CN113839619A - 一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其中通过设置压控振荡器阵列中的输出信号通过片上合路器，将多路压控振荡器输出的功率进行合成，同时提高有源电路，包括压控振荡器阵列以及倍频器电路的输出功率，以提高太赫兹源输出功率；通过提高压控振荡器中的电感的品质因子，以及减小片上合路器的损耗来提高太赫兹源的效率；通过在倍频器电路中设置带阻网络接地，减小频率信号泄露到地，保证信号尽可能从输出端输出，提高功率和效率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹设备领域，特别是涉及一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构。
背景技术
太赫兹(TeraHertz,THz)波是指频率在0.3-10THz范围内的电磁波，是介于微波与远红外光之间的电磁频谱的一个频谱窗口，基于该频段的硅基片上集成电路是当前的研究热点。其中太赫兹波具有宽带性、瞬态性、相干性和穿透性等特点，因此被广泛应用于通信、医学成像、雷达、遥感探测等领域。
目前的硅基无源器件在太赫兹频段具有较大损耗；而有源器件在太赫兹频段的本征增益较低，会导致硅基片上太赫兹源的输出功率小、DC-RF转换效率低。因此，在当前的硅基片上太赫兹源的研发过程中，解决其输出功率小、DC-RF转换效率低的问题是极其重要的。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，包括驱动放大器、片上功分器、压控振荡器阵列、倍频器、片上合路器；其中倍频链路通过切换开关与片上功分器连接；切换开关还与压控振荡器连接，切换开关能够在压控振荡器和倍频链路之间实现切换；片上功分器与压控振荡器阵列连接；压控制振荡器阵列包括至少两个压控振荡器，压控振荡器阵列中的压控振荡器相互并联设置；压控振荡器阵列中的每个压控振荡器均通过倍频器与片上合路器连接。
进一步的，所述切换开关能够在倍频链路以及压控振荡器之间切换；当切换开关与倍频链路连接时，倍频链路能够输出稳定频率的信号；其中倍频链路与外部的低频锁相环电路或频率综合器电路通过IN口连接，低频锁相环电路或频率综合器电路注入的信号经过倍频链路，并由倍频链路输出；当切换开关与压控振荡器连接时，由压控振荡器输出频率信号以稳定振荡器阵列信号。
进一步的，所述倍频链路包括倍频器和驱动放大器，其中驱动放大器的输入端和输出端均设置有倍频器。
进一步的，所述压控振荡器阵列包括四个压控振荡器，四个压控振荡器相互并联；相对的，功分器采用四路功分器。
进一步的，所述压控振荡器包括晶体管、可变电容、电感以及开关电容阵列；晶体管共四个，均采用mos管；其中pmos管M3以及pmos管M4的源极均与Vdd电压连接；pmos管M3的漏极与pmos管M4的栅极连接，pmos管M4的漏极与pmos管M3的栅极连接；pmos管M3的漏极还与nmos管M1的漏极连接，pmos管M4的漏极还与nmos管M2的漏极连接；电感的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；开关电容阵列的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；可变电容Cvar1的一端与pmos管M3的漏极连接，另一端与可变电容Cvar2连接，可变电容Cvar2的另一端与pmos管M4的漏极连接；在可变电容Cvar1和可变电容Cvar2之间输入电压Vtune，电压Vtune为调谐电压，用于实现压控振荡器的频率调谐；nmos管M1以及nmos管M2的源极均接地；nmos管M1的漏极与nmos管M2的栅极连接，nmos管M2的漏极与nmos管M1的栅极连接；其中将pmos管M3的漏极与pmos管M4的漏极分别作为正极输出Vout_Q+以及负极输出Vout_Q-。
进一步的，所述电感为高品质因子电感，高品质因子电感包括电感线圈、谐振环以及衬底，其中谐振环以及电感线圈均设置于衬底上；谐振环设置于电感线圈内侧；谐振环上设置有开口。
进一步的，所述电感线圈呈正八边形结构，在电感线圈的一侧设置有开口；电感线圈的内侧设置有谐振环；谐振环共两个，两个谐振环呈内外层设置，其中一个谐振环位于另一个谐振环和电感线圈之间；两个谐振环也呈正八边形结构；谐振环上设置有开口。
进一步的，所述电感线圈和谐振环均采用硅基工艺中的顶层厚金属；衬底采用硅基工艺中的最底层金属构成环状PGS结构。
进一步的，所述谐振环的开口方向电感线圈的开口方向一致或相反；其中位于最内侧的谐振环的开口方向电感线圈的开口方向一致，夹于中间的谐振环的开口方向与电感线圈的开口方向相反。
进一步的，所述片上合路器包括半模基片集成波导和平面耦合器，其中半模基片集成波导的输入端和输出端均设置有平面耦合器。
本发明的有益效果为：
通过设置压控振荡器阵列中的输出信号通过片上合路器，将多路压控振荡器输出的功率进行合成，同时提高有源电路，包括压控振荡器阵列以及倍频器电路的输出功率，以提高太赫兹源输出功率；
通过提高压控振荡器中的电感的品质因子，以及减小片上合路器的损耗来提高太赫兹源的效率；
通过在电感线圈和谐振环上设置开口，使得电感线圈与谐振环形成强感应耦合，谐振环在电感的谐振频率附近形成阻带，阻止电感产生感生信号，提高电感的品质因子；
通过设置衬底为环状结构，减小衬底和电感线圈之间的噪声耦合，进一步提高电感的品质；
通过在倍频器电路中设置晶体管M5和M6形成对称的push-push结构，实现信号在倍频器的输出端进行偶次谐波叠加，而基波和奇次谐波则相互抵消，使得输出信号具备良好的线性度；
通过倍频器电路中设置带阻网络接地，减小频率信号泄露到地，保证信号尽可能从输出端输出，提高功效。
附图说明
图1为本发明实施例一的电路原理图；
图2为本发明实施例一的压控振荡器原理图；
图3为本发明实施例一的基于开口谐振环的高品质因子电感的结构示意图；
图4为本发明实施例一的高品质因子电感的衬底；
图5为本发明实施例一的倍频器电路示意图；
图6为本发明实施例一的片上合路器示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一：
如图1所示，一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，包括驱动放大器、片上功分器、压控振荡器阵列、倍频器、片上合路器。其中倍频链路通过切换开关与片上功分器连接；切换开关还与压控振荡器连接，切换开关能够在压控振荡器和倍频链路之间实现切换；片上功分器与压控振荡器阵列连接；压控制振荡器阵列包括至少两个压控振荡器，压控振荡器阵列中的压控振荡器相互并联设置；压控振荡器阵列中的每个压控振荡器均通过倍频器与片上合路器连接。
所述切换开关能够在倍频链路以及压控振荡器之间切换。当切换开关与倍频链路连接时，倍频链路能够输出稳定频率的信号；其中倍频链路能够与外部的低频锁相环电或频率综合器电路通过IN口连接，低频锁相环电或频率综合器电路注入的信号经过倍频链路，并由倍频链路输出。在本例中倍频链路能够实现信号的四倍频操作，若设定输入驱动放大器的信号频率为f，则输出的信号频率为4*f。倍频链路包括倍频器和驱动放大器，其中驱动放大器的输入端和输出端均设置有倍频器，实现驱动放大器电路的四倍频结构。当切换开关与压控振荡器连接时，由压控振荡器输出工作频率为4*f的信号。
所述功分器采用现有的四路功分器，在本例中功分器用于将一路输入信号转换为四路相等的输出信号，并传输给压控振荡器阵列。
如图2所示，所述压控振荡器阵列包括压控振荡器，在本例中为四个并联设置的压控振荡器。压控振荡器VCO包括晶体管、可变电容、电感以及开关电容阵列。在本例中，晶体管共四个，并且均采用mos管，分别为mos管M1-M4，其中mos管M1-M4共同构成对称的负阻单元。在mos管M1-M4中，mos管M3和M4交叉连接，mos管M1和M2交叉连接。具体的，pmos管M3以及pmos管M4的源极均与Vdd电压连接；pmos管M3的漏极与pmos管M4的栅极连接，pmos管M4的漏极与pmos管M3的栅极连接；pmos管M3的漏极还与nmos管M1的漏极连接，pmos管M4的漏极还与nmos管M2的漏极连接；电感的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；开关电容阵列的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；可变电容Cvar1的一端与pmos管M3的漏极连接，另一端与可变电容Cvar2连接，可变电容Cvar2的另一端与pmos管M4的漏极连接；在可变电容Cvar1和可变电容Cvar2之间输入电压Vtune，电压Vtune为调谐电压，用于实现压控振荡器的频率调谐；nmos管M1以及nmos管M2的源极均接地；nmos管M1的漏极与nmos管M2的栅极连接，nmos管M2的漏极与nmos管M1的栅极连接；其中将pmos管M3的漏极与pmos管M4的漏极分别作为正极输出Vout_Q+以及负极输出Vout_Q-。其中因为考虑到毫米波频段有源晶体管本征增益降低，无源器件损耗增加，因此设置晶体管M1-M4共同构成对称的负阻单元，维持电路振荡的同时减少电路的功耗。另一方面，由于太赫兹频段的可变电容的品质因子亦随着频率的升高而降低，所以在压控振荡器的电路中采用小变化量值的变容管Cvar1、Cvar2和开关电容阵列相结合的方式拓展VCO的调谐范围，同时提高压控振荡器的输出功率。
如图3、4所示，所述电感为高品质因子电感，高品质因子电感包括电感线圈、谐振环以及衬底，其中谐振环以及电感线圈均设置于衬底上；谐振环设置于电感线圈内侧。电感线圈呈正八边形结构，在电感线圈的一侧设置有开口；电感线圈的内侧设置有谐振环，在本例中谐振环共两个，两个谐振环呈内外层设置，其中一个谐振环位于另一个谐振环和电感线圈之间；两个谐振环也呈正八边形结构；谐振环上设置有开口，在本例中位于最内侧的谐振环的开口方向电感线圈的开口方向一致，夹于中间的谐振环的开口方向与电感线圈的开口方向相反。电感线圈和谐振环均采用硅基工艺中的顶层厚金属。衬底采用硅基工艺中的最底层金属构成环状PGS结构。通过在电感线圈和谐振环上设置开口，使得电感线圈与谐振环形成强感应耦合，谐振环在电感的谐振频率附近形成阻带，阻止电感产生感生信号，提高电感的品质因子；另一方面通过衬底的环状结构，减小衬底和电感线圈之间的噪声耦合，进一步提高电感的品质。需要说明的是，该高品质因子电感还能够运用于本实施例的其他电路模块中。
如图5所示，所述倍频器包括晶体管、电感以及电容，其中晶体管采用mos管。nmos管M5的栅极作为输入端Vin-，M5的漏极作为输出端，M5的源极分别通过电感和电容接地，电感和电容相互并联，其中接地的电感和电容组成带阻网络；M5的源极还与nmos管M6的源极连接；nmos管M6的栅极作为输入端Vin+，M6的漏极与M5的漏极连接，作为输出端。通过设置晶体管M5和M6形成对称的push-push结构，实现信号在倍频器的输出端进行偶次谐波叠加，而基波和奇次谐波则相互抵消，使得输出信号具备良好的线性度；通过在晶体管M5和M6的的源极设置带阻网络接地，减小频率信号泄露到地，保证信号尽可能从输出端输出，提高功效。需要说明的是，在驱动放大器电路中的倍频器也采用上述的结构。
如图6所示，所述片上合路器包括半模基片集成波导和平面耦合器，其中半模基片集成波导的输入端和输出端均设置有平面耦合器，通过输入端的平面耦合器与倍频器连接，并通过输出端平面耦合器实现输出。通过设置平面耦合器，实现了微带与波导信号的互相转换。半模基片集成波导包括三个二路集成结构，先将压控振荡器阵列输出的四路频率信号通过两个二路集成结构，集成为两路的信号，在通过一个二路集成结构，将这两个集成后的信号进行叠加，最终实现四路频率信号的叠加。通过设置半模基片集成波导实现合路，相比传统的合路器，结构更为紧凑，降低插入损耗，提高合路器的信号传输效率，进而提高太赫兹源输出功率，通过“2进1出”的二路集成结构实现信号的高传输效率传输，并实现四路信号的叠加。
在实施的过程中，通过将工作频率为4*f的信号经由片上功分器注入到压控振荡器阵列，实现太赫兹源的信号同相技术，其中工作频率为4*f的信号可通过与切换开关连接的压控振荡器或驱动放大器产生；压控振荡器阵列中的输出信号通过片上合路器，将四路压控振荡器输出的功率进行合成，同时提高有源电路，包括压控振荡器阵列以及倍频器电路的输出功率，以提高太赫兹源输出功率；通过提高压控振荡器中的电感的品质因子，以及减小片上合路器的损耗来提高太赫兹源的效率；通过在电感线圈和谐振环上设置开口，使得电感线圈与谐振环形成强感应耦合，谐振环在电感的谐振频率附近形成阻带，阻止电感产生感生信号，提高电感的品质因子；另一方面通过衬底的环状结构，减小衬底和电感线圈之间的噪声耦合，进一步提高电感的品质；通过在倍频器电路中设置晶体管M5和M6形成对称的push-push结构，实现信号在倍频器的输出端进行偶次谐波叠加，而基波和奇次谐波则相互抵消，使得输出信号具备良好的线性度；通过倍频器电路中设置带阻网络接地，减小频率信号泄露到地，保证信号尽可能从输出端输出，提高功效。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，包括驱动放大器、片上功分器、压控振荡器阵列、倍频器、片上合路器；其中倍频链路通过切换开关与片上功分器连接；切换开关还与压控振荡器连接，切换开关能够在压控振荡器和倍频链路之间实现切换；片上功分器与压控振荡器阵列连接；压控制振荡器阵列包括至少两个压控振荡器，压控振荡器阵列中的压控振荡器相互并联设置；压控振荡器阵列中的每个压控振荡器均通过倍频器与片上合路器连接。
2.根据权利要求1所述的一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述切换开关能够在倍频链路以及压控振荡器之间切换；当切换开关与倍频链路连接时，驱动放大器能够输出稳定频率的信号；其中驱动放大器与外部的低频锁相环电或频率综合器电路通过IN口连接，低频锁相环电或频率综合器电路注入的信号经过倍频链路，并由倍频链路输出；当切换开关与压控振荡器连接时，由压控振荡器输出频率信号以稳定振荡器阵列信号。
3.根据权利要求2所述的一种高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述倍频链路包括倍频器和驱动放大器，其中驱动放大器，的输入端和输出端均设置有倍频器。
4.根据权利要求1所述的一种高高功率、高效率的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述压控振荡器阵列包括四个压控振荡器，四个压控振荡器相互并联；相对的，功分器采用四路功分器。
5.根据权利要求4所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述压控振荡器包括晶体管、可变电容、电感以及开关电容阵列；晶体管共四个，均采用mos管；其中pmos管M3以及pmos管M4的源极均与Vdd电压连接；pmos管M3的漏极与pmos管M4的栅极连接，pmos管M4的漏极与pmos管M3的栅极连接；pmos管M3的漏极还与nmos管M1的漏极连接，pmos管M4的漏极还与nmos管M2的漏极连接；电感的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；开关电容阵列的两端分别与pmos管M3的漏极以及pmos管M4的漏极连接；可变电容Cvar1的一端与pmos管M3的漏极连接，另一端与可变电容Cvar2连接，可变电容Cvar2的另一端与pmos管M4的漏极连接；在可变电容Cvar1和可变电容Cvar2之间输入电压Vtune，电压Vtune为调谐电压，用于实现压控振荡器的频率调谐；nmos管M1以及nmos管M2的源极均接地；nmos管M1的漏极与nmos管M2的栅极连接，nmos管M2的漏极与nmos管M1的栅极连接；其中将pmos管M3的漏极与pmos管M4的漏极分别作为正极输出Vout_Q+以及负极输出Vout_Q-。
6.根据权利要求5所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述电感为高品质因子电感，高品质因子电感包括电感线圈、谐振环以及衬底，其中谐振环以及电感线圈均设置于衬底上；谐振环设置于电感线圈内侧；谐振环上设置有开口。
7.根据权利要求6所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述电感线圈呈正八边形结构，在电感线圈的一侧设置有开口；电感线圈的内侧设置有谐振环；谐振环共两个，两个谐振环呈内外层设置，其中一个谐振环位于另一个谐振环和电感线圈之间；两个谐振环也呈正八边形结构；谐振环上设置有开口。
8.根据权利要求6所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述电感线圈和谐振环均采用硅基工艺中的顶层厚金属；衬底采用硅基工艺中的最底层金属构成环状PGS结构。
9.根据权利要求6所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述谐振环的开口方向电感线圈的开口方向一致或相反；其中位于最内侧的谐振环的开口方向电感线圈的开口方向一致，夹于中间的谐振环的开口方向与电感线圈的开口方向相反。
10.根据权利要求1所述的一种高功效的片上硅基双模太赫兹信号源结构，其特征在于，所述片上合路器包括半模基片集成波导和平面耦合器，其中半模基片集成波导的输入端和输出端均设置有平面耦合器。
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