基于PIN二极管与推挽式脉冲生成的宽带THz收发系统发射机实现

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：THz-pulse generators with transmitter implementation for broadband transceiver systems

　　

对资源高效生产中在线传感器日益增长的需求，挑战了传统雷达系统的极限。作为解决方案，本工作提出了两种全集成脉冲发生器，以及面向新型宽带THz脉冲雷达收发器的发射机实现扩展。全差分晶体管基方案与紧凑型PIN二极管基方案分别在高达110 GHz和500 GHz的频域内完成表征，验证了设计的可行性。凭借皮秒量级的重构脉冲宽度，这些系统可提供在线材料厚度控制所需的带宽与分辨率，其能力超越当前最先进的调频连续波（FMCW）系统。基于上述结果，两个PIN二极管基发生器与片上折叠偶极子天线、定制印刷电路板（PCB）及准直硅透镜集成，构成发射机。测量结果证实了J波段内预期的频谱行为，证明了脉冲基架构用于宽带收发系统的可行性，并确立了其在高分辨率测量应用中的适用性。

研究背景方面，为显著降低温室气体排放，工业生产不仅需要采用再生资源和可再生能源，还需提升塑料管材、吹塑氢气罐及片材或泡沫材料等能源密集型产品的资源效率。以PVC下水管为例，每千克管材（对应长度仅65 cm、壁厚3 mm、直径110 mm）的生产需消耗59.3 MJ不可再生能源和14.7 MJ可再生能源，以及10.7 L淡水，同时产生2.76 kg CO₂当量排放。即便壁厚出现微小偏差也可能导致产品不可用，造成资源浪费。为降低此风险，可采用在线传感器在生产过程中监测和控制壁厚。调频连续波（FMCW）雷达系统广泛应用于高分辨率测量，能够以亚微米精度确定绝对距离，但其距离分辨率受限于约3 mm，对于多数壁厚仅数毫米的常用管材以及仅数微米厚的薄膜材料而言并不充分。实践中所需分辨率借助X射线或β发射器等电离辐射方法获得，但存在健康风险；激光基THz系统则成本高昂、可靠性不足，仅限于细分应用。THz频率的宽带脉冲基收发系统是一种有前景的替代方案，可提供精确厚度控制所需的分辨率，同时具备全集成架构，从而形成稳健、经济的方案。所提出的系统依赖于最初在光学频率梳光谱学中发展起来的双梳方法，其中发射机脉冲串与重复率略有差异的接收机脉冲混频，从而将信号下变频以便信息提取。在频域中，该偏移导致频谱分量之间产生经典的和频与差频，但只有相邻失谐音调的差值落入所关注的低频范围。在时域中，该过程对应于子采样，即发射信号的各个频率分量由接收机脉冲采样。原始高频信号的幅度和相位信息由此映射到低得多的混叠频率f_alias=f_sig?N·f_s上，即相对于采样率整数倍的相对偏差。因此，由多个频率分量组成的复合发射信号被有效转换为低频梳，在时域上表现为展宽，易于采样和分析，同时保留信息。收发器架构包括发射机和接收机，各含一个脉冲发生器和一个天线，接收机还包含用于双梳下变频的混频器。本工作呈现发射机部分的设计，重点在于不同的信号生成概念。

研究人员开展了两种THz脉冲生成电路概念的研究。PIN二极管脉冲发生器基于反向恢复效应工作，其与常规PN二极管的区别在于存在本征层。在正向偏置下，一旦施加电压超过阈值，二极管进入正向导通，载流子注入本征区并存储过剩电荷。当偏置降低时，二极管经历反向导通，因为这些载流子必须先被移除才能阻断。在此耗尽过程中，电流继续流动并跟随激励电压的波形。一旦存储载流子被完全抽取，二极管无法维持导通，电流骤然降为零。该陡峭电流边沿本身包含多个频率分量，边沿越陡，波形越窄越高。为获得这些值，电流通过感性负载（如电磁仿真的平面线圈）进行微分，产生电压脉冲。仿真显示该概念的一个缺点：输入与输出之间隔离有限，导致重复率处的正弦分量叠加在所生成脉冲上；但只要其幅度显著低于脉冲幅度，就不会对系统功能产生进一步影响。PIN二极管电路在Infineon 90 nm B12HFC工艺中实现，该工艺提供f_T/f_max=300/530 GHz的双极性能。在该工艺中，PIN二极管并非专用设计元件，而是原本用于双极器件的工艺层堆叠的副产品，因此其反向恢复和开关特性仅由物理近似而非特定模型描述。为表征其行为，研究制作了12个测试结构，包含基于布局中2种可用器件选项（pdiode和变容二极管）、3种不同尺寸、带与不带感性负载的二极管。由于反向恢复斜率由本征区存储电荷量决定，较短的条长（即接触本征区的分段阳极指）固有地导致更快的耗尽和更陡的电流边沿，因此选择最小可用条长5 μm。为进一步研究缩放行为，通过手动裁剪二极管布局制作了更小的2.5 μm和1 μm版本，以期获得更陡斜率、更窄脉冲及更高带宽。第二种脉冲生成方法是基于有源晶体管的推挽电路，旨在改善端口隔离并支持更低输入功率电平下工作。与PIN二极管类似，电压脉冲通过微分电流边沿获得，此情况下电流边沿出现在由差分方波控制信号驱动的推挽放大器中。高电流在差分路径之间的突然切换产生陡峭的上升和下降跳变，在输出端产生正脉冲和不期望的负脉冲；为抑制后者，可通过pMOS晶体管开关周期性禁用电流源。该晶体管基电路在IHP 130 nm SG13G3工艺中实现，f_T=470 GHz、f_max=610 GHz。为将正弦输入整形为差分方波控制信号，主电路前级联一个前置放大级，其采用与核心相同的推挽拓扑，但使用电阻负载和较小晶体管工作在饱和区作为开关，从而削波输入信号幅度并生成所需波形。在主电路中，放大器每个差分支路包含用于信号微分的感性负载，在布局中合并为中心抽头电感；输入器件上方采用共源共栅级以抑制Miller效应，从而保持陡峭电流跳变。为维持大电流，原 schematic 中每个晶体管由3个可用8倍npn器件并联连接，共对应24个晶体管。最大面积消耗来自耦合电容。输出端C_out提供直流隔离以保护测量设备，需要大电容值以避免滤除低次谐波。类似地，晶体管核心与前置放大器之间的电容确保独立偏置和优化工作点，特别是C₁使共源共栅晶体管能够单独偏置以补偿电流上升沿与下降沿之间的轻微不对称；通过调节晶体管基极偏置可调整过渡时间，获得更均匀的脉冲形状。

关键技术方法方面，研究采用频域表征方法，因皮秒级持续时间对应频谱远超100 GHz，超出可用示波器带宽，直接时域评估不切实际。使用Rohde & Schwarz信号发生器提供输入信号并定义输出脉冲重复率，偏置电压通过独立电源经偏置T或DC探针提供；电路采用合适100 μm间距探针在片接触，输出频谱由Keysight UXA分析仪在50 Ω输入阻抗下捕获。晶体管基电路差分架构需通过180°混合结转换单端源激励，输出用GSGSG探针接触，一支路在片外50 Ω端接、另一连接UXA；该探针配置在高频下不可用限制了测量范围至110 GHz。为扩展至110 GHz以上并覆盖20次以上谐波，采用WR 10、WR 6.5、WR 5.1、WR 3.4和WR 2.2波段的波导扩展器及相应探针，合并频谱时考虑其频率相关衰减，评估全部12个PIN二极管基电路。样本队列来源为Infineon 90 nm B12HFC和IHP 130 nm SG13G3工艺制造的芯片，以及后续Infineon B11HFC 130 nm BiCMOS工艺制造的发射机。

研究结果方面，晶体管基脉冲发生器的测量频谱呈现两级推挽架构的预期行为：第一放大器工作在饱和区，生成具有明显奇次谐波的方波输出，作为第二级控制信号执行突然电流切换；感性负载将电流微分为电压脉冲，同时抑制低频分量并强调高次谐波。在1 GHz重复率下，基频和三次谐波功率低于高次分量，尽管整体包络仍向高频下降。对于较低脉冲重复率，可用功率分布在固定频率跨度内更多谐波上，降低每谐波功率，测量需更长采集时间。5.5 GHz和1 GHz输入下输出频谱趋势相同，差值仅略偏离预期的10·log(5.5)=7.4 dB。由于测量范围限于110 GHz，许多相关频谱分量无法捕获，无法实验重构脉冲，故晶体管基发生器脉冲形状仅由仿真导出。PIN二极管基电路在5.5 GHz下表征，频域测量扩展至500 GHz，合并频谱确认了整个范围内重复率的预期谐波，呈现脉冲频谱特征。带与不带感性负载的频谱与仿真一致，主要偏差出现在DC和基频处，感性微分导致显著降低值。12个测试电路中，两种布局元件（pdiode和变容二极管）表现一致，确认两种建模方法同等适用于设计。在WR-2.2波段上限，6 GHz输入下输出功率随频率降低，但谐波仍明显高于热噪声底。脉冲重构在零相位差假设下通过逆傅里叶变换进行，因PIN二极管非相干频谱无法提供相位信息；虽然脉冲形状由频谱相位决定且重构结果在非相干测量条件下不唯一，但零相位假设提供了可达峰值幅度和脉冲宽度的确定性估计。重构脉冲串显示每181.8 ps出现明显脉冲，对应5.5 GHz重复率；脉冲宽度（FWHM）确定为13.2 ps，峰值电压273 mV，而同输入功率仿真结果为7.6 ps和1 V。在相位偏差下，频谱分量趋于时间失配而非相长干涉形成窄脉冲，进一步改变脉冲形状。即使宽带示波器测量也无法直接捕获无失真波形，因设置引起的退化如截止频率受限、色散及电缆、探针和互连的频率相关损耗。比较两种脉冲发生器概念，PIN二极管基设计实现仿真脉冲宽度缩减27%，转化为增加频谱带宽和改善距离分辨率；架构保持简单，所有谐波由单个PIN二极管生成，平面线圈是唯一需要显著面积的元件，核心占位面积可减少超过55%，同时降低寄生效应；除偏置电源外PIN二极管电路无源工作，而晶体管基发生器需要272 mW直流功率。面积和功率效率优势使PIN二极管方法特别适合目标应用。晶体管基概念提供差分架构优势、输入输出隔离，并在低输入功率下提供显著更高输出峰值电压，从而扩展系统范围。与最先进系统相比，两种架构实现的FWHM和幅度值与其它时域表征的脉冲发生器一致，同时提供与厚度测量应用特别相关的参数组合并保持相对简单架构。

发射机设计与实现方面，尽管采取了去嵌入测量设置影响的措施，探测焊盘本身仍呈现约25 fF寄生电容，与约127 GHz截止频率形成低通滤波器。实现包含所设计脉冲发生器的脉冲基发射机是迈向完整收发系统的重要一步，同时提供克服独立发生器表征固有测量限制的手段。发射机在Infineon B11HFC 130 nm BiCMOS工艺中制造，晶体管f_T/f_max分别达250和370 GHz。采用PIN二极管方法，因其验证的频谱分量延伸至可实现紧凑片上天线的频率范围，确保发生器与发射机表征的一致性。电路由两个脉冲发生器组成，共同驱动自谐振频率258 GHz、?10 dB回波损耗带宽19%的差分折叠偶极子天线。折叠偶极子因提供更高阻抗和适度增强带宽而被选用，同时为验证电路功能提供直接方案。每个发生器集成单个PIN二极管与感性负载；一个发生器中二极管反向放置并负偏置以实现负脉冲生成，从而建立半差分电路工作。测量设置方面，需要专用装配：设计PCB提供输入和偏置信号连接器，厚度选250 μm以支持50 Ω单端和100 Ω差分阻抗的较薄微带线并便于与MMIC的键合线互连；PCB中央设通孔容纳MMIC，因与芯片高度差仅约60 μm。装配分两步：先用紫外固化胶将透镜粘至PCB，再将MMIC穿过PCB开口置于透镜上，最后在热室中固化。选择硅透镜以最小化辐射路径上的界面反射；向下通过芯片发射抑制衬底模式，因天线区域下方无地平面。天线-透镜组合仿真峰值增益27.5 dBi@258 GHz。完成装配安装于3D打印定制夹具并附于PI DT-80紧凑旋转台。单端输入信号由Rohde & Schwarz信号发生器生成并经Anzac混合结转换为差分波形，定义6 GHz脉冲重复率。辐射信号经MMIC、PCB开口和准直透镜传播至目标，由Mi-Wave 20 dBi J波段喇叭天线接收并经VDI WR 3.4 SAX转发至Keysight UXA，覆盖整个发射机天线带宽；喇叭天线极化与片上折叠偶极子对齐以确保高效耦合。测量结果方面，为保持足够信噪比，测量在辐射近场进行，接收功率由天线效率（含材料损耗）和几何设置属性决定，而非自由空间路径损耗和天线增益，代表捕获的辐射功率而非远场EIRP。在该区域，仅通过20 mm透镜辐射的信号一小部分耦合进孔径2.9×4 mm的WR-3.4天线，在均匀场分布假设下已使接收功率降低14.4 dB；喇叭孔径效率约70%、发射天线-透镜-接收机之间的对准容差及频率相关耦合进一步贡献信号电平降低。去嵌入测量设置影响后测得的发射机辐射功率显示，辐射功率在测量频率范围内呈下降趋势；在频带低端，天线效率增加补偿了降低的谐波电平从而缓解下降；超过天线谐振频率258 GHz后效率接近饱和值，辐射功率跟随脉冲发生器频谱。由此验证了预期频率处的谐波行为及发射机功能。由于安装高度和板绕垂直轴旋转经手动调整以将波束指向目标，通过旋转台以3°步进在?30°至30°间变化转角研究可能失准的影响，显示J波段所有测量谐波的发射机辐射功率角度依赖性，对应发射机辐射方向图方位切面；主瓣波形遵循一致趋势，值波动主要出现在主瓣外和天线带宽外，低信号电平下可见，可归因于桌面实验室设置中的多径反射及发射机安装机械失准引入的微小垂直和轴向容差；在258 GHz处3 dB波束宽度略偏离中心，跨0°至12°，强调因角度敏感性需精确板对准。

讨论部分总结，本工作展示了脉冲基发射机的开发作为宽带收发系统的解决方案，旨在克服现有距离分辨率限制。作为该架构的关键组件，实现并表征了两种脉冲生成方法。PIN二极管基电路展示紧凑且节能的工作，实现仿真6 dB脉冲宽度7.6 ps@1 V幅度和5.5 GHz重复率，频谱分量实验验证至500 GHz，支持测量脉冲重构；晶体管基全差分概念提供高输出电压，给出6.4 V输出脉冲、可比脉冲宽度10.4 ps及表征至110 GHz的频谱，从而提供增加的范围。基于这些结果，实现了从独立脉冲发生器到完整脉冲基发射机的扩展：两个PIN二极管基脉冲发生器以半差分工作组合并连接折叠偶极子天线构成发射机设计，电路集成于含定制PCB和准直硅透镜的装配中，实现通过MMIC向下辐射从而抑制衬底模式。测得辐射功率证实了J波段内天线谐振258 GHz附近的预期频谱行为；虽然天线不辐射整个脉冲带宽，但测量的频谱段为脉冲基发射机提供概念验证并验证系统功能，因该波段内所有谐波均一致生成并辐射。所提出脉冲发生器的成功实现由此得到证明，证实了该方法用于脉冲基收发系统的适用性。未来工作将聚焦于通过集成超宽带混频器完成收发架构以实现脉冲接收并允许全系统测量；此外将研究替代天线概念以专门解决低截止频率并增加有效辐射的生成频谱比例。凭借这些改进，可执行面向高分辨率厚度测量的完整系统级评估。最终，所呈现的架构为未来需要高分辨率的在线传感场景提供了有前景的基础，同时提供紧凑、稳健和全集成设计的优势。研究结论为：本工作展示了脉冲基发射机的开发作为宽带收发系统的解决方案，旨在克服现有距离分辨率限制，PIN二极管基电路展示紧凑节能工作并实现仿真6 dB脉冲宽度7.6 ps@1 V幅度和5.5 GHz重复率，频谱分量实验验证至500 GHz；晶体管基全差分概念提供6.4 V输出脉冲、10.4 ps脉冲宽度及表征至110 GHz的频谱；两个PIN二极管基脉冲发生器以半差分工作组合并连接折叠偶极子天线形成发射机设计，集成定制PCB和准直硅透镜实现向下辐射抑制衬底模式，测得辐射功率证实J波段内天线谐振258 GHz附近的预期频谱行为，验证了脉冲基发射机概念及系统功能，证明了所提出脉冲发生器用于脉冲基收发系统的适用性。