太赫兹（THz）波通常指频率在0.1~10 THz（波长为3000～30μm）范围内的电磁波，是连接电子学和光学之间的过度频段。该频段具有频谱资源丰富、波长小等优点，在未来通信、传感/雷达、医疗健康监测等领域有着重要的应用前景，因此低成本的硅基太赫兹无线收发机备受关注。功率放大器是发射机中关键器件之一，但由于受限于晶体管ft/fmax、晶体管击穿电压以及集成无源器件损耗等，宽带、高效硅基太赫兹功放一直是学术界和工业界研究的难点和热点。近日，清华大学陈文华教授及其团队在宽带、高效硅基太赫兹功放芯片设计领域取得了新进展。相关研究成果现分别以“A 250-310 GHz Power Amplifier with 15-dB Peak Gain in 130-nm SiGeBiCMOS Process for Terahertz Wireless System”（论文1）为题被太赫兹领域期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》接收发表，以“A High-Efficiency 142-182 GHz SiGeBiCMOS Power Amplifier with Broadband Slotline-Based Power Combining Technique”（论文2）为题被集成电路设计领域权威期刊《IEEE Journal of Solid-State Circuits》接收发表。

图1 300GHz功放芯片照片以及测试结果

研究团队在论文1中提出并实现了一种300-GHz宽带功放实现架构，以解决目前放大器工作频率、增益、带宽以及输出功率挑战，成功将硅基功放芯片的最大工作频率拓展到300 GHz以上。近年来虽有多篇 300-GHz频率附近 CMOS/SiGe放大器方面的论文被发表，但存在带宽不足、输出功率低等问题。论文1中提出基于电感正反馈共射共基交错调谐放大器架构，在接近fmax频率下同时提升放大器单元增益和带宽，提出带补偿的三导体传输线巴伦来实现4路宽带功率合成提高输出功率，利用130-nm SiGeBiCMOS工艺成功实现了一款250–310 GHz功放芯片。与目前公开报道同类型工作频率接近于fmax的SiGe / CMOS放大器相比，该工作成功突破了硅基功放频率限制，覆盖了250-300GHz。

图2 提出的4路功率合成技术和160-GHz功率放大器芯片照片

论文2则是提出了一种基于槽线-接地共面波导的新型宽带高效功率合成技术。变压器功率合成技术是一种常用的功率提升技术，但太赫兹频段绕线间寄生电容增加，共模信号抑制能力下降，端口平衡特性变差，工作带宽受限。论文2中提出利用模式正交特性，接地共面波导中的共模特性可有效被槽线抑制，从而改善共模抑制能力，提高端口平衡度，扩展工作带宽，并且损耗更低并且适用于更多后端工艺。所提出的4路功率合成网络在超宽频带范围内保持良好的端口平衡特性，且损耗低于1 dB。基于该技术利用130-nm SiGeBiCMOS工艺设计实现了一款142–182 GHz峰值PAE超过12%，末级峰值效率超过20%的太赫兹功率放大器芯片。紧凑的功率合成技术实现662-mW/mm2的单位芯片面积输出功率值，和目前最高水平相比，上述芯片面积、效率等性能指标均达到世界领先水平。

清华大学微波所博士生李星村为上述论文的第一作者，陈文华教授为论文通讯作者，研究工作由清华大学、美国麻省理工学院（MIT）和东南大学等单位合作完成，并获得国家自然科学基金应急项目（61941103）和国家重点研发专项（ 2019YFB2204701、 2020YFB1805004 ）等科研项目的支持。