太赫兹频段混频器与倍频链的相位噪声抑制及单片集成关键技术分析

发布时间：2026-09-07 11:22:00

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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太赫兹频段的信号源生成是太赫兹通信与感知系统面临的基础性工程问题。基频信号无法通过常规振荡器直接产生于太赫兹频段，倍频链通过非线性器件的谐波生成特性将较低频率的参考信号倍增至目标频段，是当前太赫兹固态信号源的主要实现方式。混频器则在接收链路中完成太赫兹信号至中频的频率变换，其相位噪声特性直接影响接收系统的信噪比与调制解调质量。倍频链的相位噪声在逐级倍频过程中以分贝形式叠加，混频器的相位噪声则与本振信号的纯度及混频器自身的噪声系数相关。相位噪声的抑制需要从倍频链的各级增益分配、混频器的本振驱动电平以及单片集成方案中的寄生效应控制等多个维度进行系统级优化，各项措施之间存在相互影响。

倍频链的相位噪声累积特性由其工作原理决定。倍频器利用非线性器件的电流-电压特性产生输入频率的各次谐波，输出频率的相位噪声在频偏处相对于输入信号按二十倍的对数倍频次数增加。在从百吉赫兹基频倍频至太赫兹目标频段的过程中，通常需要三级至五级倍频，每级倍频对相位噪声的恶化量随倍频次数的增加而累积。为降低最终输出的相位噪声，最直接的方法是提高基频信号自身的相位噪声性能，采用低噪声的振荡源作为倍频链的输入端。在振荡源性能确定的情况下，倍频链中各倍频器的增益分配也影响相位噪声，放大器在倍频器前插入可以提升驱动电平，但放大器自身的噪声贡献需要纳入考量。在倍频链的末级功率输出之前插入滤波器可以滤除不需要的谐波成分，但滤波器的插入损耗会影响输出功率水平。

混频器的相位噪声传递特性与本振端口和射频端口的设计密切相关。混频器的转换损耗和噪声系数对相位噪声的最终信噪比产生间接影响，因为相位噪声在混频过程中通过与射频信号的乘积项转移到中频输出端。本振信号的相位噪声对混频器输出的影响直接取决于混频器的拓扑结构，单平衡混频器能够抵消部分本振噪声，双平衡混频器则提供更优的本振噪声抑制能力。然而，平衡混频器需要的本振驱动功率较高，且需要配置巴伦结构以实现信号的平衡-非平衡转换，增加了设计复杂度和单片集成的面积开销。在单片集成方案中，混频器与本振倍频链通常共享同一半导体工艺平台，在片内的布局和屏蔽设计决定了本振信号耦合至射频端口的强度，过强的耦合会恶化混频器的端口隔离度，使本振噪声直接泄漏至中频输出端。

单片集成方案对相位噪声抑制带来的挑战主要集中在衬底耦合与电源噪声传导两个层面。太赫兹频段单片集成电路的衬底损耗较高，相邻功能模块之间的电磁耦合通过共用衬底传播，倍频链中的高功率谐波成分可能耦合至混频器的敏感节点，形成额外的相位扰动。衬底耦合的抑制需要在版图布局中增加隔离环和深阱结构，将不同功能的模块在空间上有效分隔。电源分配网络的阻抗在太赫兹频段呈现明显的频率依赖性，倍频链中各级放大器的偏置电流波动通过共用电源线传导至混频器偏置端口，产生低频调制效应，使输出信号的相位噪声在低频偏处抬高。电源噪声的抑制措施包括在片内集成高品质因数的去耦电容器，以及采用低压差稳压器将关键模块的电源与数字控制电路隔离。这些措施占用的芯片面积需要在有限的芯片预算内进行权衡。

倍频链与混频器的级间匹配网络设计对相位噪声抑制具有间接但重要的影响。级间匹配网络的带宽和传输系数决定了倍频链输出至混频器本振端口的信号功率，本振功率过低时混频器工作在转换损耗较高的区域，本振功率过高则可能激发混频器的非线性饱和效应。匹配网络的阻抗变换特性还影响倍频链末级放大器的负载条件，不合适的负载阻抗会改变放大器的输出相位特性，引入额外的相位调制。宽带匹配网络在太赫兹频段的实现需要使用分布式传输线结构，传输线的长度和特性阻抗控制精确度直接影响匹配效果。在单片集成中，传输线的金属厚度和介质高度受工艺限制，难以实现任意特性阻抗值，匹配网络的设计需在工艺允许的参数范围内进行优化。

相位噪声的测试验证在太赫兹频段面临测量仪器和校准方法的限制。相位噪声分析仪的工作频率通常不能覆盖太赫兹频段，需要采用下变频方案将被测信号转换至分析仪的工作范围内。下变频引入的本振相位噪声必须低于被测信号，否则测量结果将反映测试系统的相位噪声而非被测器件的真实性能。倍频链输出的相位噪声测量需要在倍频器各级之间插入测试端口，评估每级倍频对相位噪声的恶化量，定位相位噪声贡献最大的级联环节。混频器的相位噪声测量则需要在中频输出端进行，同时需保证射频输入端接有良好匹配的终端负载，避免外部反射影响混频器的端口条件。当前，太赫兹频段倍频链与混频器的相位噪声抑制技术正在随着器件工艺和设计方法的发展而持续进步，单片集成方案在相位噪声性能和芯片面积之间的工程化折中正在成为该领域的重要研究方向。

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