线（1）和第二馈线（2）的外周设有馈线缝隙（11）。
5.根据权利要求3所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述天线缝隙（4）只有一个，并设置在半开放式基片集成波导腔体的中心位置。
6.根据权利要求5所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述第一馈线（1）和第二馈线（2）对称分布于天线缝隙（4）的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）还包括虚地端（5），所述虚地端（5）设置于顶层金属（31）上，虚地端（5）连接直流偏置VDD；底层金属（32）接地。
8.根据权利要求1所述的一种集成差分天线的太赫兹振荡器，其特征在于：所述交叉耦合电路（Ⅰ）包括第一场效应管（Q1）、第二场效应管（Q2）、第一电感（L1）和第二电感（L2），所述第一场效应管（Q1）和第二场效应管（Q2）的源极接地，第一场效应管（Q1）的漏极通过第一电感（L1）与第二场效应管（Q2）的栅极连接，第二场效应管（Q2）的漏极通过第二电感（L2）与第一场效应管（Q1）的栅极连接，第一场效应管（Q1）和第二场效应管（Q2）的漏极输出三次谐波差分信号。
9.一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，所述太赫兹振荡器包括交叉耦合电路（Ⅰ）和差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ），其特征在于，所述方法包括：通过控制交叉耦合电路（Ⅰ）在三次谐波等效的等效信号源阻抗与差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）等效的负载阻抗共轭匹配，将交叉耦合电路（Ⅰ）和差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）直接相连构成振荡回路，并集成至太赫兹振荡器中，实现场路融合；
所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）包括基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体为基于叉指结构（3）构成的半开放式基片集成波导腔体；
所述叉指结构（3）包括顶层金属（31）、底层金属（32）、若干上叉指（33）和若干下叉指（34），所述若干上叉指（33）与顶层金属（31）相连，所有的下叉指（34）与底层金属（32）相连，上叉指（33）和下叉指（34）呈梳状交叉，并构成半开放式基片集成波导腔体。
10.根据权利要求9所述的一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，其特征在于：所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）等效的负载阻抗通过半开放式基片集成波导腔体的尺寸进行调控。
11.根据权利要求10所述的一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，其特征在于：所述半开放式基片集成波导腔体的同一侧设有第一馈线（1）和第二馈线（2），所述差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）等效的负载阻抗通过第一馈线（1）和第二馈线（2）的长度及宽度进行调控。
12.根据权利要求11所述的一种用于集成差分天线的太赫兹振荡器的场路融合方法，其特征在于：所述第一馈线（1）和第二馈线（2）的外周设有馈线缝隙（11），差分基片集成波导缝隙天线（Ⅱ）等效的负载阻抗通过馈线缝隙（11）的大小及位置进行调控。
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