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太赫兹是指频段为0.110THz(1THz=1012Hz)的电磁波,太赫兹技术是极为重要的前沿研究领域。太赫兹波具有低电离度、大分子指纹波谱、高透射等特点,在天文、电子信息、化学、材料科学、生命科学等多个领域被广泛运用。作为太赫兹传输系统的关键部分,太赫兹天线的性能直接影响信号的接收质量。传统技术在制作太赫兹天线过程中存在精度上的困难,而随着CMOS技术的发展,片上天线有效解决了精度问题,但是也引入了新的问题,如天线的尺寸成为控制芯片成本的关键因素、天线的带宽较窄、增益较低、电路测试周期较长等。本文针对硅基CMOS工艺太赫兹片上天线进行了理论分析与设计方法研究,重点围绕片上天线的小型化与宽频化展开研究,实现了多种不同结构的太赫兹天线并应用于探测器与信号源设计。具体研究工作与创新点归纳如下:1、概述了片上天线小型化、宽频化设计的理论与方法,设计了圆形双圆弧开槽片上天线、菱形对角线开槽片上天线和环形差分片上天线;2、针对天线双频段设计,本文舍弃原有的开槽技术实现多频段天线设计方法,创造性的使用双环嵌套二端口结构的差分天线实现双频化设计,解决了多输入电路的问题,并且简化了天线设计方法;3、针对太赫兹电路在片测试的需求,本文提出带有焊盘的新型太赫兹片上天线结构,可以有效实现太赫兹电路在片测试及信号辐射相兼容。基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了圆形双圆弧开槽片上天线、菱形对角线开槽片上天线、单环差分天线和双环嵌套差分天线并使用HFSS进行了建模与仿真,其中用于探测器1的双环嵌套差分天线尺寸为243×185μm2,谐振频率点为606GHz和792GHz,对应的带宽分别是8GHz和14GHz,增益分别为7.2dB@606GHz和4.04dB@792GHz;用于探测器2的圆形双圆弧开槽天线尺寸为293×260μm2,谐振频率点为300GHz,带宽14.7GHz,增益为5.3dB@300GHz;用于探测器3的菱形对角线开槽天线尺寸为254×208μm2,谐振频率点为300GHz,带宽12.67GHz,增益为5.9dB@300GHz;用于探测器4的单环差分天线尺寸为243×185μm2,谐振频率点为300GHz,带宽14GHz,增益为5.7dB@300GHz。天线的性能通过探测器芯片测试结果得到了间接验证,探测器1的最高响应电压为18.3μV@280GHz;探测器2的最高响应电压为419μV@290GHz;探测器3的最高响应电压为109.8μV@280GHz;探测器4的最高响应电压为230μV@290GHz。所设计的带有焊盘结构的太赫兹天线使用TSMC 65nm工艺流片,天线的尺寸为434×250μm2,谐振频率点为298GHz,带宽高达143GHz,增益为1.1dB@298GHz,该天线既可用于太赫兹压控振荡器的辐射输出,也能用于对振荡器电路的在片测试。