張 健，吳倩文，孫朋飛

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引言

毫米波及太赫茲頻段與紅外等光波相比，可以穿透衣物等遮蔽物，對(duì)煙霧灰塵具有更好的穿透性，受天氣影響小，可全天候工作；相比傳統(tǒng)微波頻段，具有更高的分辨率，抗干擾能力更強(qiáng)，在站開式檢測(cè)等安檢安防系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的前景和應(yīng)用[1-4]。毫米波及太赫茲輻射計(jì)具有無輻射、低功耗等特性，符合安檢設(shè)備無發(fā)射、無感知的需求，在安防成像等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注和研究[5-6]。

近年，毫米波太赫茲輻射計(jì)國(guó)內(nèi)外陸續(xù)有一些報(bào)道[7-14]，在輻射計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式上，逐漸由波導(dǎo)混合集成方式向單片集成方式演進(jìn)。文獻(xiàn)[7]報(bào)道了世界上首款采用標(biāo)準(zhǔn)65 nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的W-band輻射計(jì)芯片，芯片內(nèi)部集成濾波器、單刀雙擲開關(guān)、低噪聲放大器和平方率檢波器，文獻(xiàn)[9]采用0.13 μm SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)一款Dicke輻射計(jì)芯片，并成功應(yīng)用于室內(nèi)二維成像樣機(jī)中。國(guó)內(nèi)對(duì)毫米波輻射計(jì)研究起步較晚，在毫米波及太赫茲頻段核心芯片研發(fā)不成熟，核心芯片和器件需要從國(guó)外OMMIC和VDI等公司采購(gòu)，同時(shí)在集成方式上也以混合集成為主。文獻(xiàn)[9]報(bào)道了一款工作在W波段輻射計(jì)基于分立器件外部混合集成方式，集成度不高且一致性難以保證；文獻(xiàn)[11]報(bào)道了一款用于靜止軌道探測(cè)的V波段輻射計(jì)芯片，包含了正交混頻和本振倍頻部分，關(guān)鍵的低噪聲放大器部分需要外部混合集成，增加了輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。考慮到高靈敏度輻射計(jì)的需求，本文設(shè)計(jì)了一款集成低噪聲放大器、鏡像抑制混頻器及本振倍頻鏈的W波段輻射計(jì)SOC芯片，流片實(shí)現(xiàn)了射頻端的電路全單片化，極大降低了輻射計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

1 電路設(shè)計(jì)

芯片采用商用0.1 μm柵長(zhǎng)的GaAs pHEMT[15]工藝加工。晶體管的ft,fmax分別達(dá)到180,300 GHz。

輻射計(jì)SOC芯片框圖如圖1所示，由低噪聲放大器、鏡像抑制混頻器和本振倍頻鏈路組成。鏡像抑制混頻器包含一對(duì)電阻型混頻器，晶體管尺寸為2 μm×30 μm。本振信號(hào)經(jīng)過Lange耦合器之后，分成正交兩路加載在晶體管的柵極上，射頻信號(hào)和中頻信號(hào)加載在晶體管的漏極。

圖1 輻射計(jì)SOC芯片框圖

電阻型混頻器的原理如下:場(chǎng)效應(yīng)管的溝道電阻在非常低的源漏電壓下，可以近似為一個(gè)線性電阻[16-17]。這個(gè)線性的溝道電阻使用加在柵上的本振信號(hào)調(diào)制，當(dāng)柵壓低于閾值電壓時(shí)，溝道近似為開路；當(dāng)柵壓接近最大值時(shí)，溝道電阻降低到幾歐姆。在小信號(hào)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，施加在晶體管柵極上的本振電壓改變了耗盡層的厚度，因此溝道電阻和本振電壓線性相關(guān)。

本振功率加在柵上，通常需要加一個(gè)直流柵壓，射頻和中頻信號(hào)加在漏端，在射頻和中頻之間也需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器來隔離射頻和中頻信號(hào)。因?yàn)樵绰┲g是無直流偏置電壓的，柵漏電容Cgd要比傳統(tǒng)的應(yīng)用(如放大器)大，本振信號(hào)會(huì)泄漏到漏端，所以在漏端需要濾波器來抑制本振信號(hào)的泄漏。

混頻器的Ku波段本振信號(hào)通過一個(gè)6倍頻器饋入到混頻器的柵極，為混頻器提供足夠的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)降低外部本振信號(hào)頻率要求。6倍頻器由一個(gè)2倍頻器和3倍頻器級(jí)聯(lián)而成，避免了直接6倍頻損耗過大的問題，同時(shí)在末級(jí)級(jí)聯(lián)一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器，使得倍頻輸出功率足夠大，保證混頻器有較低的變頻損耗。射頻放大部分由一個(gè)低噪聲放大器實(shí)現(xiàn)，考慮到工作頻率接近晶體管的截至頻率，因此采用了4級(jí)級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，提供大約20 dB的增益。

2 電路性能

2.1 6倍頻器

為了精確地評(píng)估6倍頻器的性能，加工了一款獨(dú)立的6倍頻器電路，芯片照片如圖2所示，芯片尺寸1.0 mm×1.5 mm。

圖2 6倍頻器芯片照片

圖3為6次諧波分量的輸出功率。結(jié)果顯示，射頻輸入頻率為14.20～18.33 GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的射頻輸出頻率為85～110 GHz，帶寬為25.6%，功率在8～10 dBm之間，完全可以滿足后級(jí)基波混頻器的本振功率大于7 dBm的功率需求。在目前已報(bào)道的倍頻器芯片中，在輸出功率和帶寬方面表現(xiàn)優(yōu)異。

圖3 6倍頻器輸出功率與輸入頻率關(guān)系(Pin=6 dBm)

圖4為電路的輸出頻率6次諧波對(duì)各次諧波分量的抑制特性，測(cè)試結(jié)果顯示，電路的諧波抑制度優(yōu)于20 dBc，輸出頻譜較純凈，能有效抑制后級(jí)混頻電路的中頻輸出雜散。

圖5為倍頻器的功率特性曲線，電路的飽和輸出功率接近10 dBm。輸入功率為6 dBm時(shí)，射頻輸出功率約為8.5 dBm，與圖3的測(cè)試數(shù)據(jù)一致。

圖4 5次及7次諧波抑制與輸入頻率關(guān)系

圖5 6次諧波分量與輸入功率關(guān)系(@16 GHz/6 dBm)

2.2 低噪聲放大器

圖6為低噪聲放大器的芯片照片。電路的測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖6 低噪聲放大器照片

圖7為低噪聲放大器的增益仿真和測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，小信號(hào)放大增益測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好，在整個(gè)W-band增益大于18 dB。

圖7 低噪聲放大器增益仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.3 輻射計(jì)電路

圖8為輻射計(jì)芯片的照片。芯片尺寸為2 mm×2 mm，供電引腳比較多，為便于測(cè)試及使用，對(duì)輻射計(jì)電路進(jìn)行了封裝測(cè)試。

圖8 輻射計(jì)芯片照片

輻射計(jì)芯片封裝裝盒的照片，封裝模塊各個(gè)端口標(biāo)識(shí)如圖9所示。整個(gè)模塊尺寸為73 mm×26 mm×9 mm?？紤]到模塊的小型化，芯片的本振輸入端、中頻輸出端，均采用小尺寸的SMP接頭。

圖9 輻射計(jì)芯片封裝模塊效果圖

圖10為2路中頻正交合成后總的增益曲線，2路中頻信號(hào)通過SMP外接Lange耦合器實(shí)現(xiàn)正交合成。在85～110 GHz頻帶范圍內(nèi)，模塊的整體增益大于7 dB，在98～105 GHz范圍內(nèi)，增益大于9 dB，平坦度小于±0.5 dB。

圖10 輻射計(jì)模塊增益曲線(@IF=5 GHz)

通過圖11可以看出，輻射計(jì)的鏡像抑制度大于35 dBc，有效抑制了鏡像信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。

圖11 輻射計(jì)模塊鏡像抑制度曲線

本文設(shè)計(jì)的W-band輻射計(jì)與其他報(bào)道的輻射計(jì)對(duì)比如表1所示，工作頻率為85～110 GHz，有效帶寬25 GHz，尺寸與硅基工藝一個(gè)量級(jí)，遠(yuǎn)小于混合集成方式。

表1 W-band輻射計(jì)比較

參考文獻(xiàn)頻率/GHz帶寬/GHz工藝LNA增益/dB面積/mm2文獻(xiàn)[7]81^931265 nm CMOS270.41文獻(xiàn)[8]80^921265 nm CMOS153.00文獻(xiàn)[9]80^100200.13 μm SiGe353.42文獻(xiàn)[14]90^10010混合集成21N/A本文85^110250.1 μm GaAs184.00

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款工作在W波段的輻射計(jì)SOC芯片，經(jīng)查閱文獻(xiàn)，這是目前國(guó)內(nèi)公開報(bào)道的第一款100 GHz輻射計(jì)SOC芯片。相比于國(guó)內(nèi)目前主流的采購(gòu)國(guó)外芯片或者二極管混合集成的方法，本文的單片SOC電路在體積、集成度以及一致性等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)國(guó)內(nèi)毫米波太赫茲頻段單片集成電路發(fā)展有很好的推動(dòng)作用。