太赫兹InPHBT非线性模型及单片放大器研究

摘要

近年太赫兹波在高速通信、安检、医疗成像、射电天文、国防等方面取得长足进展，大大刺激了各类高性能太赫兹器件的需求。在各类太赫兹系统中，放大器的输出功率、噪声系数和线性度决定了系统的作用半径、灵敏度，抗干扰能力以及通信质量，是制约太赫兹技术应用和发展的关键器件。设计太赫兹频段固态放大器的基础在于：性能优异的器件；准确的太赫兹线性及非线性器件模型；适用于太赫兹的电路设计方法。磷化铟(InP)异质结晶体管(HBT)以其超高频、大功率、高线性度等特性优势，是最适合太赫兹单片应用的材料，已成为近年来国内外太赫兹固态器件和电路研究的热点。开展太赫兹InP HBT非线性模型及放大器设计研究对太赫兹系统的发展及应用有着非常重要的意义。在国家863计划支持下，本文依托国产InP HBT工艺线，针对上述要点，以太赫兹单片放大器为最终目标出发，系统地研究了太赫兹在片测试、太赫兹InP HBT非线性模型的建模技术及太赫兹单片（TMIC）设计技术。
　　本研究主要内容包括：⑴针对太赫兹测试中如何准确获得待测件（DUT）本征参数的问题，研究了片外校准+去嵌与在片校准两种测试模式。首先对比研究了LRRM校准和SOLT校准在太赫兹的表现，选定了精度高、可靠性高的LRRM作为片外校准方法。分析了低频常用的Open-Short去嵌法失效的机理，提出一种Open pad-Open-Through去嵌方法，实现了太赫兹频段测试结构寄生参数的移除。研究了片上薄膜微带线的性质，提取出了苯环丁烷（BCB）介质介电常数的频变模型，准确的制作出特定特性阻抗及相移的传输线，实现了太赫兹频段的TRL片上校准。最后测试了InP晶元上的HBT，MIM电容等有源无源结构，对比了 Open-Short，Open pad-Open-Through和 TRL三种方法的测试效果，验证了TRL和Open pad-Open-Through方法的有效性，为后续建模工作打下基础。⑵针对电容Line-Capacitor-Line（LCL）模型传统提参方法必须在微带线环境中才有效的局限，提出一种通用的模型参数提取方法。该方法基于测试数据，通过对模型Z矩阵和Y矩阵的推导得出模型参数的解析解，不受电容传输线形式及结构限制，具有高度的普适性。提取参数在0-66 GHz频段内不需要任何微调即可达到 S参数幅度最大误差7％，相位最大误差7°以内的拟合精度。随后根据LCL模型提出一种在不影响容值大小情况下提升电容自谐振频率的方法，并进行了验证。然后将模型应用扩展到了太赫兹频段，研究了 LCL模型在太赫兹频段的有效性，以此为根据研究了 MIM电容在太赫兹频段的频率响应规律，为太赫兹单片电路设计提供了高精度的无源模型库和完善了设计方法。⑶针对InP HBT的B-C结的异质结势垒结构带来的色散效应，提出了一个射频电流模型，在Agilent HBT模型基础上，增加了色散支路，改善了直流跨导与射频跨导的模拟精确性。然后根据本文所使用HBT物理结构，重新规划了Agilent HBT模型的寄生参数分布，将寄生电感拆分为电极寄生与通孔寄生，电感考虑了平行电极之间的磁耦合和金属寄生电阻的趋肤效应。以此拓扑为基础提出一种系统的寄生参数 EM提取方法，一步一步剥离提取了寄生参数。最终模型在0.2~325GHz全频带多偏置点上与测试数据达到了良好的拟合结果。⑷太赫兹放大器研制。针对140 GHz，220 GHz等大气窗口频段开展放大器设计研究。结合之前建立的HBT非线性模型和电容LCL模型，提出了一套适用于太赫兹频段的原理图设计方法，避免了太赫兹频段原理图设计盲目优化的问题。基于这种方法，首先设计了一款超宽带中功率放大器，测试结果显示芯片3dB带宽为49.1 to146.4 GHz，覆盖了E波段， W波段和F波段。平均小信号增益11.2 dB，140GHz上饱和输出功率13.7dBm。随后设计了220 GHz放大器，采用双共轭匹配法挖掘晶体管最大增益，级联六级晶体管在220 GHz上得到了13dB的小信号增益。放大器在片测试输出功率为2.82 dBm。最后研究了倒置微带线结构的放大器，研制了一款八级倒置微带放大器，在140～190 GHz上有超过15 dB的平坦增益，其输出功率在220GHz为-2.688dBm。三款放大器成功实现了可实用化的太赫兹固态电路。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 太赫兹波简介

1.2 太赫兹固态器件的研究背景与研究意义

1.3 太赫兹InP固态技术国内外发展动态

1.4 本文的研究内容和章节安排

第二章 复合式集电区的InP HBT工艺

2.1 引言

2.2 InP HBT工作原理及外延层优化

2.3 有源区平坦化工艺与TMIC工艺

2.4 非线性模型介绍

2.5 本章小结

第三章 太赫兹在片测试与校准研究

3.1 引言

3.2 片外校准与去嵌

3.3 在片校准

3.4 测试结果对比与分析

3.5 本章小结

第四章 片上电容的太赫兹模型研究

4.1 引言

4.2 电容的LCL模型

4.3 模型在太赫兹的应用

4.4 本章小结

第五章 InP HBT太赫兹模型研究

5.1 引言

5.2 低频有源区模型建立

5.3 EM法提取高频寄生参数

5.4 本章小结

第六章 太赫兹单片放大器研制

6.1 引言

6.2 单片放大器设计环境及设计流程

6.3 140 GHz宽带放大器设计

6.4 220 GHz放大器设计

6.5 倒置微带线G波段放大器设计

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作和创新点

7.2 未来工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果